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(guī)格的壓填石塊試驗。模型試驗結(jié)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(zhì)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(guī)處理方法為全部換填或部分換填，或采用反壓護道、堆載預(yù)壓等方法。但是，采用換填處理軟基會產(chǎn)生大量的棄方，根據(jù)對本項目1、3、6標段軟基換填工程量的統(tǒng)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)生的石料，把這些石料經(jīng)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(chǎn)生的棄方，極大地減少工程棄方，不僅有利保護山區(qū)的生態(tài)環(huán)境，而且可以節(jié)省工程投資、縮短工期，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。

2 模型試驗設(shè)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(qū)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(xiàn)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(tài)的粉質(zhì)黏土，其下為強風(fēng)化的紅層軟巖。基于此，模型試驗所取地層概化為軟塑粉質(zhì)黏土和紅層軟巖2層。軟塑粉質(zhì)黏土厚1.5 m，其下為紅層軟巖。軟塑狀的粉質(zhì)黏土的主要物理力學(xué)指標如表1所示。

表1 軟塑狀的粉質(zhì)黏土的主要物理力學(xué)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(jù)原型概化的土層包括軟塑粉質(zhì)黏土和紅層軟巖2種。模型試驗中應(yīng)盡可能使軟土的物理力學(xué)性質(zhì)，尤其是力學(xué)性質(zhì)與原型土體的性質(zhì)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(tài)，然后注水直至飽和，中砂層厚40 cm。

淺層的軟塑粉質(zhì)黏土用黏土模擬，填筑時先加水?dāng)嚢杈鶆颍咏魉軤顟B(tài)時再填筑，表2是模型試驗用黏土的主要物理力學(xué)參數(shù)。

原型壓填試驗擬采用粒徑分別為30 cm、45 cm和60 cm三種規(guī)格的硬質(zhì)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(zhì)花崗巖石塊進行模擬。

2.3 加載量測系統(tǒng)

壓填石塊加載及量測系統(tǒng)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(cè)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(shù)儀讀出，讀數(shù)最小分值為1 kg。

表2 模型試驗巖土體的主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 壓填石塊加載及量測系統(tǒng)

為測試壓填石塊后復(fù)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(tǒng)如圖2所示。加載系統(tǒng)與壓填石塊的加載系統(tǒng)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(shù)儀讀出，讀數(shù)最小分值為1 kg，對應(yīng)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(cè)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(tǒng)

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(tài)，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(chǔ)設(shè)計規(guī)范》。

(3)鋪設(shè)并壓填第一層石塊，石塊鋪設(shè)周邊距模型箱邊界均為30 cm，石塊壓填區(qū)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(xù)鋪設(shè)并壓填第2層石塊，石塊鋪設(shè)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(xù)鋪設(shè)并壓填第3層石塊，石塊鋪設(shè)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(jié)果分析

3.1 試驗數(shù)據(jù)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(chǔ)設(shè)計規(guī)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(yīng)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(jù)p-s曲線的初始直線段，按均質(zhì)各向同性半無限彈性介質(zhì)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(shù)，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(zhì)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(yīng)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(qū)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(shù)與地基力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系

圖4為石塊壓填層數(shù)與地基極限承載力的關(guān)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(shù)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(shù)與地基極限承載力的關(guān)系

圖5 石塊壓填層數(shù)與地基極限承載力提高百分比的關(guān)系

圖6為石塊壓填層數(shù)與地基變形模量的關(guān)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(shù)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(shù)與地基變形模量的關(guān)系

圖7 石塊壓填層數(shù)與地基變形模量提高百分比的關(guān)系

3.3 最大壓填壓力與地基力學(xué)性質(zhì)的關(guān)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(guān)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(guān)的關(guān)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(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(guān)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(guān)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(guān)的關(guān)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(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(guān)系

4 結(jié)論

模型試驗結(jié)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(jié)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(shù)的增加而增加，地基變形模量均隨壓入石塊層數(shù)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(guān)的關(guān)系，石塊越難壓入，壓入石塊后地基的極限承載力越高。總結(jié)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(guān)系的經(jīng)驗公式。

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[5] JTG D63-2007 公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

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

TU192

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[定稿日期]2016-06-13