某高填方機場塊石填料強夯質量評價及檢測方法試驗研究*

王家磊，吳帥峰

(1.民航機場規劃設計研究總院有限公司，北京 100029；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

0 引 言

近年來，隨著國民經濟的增長，我國民航業迅猛發展[1]。機場建設工程的快速發展為交通提供便利的同時，對特殊地形地貌下高質量工程施工要求也提出新的考驗。我國西部地區地勢起伏大、地形地貌特征復雜、施工期氣候限制性較大，機場填挖方工程量巨大，建設難度高。四川九寨溝黃龍機場的填方高度為104m，填挖方土石工程量共5 856萬m3，受季節氣候影響，每年有效施工時間僅7個月左右[2]；四川康定機場地勢條件極為復雜，施工土石方工程量為4 000萬m3，每年有效施工時間僅6個月左右。上述類型機場土石方工程量巨大，且有效施工時間短，機場地基壓實質量與工程計劃進度間的矛盾十分突出。機場飛行區土石方填筑的壓實質量與地基強度及穩定性密切相關，對后期沉降也具有重大影響，確保土石方填筑的壓實質量成為機場高填方施工中的關鍵問題[3-4]。

20世紀50年代，國內開始在工程填方中使用塊石填料；60年代開始研制實驗室設備，并對其展開一系列研究，且在混填料強度及力學性能[5-10]、壓實質量[11-12]、工程應用[13-14]等方面都取得一定成果。魏迎奇等[15]通過土石混填料強夯加固試驗，深入分析土石料填筑體加固機理。米建國[16]以壓實度和孔隙率來評估施工壓實質量，總結土石混填路基施工技術。目前工程中對填方區采用的壓實度檢測方法及其標準多為基于細粒土的密度測試法。因混填料中塊石顆粒形狀及分布不均勻，且多數為大粒徑顆粒，其壓實質量檢測與評價方法仍存在不足。

基于此，本文以某高填方機場為試驗場地開展強夯試驗，對強夯前后各填筑層沉降、顆分、干密度及固體體積率、動力觸探和波速值等指標進行綜合分析，研究成果可為高填方機場強夯塊石填料質量評價體系提供試驗依據，對指導工程實踐具有重要參考意義。

1 試驗設計

試驗旨在研究強夯塊石填料質量檢測方法及其效果評價，采用多種檢測方法研究強夯振動與土體密實、土體變形、動力觸探和面波間的關系。

本次試驗填方區域面積為40m×30m，擬放坡比為1∶2，以每層厚1m進行分層填筑，填筑至8m層高后，在填筑頂面設計夯點處進行1遍1 000kN·m強夯試驗。強夯前，每層分層填筑后，進行夯點處高程測量及干密度、固體體積率、顆分試驗。用白灰標記夯點及其附近沉降觀測點，并用塑料薄膜覆蓋。填筑至8m層高頂面后，強夯前后分別進行超重型動力觸探、面波測試試驗；夯后以1m/層逐層開挖，清理白灰標記點，測其高程，在原夯點處進行干密度、固體體積率及顆分試驗。對強夯前后試驗結果進行總結分析，對強夯塊石填料效果作出綜合評價。

2 試驗過程

2.1 夯前填筑

試驗區位于4標段3號溝北部的土面區填方區。按設計方案進行夯前分層填筑，最終填筑成頂面積為40m×30m，底面積為46m×56m，坡比為1∶2，高8m的塊石填料平臺。8層對應0m深度，7層對應1m深度，以此類推。

在平臺頂面夯點處進行干密度、固體體積率及顆分試驗；用白灰標記并編號夯點及其前后1m間距點，共標記57個點，如圖1所示；用寬2m的塑料薄膜覆蓋，紅漆涂抹，最后測量標記點處高程。

圖1 強夯夯點和白灰標記點分布(單位：m)

根據夯前顆分試驗結果繪制各層填料顆分曲線，如圖2所示。

圖2 夯前各層填土顆分曲線

由圖2可知，粒徑>60mm的顆粒質量百分比平均約70%，>200mm的顆粒質量百分比平均約44%，60～200mm的顆粒質量百分比平均約26%。根據MH/T 5035—2017《民用機場高填方工程技術規范》，將填料劃分為石料中的塊石料亞類。該填料主要為石灰巖，天然重度為22kN/m3，黏聚力為5kPa，內摩擦角為36.8°。實際填筑時以天然含水量進行控制。

