随着西部山区城镇化与工业化发展的需求, 越来越多的工程选择开山填谷来寻求新的建设场地, 在以山地为主的贵州更是如此。由开山所形成的大面积、大土石方量、大挖方的工程场地, 在场平完成后面临解决地基填筑过程中如何处理无黏性块石的稳定性、变形量、强度值等问题, 以满足上部建 (构) 筑物承载力及工后沉降的需求。本文围绕碳酸盐岩块石填料地基处理多种工艺相结合的工程实践, 开展了一系列的现场试验研究, 提出碳酸盐岩块石填方地基加固关键技术。

强夯法于20世纪60年代末由法国Menard技术公司首创, 70年代末才开始在我国软土地基加固中得到运用。由于其加固效果明显、适用土体范围广、施工方便快捷, 迅速地在各类型地基加固处理中推广。90年代初期, 该项技术在贵阳龙洞堡机场工程的地基处理中得到应用, 并对强夯法处理块石填筑地基的施工方法及参数做了研究。而后谢春庆通过对西南山区多个机场地基处理的研究, 总结了强夯法对高填方地基处理流程。2013年赵文贵对强夯法对块石填筑的加固施工方法做了详细论述, 工程实践表明强夯法处理高填方块石地基可靠、经济。

振动压实技术也是在20世纪中期被运用于压实技术中。该技术利用振动来减弱材料内部的摩擦力和黏聚力, 是一种结合静碾和振动两种技术于一体的复合压实技术, 后又提出非圆形滚轮的冲击碾压技术, 通过冲击振动强化了压实过程, 提高了压实质量和效率。振动碾压技术直到20世纪80年代中期才在我国得到较快发展, 近年来也得到了广泛的应用与研究。

试验依托贵州盘县“煤 (焦、化) -钢-电”一体化循环经济项目地基处理工程。该工程占地面积约32万m², 在场平过程中形成最大填方高度约38.5m的填筑体、最大回填面积18万m²的大面积填方区域, 填筑体作为上部焦炉区、配煤区、化产区的厂房地基使用。由于上部建筑物对地基变形较敏感, 必须对填土强度和变形进行严格控制。

试验场地位于场区沟谷内, 试验区顺沟谷发育方向展布, 总体地形东、北部高, 西部低。试验区布置如图1所示。填料采用挖方区爆破产生的天然石材, 其母岩为三叠系关岭组岩层, 岩体较破碎, 岩性主要为中厚层~厚层白云岩、泥质灰岩块石, 黏土含量较低, 最大粒径<500mm。

建设场地下伏依次为第四系耕植土 (Q₄^pd) 、第四系残坡积层红黏土 (Q₄^el+dl) 以及三叠系关岭组白云岩 (T_2g) , 各层岩土力学指标如表1所示。

对所选试验区分区采用振动碾压、冲击碾压、强夯等施工工艺对碳酸盐岩块石填料进行加固处理, 对比各工艺对于碳酸盐岩块石处理的适用性。对以上加固措施, 要求处理后的地基承载力特征值f_ak≥250k Pa, 变形模量≥25MPa, 以满足上部建筑物承载力及变形需求。

1) 在振动碾压区分别按0.75, 0.95, 1.15m等3个虚铺厚度进行试验, 并使得每个区总回填厚度达到3m。采用25t振动压路机, 振动频率20~30Hz, 每个虚铺厚度重叠振动碾压8~10遍, 并控制最后2遍沉降<10mm。

2) 冲击碾压则采用25k J三角形冲击碾压机, 采用来回错轮方式碾压。试验区按压实厚度0.8, 1.0, 1.2, 1.5m进行填筑, 回填总厚度3~3.5m, 每个试验区分为15, 25遍2个区域进行对比。

3) 强夯区按不同厚度、不同间距以及夯点遍数, 共分为6个试验区。铺填厚度为6m的区域, 按夯点间距和夯击遍数分为7m×7m 3遍夯, 8m×8m3遍夯, 8m×8m 2遍夯3个试验区。铺填厚度为5m的区域, 按夯点间距和夯击遍数分为6m×6m 3遍夯, 7m×7m 3遍夯, 8m×8m 3遍夯3个试验区。3遍夯分别采用4 000, 3 000, 2 000k N·m夯击能进行夯击。

