碎石土強夯加固效果荷載試驗分析

基金項目： 教育部創新團隊發展計劃資助項目（IRT1045）； 中央高校基本科研業務費重點項目（CDJZR12 20 55 01）； 中國博士后科學基金特別資助項目（201003315）

作者簡介： 黃達（1976-），男，副教授，博士，研究方向為巖土工程和工程地質，電話：023-65129587，E-mail：hdcqy@126.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0435-07DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.007

摘要： 為探討碎石含量及其分布對強夯地基承載力和差異沉降的影響規律，采用平板荷載試驗，對3種不同碎石含量強夯地基的加固效果進行了檢測.結果表明：碎石土強夯地基具有較好的承載力，平均承載力均超過250 kPa；隨碎石含量增加和分布不均勻性增強，地基承載力的不均勻性增強，差異沉降增大；對于碎石含量較高且分布不均的強夯地基，當荷載接近或達到地基承載力以后，將出現更大的差異沉降；對于重慶市開縣某強夯地基，不同碎石含量可導致強夯地基的差異沉降量相差3～4倍.

關鍵詞： 強夯地基；碎石土；不均勻性；載荷試驗；差異沉降

中圖分類號： TU472文獻標志碼： A

由于強夯沖擊壓縮過程的復雜性、碎石土介質的不均勻性和不連續性，目前對于山區碎石土強夯地基仍處在工程應用的經驗積累階段[1-8].對于碎石土強夯地基的代表性研究成果大致可歸納為以下三方面：強夯沖擊波傳播特征及固結變形演化[1]；主要工程問題及存在的技術難點[2]；基于夯后檢測的加固效果評價，主要是密實度、承載力、波速及變形特征等的檢測分析[3-8].

我國西南地區的眾多山區城鎮處于地質條件復雜、地形狹窄的河谷地帶，很少有真正適宜于城鎮建設的“開闊平地”，較多建設場地不得不采用大挖大填等方式.回填碎石土強夯是山區工程及城鎮建設常見的地基處理方式，多見于山溝、坡地建筑地基及交通路基.由于碎石土回填材料一般為建設工程就近開挖的土石方，其物質組成、碎石含量及形態特征均不盡相同，故實例總結成果的應用具有較強的局限性[9-13].

碎石土的介質特性對強夯加固效果有重要影響，如文獻[14]通過瑞利波檢測分析發現，碎石含量及大塊石粒徑對強夯加固深度影響明顯.現有研究大多均針對同一填料（主要強調工程特征和夯擊能等的影響）[1-13]，而對碎石含量等內因對加固效果的影響規律的研究相對很少[14].

減小地基承載力的不均勻性和差異沉降是建筑地基、交通路基等安全運行的重要基礎問題和控制難點.為此，我們通過荷載試驗，研究了碎石含量對地基承載力、變形模量以及差異沉降的影響規律.

1填土特征及載荷試驗

1.1填土含石量估計及強夯施工

重慶市開縣某移民安置點強夯地基回填料為場地爆破開挖的碎石土，場地施工新填碎石土厚約5～7 m，其下方為厚約5～7 m的碾壓填土（已自然固結3年，承載力約180～220 kPa）.新填碎石土主要由砂質泥巖、砂巖碎石及粉質黏土等組成，其中碎石粒徑大多介于0.2～0.7 m之間，呈強—中等風化.

采用2次點夯和2次滿夯的強夯施工工序進行加固.前2遍采用點夯（夯擊能為3 000 kN·m），夯點梅花形布置，間距6.0 m.然后，低能量級滿夯2遍至地基平整.強夯施工參數見表1.

根據試驗段土體級配特征，約定碎石含量為粒徑不小于1 cm的碎石所占填土的三維體積或二維面積百分比.碎石含量通過鉆探取土和現場探槽斷面統計估算確定.

具體估算方法：

（1） 通過鉆探估算碎石含量與巖體質量指標RQD的計算類似.通過鉆孔取土，統計土樣的碎石巖芯長度，碎石含量即為累積巖芯長度與鉆孔深度的比值.鉆探估算誤差可控制在5%～8%.

（2） 探槽斷面統計采用現場布置精測網（網格間距為10 cm）定位，通過現場精細素描和照片（正面拍照）圖像處理，可較好地估算探槽斷面碎石所占面積，碎石覆蓋面積與統計斷面面積之比即為碎石含量.探槽斷面統計精度較高，誤差可控制在2%～4%.

選取3個典型的不同碎石含量及其分布的場地A、B、C，進行夯后地基平板荷載試驗研究：

試驗段A：碎石含量約40%，分布較均勻，塊石粒徑相對較小（粒徑普遍約5～30 cm）.

試驗段B：碎石含量約50%，分布較不均勻，存在少量較大粒徑的塊石（粒徑普遍約10～40 cm）.

試驗段C：碎石含量約73%，分布不均勻，存在較多不勻分布的較大粒徑塊石（粒徑普遍約10～50 cm）.

1.2試驗情況

平板載荷試驗（簡稱PLT）是一種較為直觀、可靠的原位土工試驗，其主要目的是評價地基承載力和變形特征[14-15].

