壓填片石處治淺層軟基的模型試驗研究

李阿蒙，韓大勇(中電建路橋集團有限公司, 北京 100083)

壓填片石處治淺層軟基的模型試驗研究

李阿蒙，韓大勇
(中電建路橋集團有限公司, 北京 100083)

以重慶梁忠高速公路沿線溝谷地段廣泛分布的軟基為原型，采用相似模型試驗的方法，對壓填片石處治淺層軟基的可行性進行研究。該研究分別進行了粒徑為12 cm、9 cm和6 cm等三種規格的壓填石塊試驗。模型試驗結果表明：對淺層軟基采用壓填片石加固處理，可明顯提高地基的極限承載力和變形模量；壓入第3層石塊時，地基極限承載力至少提高300 %，地基變形模量至少提高56 %。

壓填片石；淺層軟基；模型試驗；變形模量；地基極限承載力

1 工程概況

重慶梁平至忠縣高速公路沿線溝谷地段分布有眾多的水田、魚塘等，由于排水不暢，常年積水。淺表層分布著厚度1.5～2.0 m的軟弱土，這些軟弱土多為可塑狀的粉質黏土，部分為軟塑甚至流塑狀，含水量高，空隙比大，抗剪強度低，壓縮模量小，承載力低，沉降量大。對這些軟弱土的處理，常規處理方法為全部換填或部分換填，或采用反壓護道、堆載預壓等方法。但是，采用換填處理軟基會產生大量的棄方，根據對本項目1、3、6標段軟基換填工程量的統計，僅這3個標段的軟基換填量就達128.7×104m3。此外，梁忠高速穿越重慶地區明月山、南華山，明月山隧道、南華山隧道長度分別為5 519.15 m、2 875 m，產生大量的隧道棄碴，僅明月山隧道洞身的棄碴量達115×104m3。

軟基換填和隧道開挖都會產生大量的棄方，但兩者不同之處為：軟基棄方是無法再利用的軟弱土，而隧道棄方卻是以石料為主，經過一定的篩選是可以利用的。本研究的目的則是采用模型試驗的方法，考慮能否有效利用隧道或路塹邊坡開挖產生的石料，把這些石料經過簡單分選后通過壓填施工的方法對沿線淺層軟基進行加固處理。若此種軟基處治方法可行，不僅可充分利用隧道及路塹邊坡的棄碴，還可消除軟基換填產生的棄方，極大地減少工程棄方，不僅有利保護山區的生態環境，而且可以節省工程投資、縮短工期，產生良好的經濟效益。

2 模型試驗設計

2.1 原型概化及模型的幾何相似比

梁忠高速沿線的軟弱地基多為溝谷地區的軟弱土，深度多為1.5～2.0 m。在K66+080～K66+321工點進行了挖探，現場取樣測得淺層軟基的深度為1.4～1.7 m。其類型為軟塑狀態的粉質黏土，其下為強風化的紅層軟巖。基于此，模型試驗所取地層概化為軟塑粉質黏土和紅層軟巖2層。軟塑粉質黏土厚1.5 m，其下為紅層軟巖。軟塑狀的粉質黏土的主要物理力學指標如表1所示。

表1 軟塑狀的粉質黏土的主要物理力學指標

確定模型的幾何相似比Cl=5∶1。采用的模型試驗箱尺寸為1.5 m×1.25 m× 1.0 m(長×寬×高)。模型箱底板為8 mm厚的鋼板，四壁由槽鋼、角鋼和有機玻璃制作而成，四壁和底板通過螺栓連接，中間夾一層橡膠層以防水滲漏。

2.2 模型試驗材料

根據原型概化的土層包括軟塑粉質黏土和紅層軟巖2種。模型試驗中應盡可能使軟土的物理力學性質，尤其是力學性質與原型土體的性質一致，以更真實地反映壓填片石的實際狀況。即：重度相似比Cγ=1∶1，變形相似比CE=1∶1，Cμ=1∶1，強度相似比Cc=1∶1，Cφ=1∶1。