试验前期对试验所用填料进行了现场最大干密度、湿密度、含水率检测, 所用填料干密度为2.30g/cm³、湿密度2.41g/cm³、含水率5.1%。将检测值与现场加固后填料取样做对比即可得到不同工艺下的加固效果。现场试验结果如表2~4所示。可以看出, 在强夯条件下不同的施工方式填料均能够得到充分密实, 其干密度达到2.44g/cm³, 湿密度达到2.53g/cm³, 其值甚至超过现场检测的最大干密度与湿密度。而振动碾压下仅有虚铺0.95m条件下填料的干密度2.29g/cm³接近最大干密度。冲击碾压时加固效果最差, 不同施工方式下填料均不能达到最大干密度。

瑞雷波检测是适合于山区块石人工填土地基加固效果的检测方法。根据瑞雷波的传播速度反映土体的密实程度。本次试验对试验区不同施工工艺的不同铺填厚度及不同施工次数下的填料进行检测, 结果如图2所示。由图2可知, 不同工艺下随着深度的增加瑞雷波波速也在增加。从同深度范围比较, 振动碾压下虚铺厚度0.95m时波速平均值最高;冲击碾压下虚铺1m、碾压25遍时波速平均值最高;强夯试验下布置网格间距6m×6m×5m的3遍夯平均波速最大;单点夯击下填料夯击前后平均波速增长了12%~32%, 表明在铺填厚度内的填料得到了有效加固。

在碾压和强夯过程中, 每碾压5遍和夯击1次对填料标高进行观测, 由沉降量反映出加固效果。各施工加固工艺沉降量如图3所示。振动碾压下虚铺0.95m填料累计沉降量达到最大的593.4mm, 压实效果最好。冲击碾压下虚铺0.8m碾压25遍压实效果最好, 累计沉降量能够达到351mm。而强夯作用下夯击能越大, 单次夯击沉降量越大, 4 000k N·m夯击能最大累计沉降量为1 338mm, 3 000k N·m夯击能最大累计沉降量为1 161mm。

采用压实率, 即累计沉降量与铺填总厚度之比, 对各加固工艺进行对比。振动下压实率为0.1, 冲击碾压下压实率为0.11, 强夯时4 000k N·m夯击能压实率为0.24, 3 000k N·m夯击能压实率为0.21。显然采用强夯工艺加固块石地基效果优于分层碾压工艺。

载荷试验能够直观地反映地基加固效果, 通过逐级施加荷载, 测得地基的压力与变形特征。在各工艺加固完成后, 对各试验区选取检验点进行载荷试验, 试验结果如表5所示。根据检验结果, 不同的加固工艺下填筑地基承载力及变形模量均满足地基处理设计目标值的要求。

本次试验对振动碾压、冲击碾压、强夯施工工艺、不同施工参数等均进行试验, 经试验分析, 以上填土地基加固方法加固后的填土均可满足地基处理初步设计地基承载力、变形模量等目标值要求。经分析, 不同加固方法的优缺点及适用条件总结如表6所示。

从表6可以看出, 强夯处理方法虽有强夯处理后的夯填体为相对不均质体的缺点, 但其处理后的夯填体形成相对密实的结构受力骨架, 受力条件好, 相对软弱区域密度指标已大于规范要求的2.0g/cm³, 满足本工程的使用要求, 同时经济性较好, 作为本工程地基处理的主要方法。对强夯不能处理的区域, 可采用振动碾压进行处理。由于冲击碾压要求碾压区域平直, 且处理面积相对较大, 因此在条件适合时可采用。

对于碳酸盐岩地区工程采用无黏性块石填方地基作为上部建筑物的持力层, 通过不同施工工艺的现场试验研究, 建议采用强夯作为主要的加固处理手段。强夯时填料虚铺厚度≤5.6m, 采用2遍夯, 第1遍4 000k N·m, 网度8m×8m, 网格形心增加一点, 夯击数不少于14击;第2遍3 000k N·m, 网度8m×8m, 夯于4 000k N·m两夯点中间, 夯击数不少于12击。第1, 2遍夯点最终形成网度4m×4m。采用振动碾压处理强夯不能处理的区域。振动碾压时虚铺厚度0.95m, 碾压遍数≥8遍。在处理过程中对地基加固效果使用观测沉降量、取样分析、载荷试验3种方式综合检测。通过该技术的加固, 此类块石地基能够满足上部建筑物承载力和变形量的需求, 且工期短、经济性较好, 适合在类似工程中推广应用。