某機場濕陷性黃土高填方地基振動碾壓試驗分析

牛得草

（中國人民解放軍95538 部隊,四川 成都 611436）

0 引言

濕陷性黃土的沉降問題一直是困擾工程技術人員的世界性難題，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鍵因素[1]。對于此類工程，如果填方土體的濕陷性處理不到位，往往會導致場地施工完成后發生沉降以及不均勻沉降過大而危及主體工程的安全。

某西北黃土高原機場，場址區域位于黃土溝壑地帶，地形地質條件復雜。前期勘察發現該區域黃土為自重濕陷黃土，濕陷等級為Ⅱ～Ⅳ級，地基存在嚴重濕陷風險（Ⅲ級）。工程為高填土石方工程，最大填方高度超過100 m，填料為場區濕陷性黃土。飛行區內最大填方高度達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題。同時，受場地所限，飛行區北端填方放坡坡腳處有高速公路、鐵路等重要構筑物，需要加大坡度以避免影響坡下構筑物，而陡邊坡的高度近120 m，如此高的黃土填土邊坡處理問題在國內外極為罕見，既沒有成熟的技術作支持，也無成功的經驗可借鑒。因此選擇和確定合理的地基處理、填筑方案及質量控制體系成為亟待解決的工程技術問題。

目前，高填方場地施工中常用的壓實方法包括：靜力碾壓法、強夯法和振動碾壓法。振動碾壓法以其施工設備簡單、工藝成熟、施工效率高的優點，在公路、機場、水利等工程領域都得到了廣泛的應用[2-7]。但利用該方法處理濕陷性黃土高填方工程尚無成熟的經驗可供借鑒，因而需要在工程施工前進行相關的試驗，以確定相關施工技術參數，并提出相應的技術控制標準。

1 試驗設計

1.1 碾壓試驗

碾壓試驗分別使用激振力為30 t、40 t、50 t 的拖式羊角碾，針對虛鋪厚度為30 cm、40 cm、50 cm 的不同工況，進行不同碾壓遍數（2、4、6、8）的壓實，檢測填筑體的沉降量和壓實度變化情況，其試驗工況設計如表1 所示。

表1 試驗工況設計

碾壓試驗施工工序：清理場地—測量標高—碾壓實施—檢測壓實度和沉降量—場地平整—標高復測—施工驗收—進入下一工序。

試驗過程：

壓實試驗前，對填料土進行室內試驗，測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。

碾壓過程中每碾壓2 遍，分別取2 個測點計算填鋪層的沉降量和壓實度（虛鋪厚度為50 cm 時分上下兩層分別取2 個測點計算其壓實度）。

1.2 載荷試驗

濕陷性黃土碾壓試驗施工完成后，在壓實度達到95%區域隨機選取一點，進行平板荷載試驗。采用面積為0.5 m2的圓形鋼制承載板（直徑800 mm）進行相對穩定試驗，每級加載40 kPa，加載至360 kPa，測得各試驗小區的p-s曲線，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

為了檢測碾壓法處理后地基土體濕陷性消除情況，取一點進行現場浸水載荷試驗。載荷試驗所用承載板為0.5 m2的圓形鋼制承載板（直徑800 mm），釆用穩定法進行試驗，0～200 kPa 每級加載40 kPa，加載至200 kPa，觀測沉降，待穩定后再浸水，繼續觀測加載200 kPa 填筑體浸水濕陷沉降直至沉降穩定。

2 結果分析

2.1 激振力的影響分析

虛鋪厚度為30 cm 時，采用不同激振力的試驗數據如表2 所示；不同激振力工況下，填筑體的壓實度隨壓實遍數的變化情況如圖1 所示。

圖1 不同激振力對壓實效果的影響

表2 不同激振力下的試驗數據

由圖1 可知：激振力為30 t 時，碾壓8 遍后總沉降量為5.45 cm，碾壓6 遍即可達到90%的壓實度；激振力為40 t 時，碾壓8 遍后總沉降量為6.50 cm，壓實度在碾壓4 遍后即可達到90%，6 遍已接近95%，壓實效果顯著；激振力為50 t 時，碾壓8 遍后總沉降量僅為5.90 cm，相比于激振力為40 t 時，壓實度不僅沒有增長，反而略有下降。現場觀測發現填筑體表面10 cm 左右被振酥沖散，呈粉末狀，不利于各層填筑體的密實結合。雖然去除表層松散填筑土樣后測得下層壓實度碾壓8 遍可以達到95%，但該參數顯然不適合填筑體壓實處理。分析其原因在于虛鋪黃土過薄、碾壓能級過高，使得表層土體被振酥沖散，失去其原有結構性，類似于超固結土的剪脹效應。

