近年来, 随着“西部大开发”战略的进一步实施和沿海地区填海造陆建设的迅猛发展, 大批土方工程开始涌现。填方工程也呈现出填筑高度大、填筑面积广、施工环境差、工期质量要求高的特点, 尤其在西北黄土高原地区, 海拔800~1 300m, 属于中温带大陆性季风气候, 昼夜温差较大, 最大可达到25℃, 冬季冻融病害严重;气候干燥, 水分蒸发强烈, 干旱问题严重;年降水分布不均, 变率大, 保证率低, 降雨多集中在春夏季节;而黄土空隙较大且连通性好, 具有较高的水敏性, 遇到集中降水时便容易引发滑坡、泥石流等灾害。这对填筑体黄土的压实度提出了更高的要求, 而对压实效果的检测不仅是对填筑工作的评价, 也是纠错纠偏和指导后期工作的重要步骤。

周立新等^[1]采用室内室外两种试验方法对某高填方填筑体进行了评价, 证明处理后的填筑体湿陷性已消除, 压实效果较好;赵振东等^[2]采用12 000 k N·m高能级强夯对某碎石土填方地基进行处理, 发现此能量级的强夯可显著提高12m以内的地基承载力;彭振斌等^[3]分析了重型动力触探、静力载荷试验和瑞雷波法3种检测方法的相互关系, 得到了判定强夯效果的瑞雷波波速临界值;肖媛媛^[4]研究了冲击碾压法加固粉细砂地基的适宜性, 并利用颗粒流模型对砂土地基的冲击碾压加固过程进行模拟;赵帅军等^[5]将冲击碾压和强夯联合起来分层施工, 检测后发现无论强夯处理层还是冲碾处理层都能达到设计要求;冯世进等^[6]采用15 000 k N·m能量级强夯对粗颗粒碎石回填地基进行加固, 并采用多道瞬态面波法进行了评价;徐平等^[7]采用ABAQUS对某高填方路堤的强夯进行模拟, 指出涵洞上方路堤厚度必须达到8m以上, 才能保证强夯安全作业;陈华等^[8]介绍了瞬态瑞雷波法的探测原理、工作方法及瑞雷波法检测堆石体地基强夯加固效果的具体应用结果。此外, 还有许多学者也对地基和填筑体的压实及其效果评价做过大量研究^[9,10,11,12]。

本工程位于陕西省延安市新区北区二期东十里铺, 为延安新区北区 (二期) 综合开发工程岩土工程 (东十里铺区域) 一标段, 工程范围为东十里铺流域, 面积约112.22hm², 是北区二期综合开发工程范围的一部分。工程挖方量大, 挖填厚度高, 挖填方平均高度约31.26m, 最深处可达77m;且地质地貌复杂, 地形起伏大, 湿陷性土层广泛分布, 沟谷中有大面积淤泥和垃圾需要处理, 地基处理难度大;此外, 机械施工集中, 临时便道施工难度大, 工期紧张。为了方便组织施工, 降低施工难度, 特将填方区分成A, B两个大区并各自细分若干小区, 分别进行施工。图1为填挖分布, 图2为填方区分区, 表1为土方量计算。

本工程属于陕北黄土高原的梁峁沟壑区, 地貌类型较复杂, 具体可分为3种地貌:黄土堆积地貌, 包括黄土梁和黄土峁;黄土侵蚀地貌, 主要为河谷和冲沟;重力地貌, 主要为黄土滑坡和崩塌堆积层。根据勘察资料, 黄土梁峁区主要地层结构为Q₃黄土、Q₂黄土、N₂红黏土和J砂岩泥岩;黄土冲沟区主要地层结构上部为第四系全新统地层, 地质成因主要是冲洪积、堤坝淤积层, 下部为N₂红黏土 (局部可见) 及J砂岩泥岩, 第四系崩积层及滑坡堆积层主要分布在冲沟两侧山体上。