2.2 強夯試驗及波速、動力觸探檢測

1)強夯試驗 在填筑體頂面，按圖1中強夯擊數進行1遍1 000kN·m強夯試驗，并記錄夯點夯沉量。

2)超重型動力觸探 強夯前后分別進行3組超重型動力觸探試驗。

3)多道瞬態面波檢測 強夯前后分別檢測各夯點面波。

2.3 夯后開挖與檢測

采用機械與人工開挖法相結合進行分層開挖，測量每層白灰標記點高程；在原設計夯點處進行干密度、固體體積率和顆分試驗檢測?，F場進行6,7,8層的開挖與檢測工作。

3 試驗結果及分析

3.1 夯點夯沉量及其附近填筑體變形分析

1)強夯試驗夯沉量分析

各夯點強夯累積夯沉量-擊數關系曲線如圖3所示，強夯累積夯沉量平均值-擊數擬合曲線如圖4所示。

圖3 各夯點夯沉量-擊數關系曲線

圖4 強夯累積夯沉量平均值-擊數擬合曲線

由圖3,4可知，各夯點累積夯沉量與夯擊次數呈負相關關系，各曲線變化趨勢具有高度一致性。擬合曲線公式如下：

(1)

式中：A1=103.945 4，t1=10.129 4，y0=-121.845 9。

根據式(1)進行強夯收斂擊數預測，具體計算結果如表1所示。

表1 最后2擊平均夯沉量預測值和實測值對比

由表1可知，夯擊次數為6擊時，最后2擊平均夯沉量預測值為6.27cm，>5cm，實測值為4.5cm，<5cm；夯擊次數為7，8擊時預測值均>5cm；夯擊次數為9，15，20擊時預測值和實測值均<5cm。綜合分析判定，最后2擊平均夯沉量≤5cm的收斂錘擊數為9擊。

2)夯點附近填筑體變形分析

繪制白灰標記點剖面變形曲線，如圖5所示。

圖5 7號夯點附近剖面變形曲線

由圖5可知，6層部分白灰點夯后高程大于夯前高程，這是由于現場開挖該層時部分白灰點未能徹底清理薄膜表層的碎石土，數據分析時應予以忽略。20擊時，在3m深度處，夯錘中心點下已無沉降，認為該處為強夯最大影響深度；夯錘兩側水平范圍各4m處地基已無沉降，認為該處為強夯最大影響水平范圍。則強夯影響深度約3m，水平影響范圍約4m。

3.2 大體積干密度及固體體積率

為研究強夯塊石填料加固效果，強夯前后采用灌水法在部分夯點處進行大體積干密度及固體體積率檢測。試坑直徑為80cm，深100cm。試驗結果如圖6,7所示。

由圖6,7可知，個別點強夯后的干密度、固體體積率檢測結果減小，可能與現場試驗操作、室內顆粒比重試驗等綜合因素有關?？傮w而言，夯后干密度及固體體積率均有提高；且遠離夯點深度處的干密度及固體體積率逐漸減小，直到5層時，即3m深度處，強夯前后指標基本無變化，則可判定強夯影響深度約3m。

圖6 強夯前后干密度對比

圖7 強夯前后固體體積率對比

3.3 顆分試驗

以7號夯點為例，繪制強夯前后同一點的顆粒級配曲線，如圖8所示。

圖8 強夯前后顆分曲線對比

由圖8可知，強夯后最大粒徑由600mm破碎至500mm；距夯錘較近的土層顆粒級配改善明顯；距頂面3m以下時，<100mm的顆粒粒徑變化很小，改善效果不明顯?？傮w而言，強夯后夯點下3m以內塊石填料的粒徑均有所減小，說明部分較大顆粒在強夯過程中被夯碎，使細粒成分增加，填料級配有所改善。由此，判定強夯試驗的影響深度約3m。

