牛得草

（中國(guó)人民解放軍95538 部隊(duì),四川 成都 611436）

0 引言

濕陷性黃土的沉降問(wèn)題一直是困擾工程技術(shù)人員的世界性難題，特別是濕陷性黃土高填方的沉降和不均勻沉降往往成為影響工程成敗的關(guān)鍵因素[1]。對(duì)于此類(lèi)工程，如果填方土體的濕陷性處理不到位，往往會(huì)導(dǎo)致場(chǎng)地施工完成后發(fā)生沉降以及不均勻沉降過(guò)大而危及主體工程的安全。

某西北黃土高原機(jī)場(chǎng)，場(chǎng)址區(qū)域位于黃土溝壑地帶，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。前期勘察發(fā)現(xiàn)該區(qū)域黃土為自重濕陷黃土，濕陷等級(jí)為Ⅱ～Ⅳ級(jí)，地基存在嚴(yán)重濕陷風(fēng)險(xiǎn)（Ⅲ級(jí)）。工程為高填土石方工程，最大填方高度超過(guò)100 m，填料為場(chǎng)區(qū)濕陷性黃土。飛行區(qū)內(nèi)最大填方高度達(dá)120 m，填筑料體為自重濕陷性黃土。填筑體的沉降和不均勻沉降是工程面臨的首要問(wèn)題，黃土遇水濕陷的特征致使該工程地基處理面臨著消除其濕陷性、提高地基的壓縮模量和地基承載力等重要問(wèn)題。同時(shí)，受場(chǎng)地所限，飛行區(qū)北端填方放坡坡腳處有高速公路、鐵路等重要構(gòu)筑物，需要加大坡度以避免影響坡下構(gòu)筑物，而陡邊坡的高度近120 m，如此高的黃土填土邊坡處理問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外極為罕見(jiàn)，既沒(méi)有成熟的技術(shù)作支持，也無(wú)成功的經(jīng)驗(yàn)可借鑒。因此選擇和確定合理的地基處理、填筑方案及質(zhì)量控制體系成為亟待解決的工程技術(shù)問(wèn)題。

目前，高填方場(chǎng)地施工中常用的壓實(shí)方法包括：靜力碾壓法、強(qiáng)夯法和振動(dòng)碾壓法。振動(dòng)碾壓法以其施工設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成熟、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)，在公路、機(jī)場(chǎng)、水利等工程領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[2-7]。但利用該方法處理濕陷性黃土高填方工程尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，因而需要在工程施工前進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)，以確定相關(guān)施工技術(shù)參數(shù)，并提出相應(yīng)的技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 碾壓試驗(yàn)

碾壓試驗(yàn)分別使用激振力為30 t、40 t、50 t 的拖式羊角碾，針對(duì)虛鋪厚度為30 cm、40 cm、50 cm 的不同工況，進(jìn)行不同碾壓遍數(shù)（2、4、6、8）的壓實(shí)，檢測(cè)填筑體的沉降量和壓實(shí)度變化情況，其試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

碾壓試驗(yàn)施工工序：清理場(chǎng)地—測(cè)量標(biāo)高—碾壓實(shí)施—檢測(cè)壓實(shí)度和沉降量—場(chǎng)地平整—標(biāo)高復(fù)測(cè)—施工驗(yàn)收—進(jìn)入下一工序。

試驗(yàn)過(guò)程：

壓實(shí)試驗(yàn)前，對(duì)填料土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)得填料土的自然含水率、最佳含水率和最大干密度分別為12.1%，12.2%，1.85 g/cm3。

碾壓過(guò)程中每碾壓2 遍，分別取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算填鋪層的沉降量和壓實(shí)度（虛鋪厚度為50 cm 時(shí)分上下兩層分別取2 個(gè)測(cè)點(diǎn)計(jì)算其壓實(shí)度）。

1.2 載荷試驗(yàn)