据延安市气象站1951—2015年资料, 多年平均降水量为62.1mm, 年内降水主要集中在6—9月, 占全年降水量的70%左右, 多以雷阵雨形式出现。本工程区域周边地下水水质较好, 但水量小, 属贫水区。

在实施填筑之前, 需对原地基进行处理, 以消除原地基中软弱土体、湿陷性黄土的影响。对冲沟河床中的冲、洪积土采用强夯法进行处理;对淤积土采用强夯置换法处理;冲沟岸坡采用削坡和开挖台阶的方式以减小挖填分界处的不均匀沉降和黄土湿陷性;冲沟岸坡湿陷性黄土地基可结合接坡强夯进行处理;各区段交接处则宜采用“台阶衔接+强夯追密”的方式处理。表2~4为原地基处理方案。

填筑施工时, 采用自卸汽车运填土、推土机平土, 压实方法主要为冲击碾压, 在宽敞工作面形成以前以振动碾压为主, 宽敞工作面形成后以冲击碾压为主。

填土应尽量采用同类土填筑, 并宜控制土的含水量在最优含水量范围内, 从低处开始, 由下向上整个宽度分层铺填碾压或夯实;分段填筑时每层接缝处应做成>1∶1.5的斜坡, 碾迹重叠0.5~1.0m, 上下层错缝距离≥1m;为保证填土压实的均匀性及密实度, 避免碾轮下陷, 提高碾压效率, 在碾压机械碾压之前, 宜先用平地机刮平, 使表面平实。冲击碾压完成后, 用平地机平整, 用光轮压路机碾压。土层表面太干时, 应洒水湿润后, 继续回填, 以保证上、下层结合良好。填筑体分层碾压压实度标准按0.93控制, 下层压实度满足要求后方可进行上层土体施工。表5为分层碾压的施工参数。

对于填筑体接坡部位, 分层填筑压实4m后进行3 000k N·m能量级强夯处理;狭窄冲沟、狭窄工作面部位每次摊铺1~2m后初步碾压, 压实度按0.8控制, 之后进行强夯处理, 强夯施工参数如表6所示;在工作面搭接处, 也采用3 000k N·m能量级强夯进行处理。

填筑体压实后需要对压实效果进行评价, 达到设计要求后才能进行下一层施工。由施工方组织, 监理方和建设方共同参与的压实度试验是最基本的检测方法。然而, 本工程填方面积广、填筑厚度大、接坡强夯面积大, 尤其是强夯和强夯置换区域, 不能仅采用压实度试验。为此, 本工程还将采用标准贯入试验、静力载荷试验、多道瞬态面波试验等共同对压实效果进行联合检测。下面对3种检测方法进行简单介绍, 并选取3种方法在3个检测区共9个测点的检测数据进行分析。

在现场选取3个位置9个测点进行静载试验, 其试验结果如图3所示。

分析图3试验结果可知, 3个位置的9个测点各级荷载下的沉降值能够收敛, p-s曲线均处于线性段, 根据JGJ340—2015《建筑地基检测技术规范》, 地基承载力特征值取最大荷载的一半, 即180k Pa, 满足设计要求。并且观察曲线发展趋势可知, 各级沉降并没有增大的趋势, 累计沉降曲线尚处于线性变化段, 因而实际承载力应大于规范规定的180k Pa。

根据各测点的p-s曲线, 通过式1可计算出各个测点土体的变形模量以及回弹变形模量, 从而可以反映出各测点土体的密实程度。计算公式取自《建筑地基检测技术规范》, 计算结果如表7所示。

式中:E₀为变形模量或回弹模量 (MPa) ;I₀为刚性承压板的形状系数, 本工程采用方形承压板, 其值取0.886;ν为土的泊松比;b为承压板的直径或边长 (m) ;p为曲线线性段的压力值 (k Pa) ;s为与p对应的沉降量 (mm) 。

根据土体变形模量与压缩模量的换算公式:

式中:E_s为压缩模量 (MPa) ;E₀为变形模量 (MPa) ;ν为土的泊松比。

计算得3个试验位置的压缩模量平均值分别为:32.8~43.9MPa, 40.3~54.0MPa, 33.8~45.2 MPa, 均远超过设计要求的15 MPa。

标准贯入试验锤重 (63.5±0.5) kg, 落距 (76±2) cm。在现场选取3个位置并分别进行标准贯入试验, 试验结果如表8~10所示。

第1组标准贯入试验总平均击数为14.5击, 第2组标准贯入试验总平均击数为18.6击, 第3组标准贯入试验总平均击数为17.1击, 3组土体的密实程度分类分别为中密、密实和密实。根据规范经验估算, 第1组的地基承载力特征值>325k Pa, 第2组地基承载力特征值>405k Pa, 第3组的地基承载力特征值>385k Pa。与载荷试验的结果分析相吻合。

将标准贯入试验结果与载荷试验所得变形模量结合分析可知, 两者之间存在一定的关系, 标准贯入试验击数越高, 变形模量越大, 拟合曲线如图4所示。

多道瞬态面波法又叫瑞雷波法, 是在20世纪90年代发展起来的一种工程物探方法。瑞雷波是英国学者Rayleigh在1881年首先在理论上确定的在介质自由界面附近传播的面波, 它的形成和传播直接与介质的物理特性有关, 一般认为瑞雷波法的测试深度为半个波长, 且当速度不变时, 频率越低, 测试深度越大。同一频率面波的相速度在水平方向上的变化反映出地质条件的横向不均匀性;不同频率面波的相速度的变化则反映了地下介质在深度方向上的不均匀性。因此, 通过测定不同频率的面波速度, 即可达到了解地下地质构造的目的。

现场瑞雷波试验结果及分析如表11~13所示。

根据现场实测数据及资料, 经分析计算:1-1点0.00~6.38 m范围内波速介于198.5~372.9 m/s;1-2点0.00~6.61 m范围内波速介于181.6~330.4 m/s;1-3点0.00~6.96 m范围内波速介于197.2~416.5 m/s。3点平均波速达到180 m/s, 满足设计要求。

根据现场实测数据及资料, 经分析计算:2-1点0.00~4.28 m范围内波速介于198.9~298.4 m/s;2-2点0.00~4.98 m范围内波速介于180.4~363.4 m/s;2-3点0.00~5.39 m范围内波速介于189.2~338.4 m/s。3点平均波速达到180 m/s, 满足设计要求。

根据现场实测数据及资料, 经分析计算:3-1点0.00~4.82 m范围内波速介于182.5~224.4 m/s;3-2点0.00~3.84 m范围内波速介于171.5~222.9 m/s;3-3点0.00~9.49 m范围内波速介于185.8~230.0 m/s。3点平均波速达到180 m/s, 满足设计要求。

以延安新区北区 (二期) 综合开发工程岩土工程 (东十里铺区域) 一标段为背景, 通过静载试验、标准贯入试验、瑞雷波波速试验, 共同对填土压实效果或地基处理效果进行了试验分析, 三者试验结果都表明处理后地基的承载力和土体的密实程度均满足甚至超过了设计的要求。

1) 分析静载试验结果可知, p-s曲线尚处于线性阶段, 地基承载力特征值均超过了设计要求。通过公式计算得到了土体的变形模量与压缩模量, 并验证其均满足设计要求。

2) 通过标准贯入试验验证了土体的密实程度以及地基承载力特征值满足设计要求, 并且分析结果与静载试验的分析结果相吻合。另外, 通过将标准贯入试验数据与静载试验所得的变形模量进行对比分析, 并进行数据拟合, 发现两者之间存在一定函数关系。

3) 对瑞雷波波速试验的结果进行了分析, 同样验证了压实土处理效果满足设计要求, 试验分析结果能与其他试验结果相吻合。