本模型試驗的紅層軟巖用中砂模擬，把中砂填筑在模型箱底部并夯實至密實狀態，然后注水直至飽和，中砂層厚40 cm。

淺層的軟塑粉質黏土用黏土模擬，填筑時先加水攪拌均勻，接近流塑狀態時再填筑，表2是模型試驗用黏土的主要物理力學參數。

原型壓填試驗擬采用粒徑分別為30 cm、45 cm和60 cm三種規格的硬質片石填料。模型試驗按Cl=5∶1的幾何相似比進行縮小，采用粒徑分別為6 cm、9 cm和12 cm的硬質花崗巖石塊進行模擬。

2.3 加載量測系統

壓填石塊加載及量測系統如圖1所示。壓填石塊時，采用液壓千斤頂進行加壓，千斤頂置于30 cm×30 cm的方形鋼壓板中心，千斤頂中心與測力傳感器對齊，測力傳感器固定于反力梁上，把力梁通過與兩側的橫梁與模型箱連接在一起。加壓大小直接由與測力傳感器相連的讀數儀讀出，讀數最小分值為1 kg。

表2 模型試驗巖土體的主要物理力學參數

圖1 壓填石塊加載及量測系統

為測試壓填石塊后復合地基的承載力，并確定地基的變形模量，采用縮小的平板載荷試驗對壓填前后的地基進行地基承載力測試。平板為圓形鋼壓板，直徑15 cm。地基承載力測試量測系統如圖2所示。加載系統與壓填石塊的加載系統相似，也采用液壓千斤頂加載。不同之處是加壓手柄在模型箱之外，避免了加載時的人為干擾，保證了試驗的精度。加壓大小也由與測力傳感器相連的讀數儀讀出，讀數最小分值為1 kg，對應的加載壓力為0.57 kPa。地基沉降由百分表直接讀出，圓壓板兩側各安裝1個百分表，百分表固定于基準梁上。

圖2 地基承載力測試量測系統

2.4 模型試驗方案

本次共進行了3次模型試驗，分別是粒徑12 cm的石塊壓填試驗、粒徑9 cm的石塊壓填試驗和粒徑6 cm的石塊壓填試驗。

每組模型試驗的步驟基本相同，詳細布置如下。

(1)分層填筑模型土層。首先把中砂分層填筑在模型箱底部并夯實至密實狀態，然后注水直至飽和，中砂層厚40 cm；把攪拌均勻的、呈流塑狀的黏土分層填筑于中砂層上，黏土層厚30 cm。

(2)沿模型箱中線等間距取3個點進行平板載荷試驗，測試壓填石塊前的黏土地基承載力及變形模量，平板載荷試驗的加載分級、終止加載條件等參照JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》。

(3)鋪設并壓填第一層石塊，石塊鋪設周邊距模型箱邊界均為30 cm，石塊壓填區域及壓填順序如圖3所示。

(4)沿模型箱中線等間距取3個點進行壓填第1層石塊后的平板載荷試驗。

(5)在第1層石塊之上繼續鋪設并壓填第2層石塊，石塊鋪設周邊距模型箱邊界均為30 cm。

(6)沿模型箱中線等間距取3個點進行壓填第2層石塊后的平板載荷試驗。

(7)繼續鋪設并壓填第3層石塊，石塊鋪設周邊距模型箱邊界均為30 cm。

(8)沿模型箱中線等間距取3個點進行壓填第3層石塊后的平板載荷試驗。

3 模型試驗結果分析

3.1 試驗數據處理方法

地基極限承載力的確定：參照JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》淺層平板載荷試驗極限荷載的確定方法，取沉降量與承壓板寬度或直徑之比≥0.06相對應的前一級荷載為地基的極限承載力。對于模型試驗中的載荷試驗，承載板直徑為15 cm，所以地基的極限承載力是沉降量為9 mm的加載大小的前一級荷載。

地基變形模量的確定：根據p-s曲線的初始直線段，按均質各向同性半無限彈性介質的彈性理論按式(1)計算。

(1)

式中：E0為地基變形模量(MPa)；I0為剛性承壓板的形狀系數，圓形承壓板取0.785，方形承壓板取0.886；μ為土的泊松比(碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉質黏土取0.38，黏土取0.42)；d為承壓板直徑或邊長(m)；p為p-s曲線線性段的壓力(kPa)；s為與p對應的沉降(mm)。