濕陷性黃土碾壓試驗(yàn)施工完成后，在壓實(shí)度達(dá)到95%區(qū)域隨機(jī)選取一點(diǎn)，進(jìn)行平板荷載試驗(yàn)。采用面積為0.5 m2的圓形鋼制承載板（直徑800 mm）進(jìn)行相對(duì)穩(wěn)定試驗(yàn)，每級(jí)加載40 kPa，加載至360 kPa，測(cè)得各試驗(yàn)小區(qū)的p-s曲線(xiàn)，以確定其地基承載力特征值和變形模量。

1.3 浸水載荷試驗(yàn)

為了檢測(cè)碾壓法處理后地基土體濕陷性消除情況，取一點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)浸水載荷試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)所用承載板為0.5 m2的圓形鋼制承載板（直徑800 mm），釆用穩(wěn)定法進(jìn)行試驗(yàn)，0～200 kPa 每級(jí)加載40 kPa，加載至200 kPa，觀測(cè)沉降，待穩(wěn)定后再浸水，繼續(xù)觀測(cè)加載200 kPa 填筑體浸水濕陷沉降直至沉降穩(wěn)定。

2 結(jié)果分析

2.1 激振力的影響分析

虛鋪厚度為30 cm 時(shí)，采用不同激振力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示；不同激振力工況下，填筑體的壓實(shí)度隨壓實(shí)遍數(shù)的變化情況如圖1 所示。

圖1 不同激振力對(duì)壓實(shí)效果的影響

表2 不同激振力下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖1 可知：激振力為30 t 時(shí)，碾壓8 遍后總沉降量為5.45 cm，碾壓6 遍即可達(dá)到90%的壓實(shí)度；激振力為40 t 時(shí)，碾壓8 遍后總沉降量為6.50 cm，壓實(shí)度在碾壓4 遍后即可達(dá)到90%，6 遍已接近95%，壓實(shí)效果顯著；激振力為50 t 時(shí)，碾壓8 遍后總沉降量?jī)H為5.90 cm，相比于激振力為40 t 時(shí)，壓實(shí)度不僅沒(méi)有增長(zhǎng)，反而略有下降?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)填筑體表面10 cm 左右被振酥沖散，呈粉末狀，不利于各層填筑體的密實(shí)結(jié)合。雖然去除表層松散填筑土樣后測(cè)得下層壓實(shí)度碾壓8 遍可以達(dá)到95%，但該參數(shù)顯然不適合填筑體壓實(shí)處理。分析其原因在于虛鋪黃土過(guò)薄、碾壓能級(jí)過(guò)高，使得表層土體被振酥沖散，失去其原有結(jié)構(gòu)性，類(lèi)似于超固結(jié)土的剪脹效應(yīng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，虛鋪層厚度為30 cm，激振力為40 t，可以使得壓實(shí)效果和施工效率達(dá)到較好的平衡；此參數(shù)組合下，壓實(shí)6 遍即可獲得較為理想的壓實(shí)效果。

2.2 虛鋪厚度的影響分析

激振力為50 t 時(shí)，不同虛鋪厚度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示；不同虛鋪厚度下，填筑體的壓實(shí)度隨壓實(shí)遍數(shù)的變化情況如圖2 所示。

圖2 不同虛鋪厚度對(duì)壓實(shí)效果的影響

表3 不同虛鋪厚度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由圖2 可知：相同的激振力作用下（50 t），壓實(shí)遍數(shù)相同時(shí)不同虛鋪厚度（30 cm、40 cm、50 cm）的壓實(shí)度十分接近，且隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加差距進(jìn)一步減??；壓實(shí)4 遍后不同虛鋪厚度的填筑體的壓實(shí)度均可達(dá)到90%以上，壓實(shí)8 遍后基本可達(dá)到95%，在但虛鋪厚度為50 cm 時(shí)，填筑體下層的壓實(shí)度達(dá)不到95%。分析其原因在于虛鋪厚度過(guò)厚使得振動(dòng)壓實(shí)能難以傳遞到填筑體的下層。在50 t 激振力作用下，虛鋪厚度40 cm 時(shí)，壓實(shí)6 遍即可達(dá)到較為理想的壓實(shí)效果（壓實(shí)度接近95%），是較為合理的施工組合。