3.4 超重型動力觸探試驗

強夯前后在9，0，7號夯點共進行6組超重型動力觸探對比試驗。動力觸探曲線如圖9所示。

圖9 強夯前后N120動力觸探曲線對比

現場實際貫入過程中，由于觸探頭遇到大粒徑塊石，動力觸探擊數突增，作圖時已剔除，將9,0號夯點每0.5m深度內的動力觸探擊數取均值后作圖。由圖9可知，強夯擊數為3擊時，N120由平均3.4擊提高到4擊，強夯影響深度約為3.5m；強夯擊數為9擊時，N120由平均3.6擊提高到4.7擊，強夯影響深度約為4m；強夯擊數為20擊時，表層0～1m深度N120由平均3.3擊提高到11.5擊。綜上所述，超重型動力觸探檢測效果直觀，強夯加固效果明顯，強夯影響深度>3.5m。

3.5 面波測試

強夯前后分別在5個夯點處進行面波測試，對測試的頻散曲線進行概化處理，如圖10所示。

圖10 各夯點強夯前后的波速曲線

由圖10可知，強夯前波速為180～230m/s，平均207m/s；強夯后波速為190～250m/s，平均225m/s，平均波速提高18m/s。其中，3，6擊時在距離夯錘下4m深度處強夯前后波速相等，9擊時在5m處相等，15擊時在6m處相等，20擊時在5.2m處相等。此次面波測試反映強夯的最大加固深度約5m。

3.6 塊石料強夯質量評價及檢測方法探討

3.6.1質量評價

經過現場強夯試驗，理論模擬與現場實測相結合，對最佳強夯擊數進行預測，確定最佳強夯擊數為9擊。對白灰標記點強夯前后高程進行處理，分析夯點及其附近填筑體變形大小，并結合多種檢測方法，判定強夯影響深度約3m，水平影響范圍約4m。

3.6.2檢測方法

1)干密度及固體體積率法 本次干密度及固體體積率試驗結果規律性一般，主要由于塊石料中大粒徑含量較多且不均勻，粗、細顆粒的百分比差異較大，而試驗時各檢測點均采用同一顆粒密度，導致檢測結果離散性較大。檢測時應吸取教訓，每個試坑強夯前后應分別進行粗、細顆粒密度試驗，同時配合做現場顆分試驗，確定粗、細顆粒百分比，減小試驗誤差，準確反映強夯加固效果。大面積強夯施工時，塊石填料層數多，分層挖坑檢測費時費力，大面積試驗檢測時可適當減小頻率，保證檢測進度。

2)顆分試驗 通過強夯前后的顆粒分析試驗，不僅能控制填料質量，滿足設計和施工要求，而且可通過強夯前后顆分對比分析，間接反映強夯改善的顆粒級配效果和有效加固深度。可在大面積施工中采用，對填料質量控制及強夯加固效果進行輔助驗證和定性分析。

3)動力觸探試驗 本次動探試驗在3，9擊時檢測效果明顯；由于貫入時遇到極個別大塊石，在20擊時僅進行淺層檢測。大面積檢測時應吸取教訓，遇到大塊石難以貫入時，應更換至附近位置重新檢測，或與鉆探相結合，利用鉆探穿透大塊石再重新進行動探貫入計數。

4)面波測試對均質密實材料的檢測準確度較高，而塊石料孔隙比大，不利于波的傳播，檢測結果離散性大。建議在強夯填筑至一定高度后，將面波測試作為輔助手段，從整體上定性判別強夯的施工質量。

綜上所述，塊石填料強夯質量檢測時，優先采用動力觸探試驗，解決檢測時因遇到大粒徑塊石而難以貫入的困難，剔除異常數據。另外，推薦干密度及固體體積率法，每個試坑均進行密度試驗，可適當減小檢測頻率。顆分試驗和面波測試可作為輔助驗證手段，對強夯質量進行定性判斷。

4 結語

1)本次1 000kN·m強夯最佳夯擊數為9擊，強夯水平影響距離約4m，豎向影響深度約3m。塊石填料強夯時應做好強夯原始記錄。

2)大面積檢測時優先采用動力觸探，其次推薦采用干密度及固體體積率法，并做好相應的關鍵因素控制。顆分試驗和面波測試可作為輔助驗證手段，對強夯質量進行定性判斷。