試驗結果表明，虛鋪層厚度為30 cm，激振力為40 t，可以使得壓實效果和施工效率達到較好的平衡；此參數組合下，壓實6 遍即可獲得較為理想的壓實效果。

2.2 虛鋪厚度的影響分析

激振力為50 t 時，不同虛鋪厚度下的試驗數據如表3 所示；不同虛鋪厚度下，填筑體的壓實度隨壓實遍數的變化情況如圖2 所示。

圖2 不同虛鋪厚度對壓實效果的影響

表3 不同虛鋪厚度下的試驗數據

由圖2 可知：相同的激振力作用下（50 t），壓實遍數相同時不同虛鋪厚度（30 cm、40 cm、50 cm）的壓實度十分接近，且隨著壓實遍數的增加差距進一步減小；壓實4 遍后不同虛鋪厚度的填筑體的壓實度均可達到90%以上，壓實8 遍后基本可達到95%，在但虛鋪厚度為50 cm 時，填筑體下層的壓實度達不到95%。分析其原因在于虛鋪厚度過厚使得振動壓實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，壓實6 遍即可達到較為理想的壓實效果（壓實度接近95%），是較為合理的施工組合。

試驗結果表明，激振力為50 t 時，最佳虛鋪厚度為40 cm，最佳壓實遍數為6 遍；此時既能最大限度的發揮壓實機械的壓實效果，又能使得填筑體達到較好的壓實效果。

2.3 載荷試驗

碾壓后各試驗小區載荷試驗結果如圖3 所示。

圖3 碾壓后各試驗小區載荷試驗結果

由圖3 可知：各試驗小區內，當加載量達到360 kPa時，載荷試驗p-s曲線沒有出現明顯的拐點或突然下降，即地基沒有破壞，可以確定地基承載力特征值均為200 kPa。

p-s曲線在200 kPa 時的累計沉降量、變形模量如表4 所示。

表4 200 kPa 時載荷試驗結果

由表4 數據可知：同一虛鋪層厚度（30 cm）下，隨著激振力的增加，p-s曲線在200 kPa 時的累計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，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曲線在200 kPa 時的累計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，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

碾壓后各試驗小區浸水荷載試驗結果如圖4 所示，加載至200 kPa 后浸水至濕陷穩定時的附加濕陷變形如表5 所示。

圖4 碾壓后各試驗小區浸水載荷試驗結果

表5 不同夯擊能處理后的附加濕陷變形

由試驗數據可知：不同試驗工況下，地基土體在200 kPa 壓力下浸水后附加濕陷變形量逐漸減小，但都遠小于《巖體工程勘察規范》（GB50021—2001）規定的濕陷性土的判定標準，可認為各試驗小區的夯擊試驗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，浸水后附加濕陷變形量最小，處理效果最佳，推薦后續施工中按照該參數進行施工。

3 結論

采用振動碾壓法進行濕陷性黃土壓實時，其激振力應與虛鋪厚度相匹配。虛鋪層過薄而激振力過大時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結合，同時也不利于發揮壓實機具的最大效率。虛鋪層過厚，激振力無法傳遞到填筑體的下層使得下層的壓實效果難以達到施工要求，形成質量隱患。實際工程中宜根據現場試驗確定相應的施工參數，以最大限度發揮施工機具的施工效率和理想的施工效果。對于依托工程而言，綜合比較壓實度、載荷試驗以及浸水載荷的試驗結果，推薦采用虛鋪層厚度40 cm、激振力50 t 每層壓實6 遍的參數組合對填方土體進行振動碾壓以獲得最佳的壓實效果。