試驗(yàn)結(jié)果表明，激振力為50 t 時(shí)，最佳虛鋪厚度為40 cm，最佳壓實(shí)遍數(shù)為6 遍；此時(shí)既能最大限度的發(fā)揮壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)效果，又能使得填筑體達(dá)到較好的壓實(shí)效果。

2.3 載荷試驗(yàn)

碾壓后各試驗(yàn)小區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 碾壓后各試驗(yàn)小區(qū)載荷試驗(yàn)結(jié)果

由圖3 可知：各試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)，當(dāng)加載量達(dá)到360 kPa時(shí)，載荷試驗(yàn)p-s曲線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)或突然下降，即地基沒(méi)有破壞，可以確定地基承載力特征值均為200 kPa。

p-s曲線(xiàn)在200 kPa 時(shí)的累計(jì)沉降量、變形模量如表4 所示。

表4 200 kPa 時(shí)載荷試驗(yàn)結(jié)果

由表4 數(shù)據(jù)可知：同一虛鋪層厚度（30 cm）下，隨著激振力的增加，p-s曲線(xiàn)在200 kPa 時(shí)的累計(jì)沉降量先減小后增大，變形模量先增加后減小，表明碾虛鋪層厚度為30 cm 時(shí)，激振力為40 t 可以獲得最佳的碾壓效果。同一激振力（50 t）作用下，隨著虛鋪層厚度的增加，p-s曲線(xiàn)在200 kPa 時(shí)的累計(jì)沉降量先減小后增大，變形模量先增加后減小，表明激振力為50 t 時(shí)，虛鋪層厚度為40 cm 可以獲得最佳的碾壓效果。

2.4 浸水載荷試驗(yàn)

碾壓后各試驗(yàn)小區(qū)浸水荷載試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，加載至200 kPa 后浸水至濕陷穩(wěn)定時(shí)的附加濕陷變形如表5 所示。

圖4 碾壓后各試驗(yàn)小區(qū)浸水載荷試驗(yàn)結(jié)果

表5 不同夯擊能處理后的附加濕陷變形

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：不同試驗(yàn)工況下，地基土體在200 kPa 壓力下浸水后附加濕陷變形量逐漸減小，但都遠(yuǎn)小于《巖體工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）規(guī)定的濕陷性土的判定標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)為各試驗(yàn)小區(qū)的夯擊試驗(yàn)已消除地基土體濕陷性。但相比而言虛鋪層厚40 cm 激振力為50 t 時(shí)，浸水后附加濕陷變形量最小，處理效果最佳，推薦后續(xù)施工中按照該參數(shù)進(jìn)行施工。

3 結(jié)論

采用振動(dòng)碾壓法進(jìn)行濕陷性黃土壓實(shí)時(shí)，其激振力應(yīng)與虛鋪厚度相匹配。虛鋪層過(guò)薄而激振力過(guò)大時(shí)易將表層土體振酥沖散，形成粉末層，不利于各層填筑體的密實(shí)結(jié)合，同時(shí)也不利于發(fā)揮壓實(shí)機(jī)具的最大效率。虛鋪層過(guò)厚，激振力無(wú)法傳遞到填筑體的下層使得下層的壓實(shí)效果難以達(dá)到施工要求，形成質(zhì)量隱患。實(shí)際工程中宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定相應(yīng)的施工參數(shù)，以最大限度發(fā)揮施工機(jī)具的施工效率和理想的施工效果。對(duì)于依托工程而言，綜合比較壓實(shí)度、載荷試驗(yàn)以及浸水載荷的試驗(yàn)結(jié)果，推薦采用虛鋪層厚度40 cm、激振力50 t 每層壓實(shí)6 遍的參數(shù)組合對(duì)填方土體進(jìn)行振動(dòng)碾壓以獲得最佳的壓實(shí)效果。