強夯施工完成約14 d后進行荷載試驗，每個試驗段6個試驗點，共18個試驗點.為使試驗點反映整個場地的地基特性，以場地為中心沿十字交叉線隨機布置試驗點，間距超過8 m（約為強夯加固深度）[14].試驗時，人工刨開表層約0.5 m的擾動松弛填土（為減小表層松弛填土刨開施工對下方試驗土體的擾動，先用盤刀切割設備在試驗點周邊切割出約1.5 m×1.5 m的方形坑（深約0.4 m），然后人工刨空方形坑，最后用薄刀人工剃除厚約10 cm的土層），平整場地后鋪設不大于2 cm厚的粗、中砂墊層找平，再平放承壓板進行試驗.

采用液壓千斤頂加載，夯機提供反力，圓形剛性承壓板直徑為0.8 m.

試驗加載過程按照JGJ79—2002《建筑地基處理技術規范》[15]相關規程執行.圖1為現場荷載試驗情況.

2試驗結果分析

2.1p-s曲線特征

圖2中，A-k（k=1，2，…，6）表示試驗段A第k個試驗點，其余類似.由圖2可知：

（1） 在最大荷載約500kPa范圍內，碎石土強夯地基的p-s曲線多呈近以線型或緩降型.其中，試驗段A的p-s曲線基本呈近似線型，沒有出現明顯的塑性變形和破壞陡降段（圖2（a））；試驗段B的p-s曲線基本為緩降型，且大多曲線存在塑性變形段但沒有破壞陡降段（圖2（b））；試驗段C的p-s曲線的形態差異明顯，既有近直線型（曲線C-2、C-4、C-6），也存在較強塑性變形甚至破壞陡降段的曲線（曲線C-1、C-3、C-5，圖2（c））.

（2） 總體來說，試驗荷載范圍內地基沉降量不大.試驗段A最大沉降量小于20 mm，平均約14.38 mm；試驗段B最大沉降量小于30 mm，平均約20.42 mm；試驗段C最大沉降量小于45 mm，平均約22.83 mm.

（3） 隨荷載增大，同一試驗段不同試驗點的沉降量差別增大；隨碎石含量增大及其分布不均性增強，在相同荷載作用下，同一試驗段沉降量差別增大.

通過分析p-s曲線特征可以初步判定：碎石土強夯地基具有較高的承載力和較小的沉降變形；但當碎石含量較高且分布不均勻時，特別是如果存在較多、較大粒徑的塊石時，地基將會出現較強的差異沉降.

2.2承載力不均勻性

2.3差異沉降量

（1） 任一荷載作用下，平均沉降量、最大差異沉降量和沉降量標準差均隨碎石含量的增加而增大.

（2） 平均沉降量、最大差異沉降量和沉降量標準差均隨荷載的增大而增大，且平均沉降量的差值也略有增大.

（3） 最大差異沉降量和沉降量標準差隨荷載增大的變化規律相似，其中，試驗段A和B的變化趨勢基本一致.但在碎石含量約73%的試驗段C，當荷載接近或達到地基承載力以后，最大差異沉降量和沉降量標準差均隨荷載的增大而明顯增大.

通過分析差異沉降表明：碎石含量及其分布對強夯地基差異沉降的影響較大.當不均勻分布的碎石含量增大到一定程度后，地基的差異沉降將會較顯著，且作用荷載越大，差異沉降量越大.山區工程及城鎮建設中大量的回填材料普遍為就近挖方的土石方，很難進行篩分級配，故去除回填土體中較大的塊石及盡可能減少碎石含量，這對減小地基差異沉降尤為重要.

2.4沉降參數比

加載過程中最大差異沉降量和沉降量標準差比值曲線見圖4.可見：

（1） 相對于試驗段A，試驗段B和C均在第1級荷載（50 kPa）作用時最大差異沉降量和沉降量標準差比值最大，至第2級荷載（100 kPa）后逐漸趨于基本穩定.第3級荷載（150 kPa）后，試驗段C沉降參數比值隨加載過程呈現波動增大，而試驗段B隨加載呈現略微減小的趨勢.

（2） 在承載力150～400 kPa的范圍內，相對于試驗段A，試驗段B和C的沉降參數比值為：最大差異沉降量比值，試驗段B為1.65～3.10，試驗段C 為2.85～3.68；沉降量標準差比值，試驗段B 為1.84～2.66，試驗段C 為3.08～3.79.

基于沉降參數比值的對比分析表明：隨碎石含量增加，差異沉降量及其離散程度（標準差）均明顯增大，碎石含量約73%的試驗段C甚至比碎石含量40%的試驗段A的差異沉降量約高3～4倍.

3結論

根據對碎石土強夯加固的平板荷載試驗，可以得到以下結論：

（1） 碎石土強夯地基具有較好的承載力.但隨著碎石含量的增加及其分布不均勻性的增強，地基承載力和變形模量的不均性明顯增強.

（2） 碎石含量越高，分布越不均勻，強夯地基的差異沉降量越大，且其分布的離散程度（標準差）也越大.

（3） 碎石土強夯地基的差異沉降量及沉降量標準差均隨荷載的增大而增大.且當荷載接近或達到地基承載力以后，較高碎石含量的強夯地基將出現更大的差異沉降.

（4） 碎石土強夯地基施工時，應盡量去除回填土中的較大塊石和盡可能減少碎石含量，以減小地基的不均勻沉降.

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