最大壓填壓力的確定：壓入石塊時，按圖3所示的壓填順序，記錄每個區域壓入石塊所需的最大壓填荷載，除以方形壓板的面積，即可得到壓入石塊的最大壓填壓力(kPa)。

3.2 石塊壓填層數與地基力學性質的關系

圖4為石塊壓填層數與地基極限承載力的關系。由圖4可知，3種粒徑的石塊，地基極限承載力均隨壓入石塊層數的增加而增加。相對于粒徑為12 cm和6 cm的石塊，壓入9 cm粒徑的石塊，地基的極限承載力與壓填石塊前相比，提高的百分比更大(圖5)。例如，壓入第1層9 cm粒徑石塊時，地基極限承載力提高200 %，而壓入其他2種粒徑的石塊，地基極限承載力提高70 %左右；壓入第3層9 cm粒徑石塊時，地基極限承載力提高超過700 %，而壓入其他2種粒徑的石塊，地基極限承載力提高300 %左右。

圖4 石塊壓填層數與地基極限承載力的關系

圖5 石塊壓填層數與地基極限承載力提高百分比的關系

圖6為石塊壓填層數與地基變形模量的關系。由圖6可知，對3種粒徑的石塊，地基變形模量均隨壓入石塊層數的增加而呈增加趨勢。相對于粒徑為12 cm和6 cm的石塊，壓入9 cm粒徑的石塊，地基的變形模量與壓填石塊前相比，提高的百分比更大(圖7)。例如，壓入第1層9 cm粒徑石塊時，地基變形模量提高116 %，而壓入其他2種粒徑的石塊，地基變形模量基本沒明顯變化；壓入第3層9 cm粒徑石塊時，地基模量提高超過330 %，而壓入其他2種粒徑的石塊，地基極限承載力提高56 %～103 %。

圖6 石塊壓填層數與地基變形模量的關系

圖7 石塊壓填層數與地基變形模量提高百分比的關系

3.3 最大壓填壓力與地基力學性質的關系

圖8為壓入石塊所需的最大壓填壓力與地基極限承載力的關系。由圖8可知，3種粒徑的石塊，壓入土中所需的最大壓填壓力與地基的極限承載力呈正相關的關系，石塊越難壓入，壓入石塊后地基的極限承載力越高。壓填石塊后的地基極限承載力pu(kPa)與壓入石塊所需的最大壓填壓力N(kPa)呈式(2)所示的指數關系，相關系數R=0.955。

pu=9.9×exp(N/35.7)+18.1

(2)

圖8 最大壓填壓力與地基極限承載力的關系

圖9為壓入石塊所需的最大壓填壓力與地基變形模量的關系。由圖9可知，3種粒徑的石塊，壓入土中所需的最大壓填壓力與地基的變形模量呈正相關的關系，石塊越難壓入，壓入石塊后地基的變形模量越高。壓填石塊后的地基變形模量E0(MPa)與壓入石塊所需的最大壓填壓力N(kPa)呈式(3)所示的指數關系，相關系數R=0.921。

E0=0.022×exp(N/20.0)+1.11

(3)

圖9 最大壓填壓力與地基變形模量的關系

4 結論

模型試驗結果表明，對淺層軟基采用壓填片石加固處理，可明顯提高地基的極限承載力和變形模量，試驗結論如下。

(1)對3種粒徑的石塊，地基極限承載力均隨壓入石塊層數的增加而增加，地基變形模量均隨壓入石塊層數的增加而呈增加趨勢。壓入第3層石塊時，地基極限承載力至少提高300 %，地基變形模量至少提高56 %。

(2)對3種粒徑的石塊，壓入土中所需的最大壓填壓力與地基的極限承載力呈正相關的關系，石塊越難壓入，壓入石塊后地基的極限承載力越高。總結得到了最大壓填壓力與地基極限承力、地基變形模量之間關系的經驗公式。

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李阿蒙(1988～ )，男，工程碩士，在職博士，工程師，研究方向為邊坡穩定分析理論以及新型支護技術的開發應用；韓大勇(1982～)，男，工學碩士，工程師，研究方向為公路工程施工技術。

TU192

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[定稿日期]2016-06-13