垫层强夯法在岩溶地貌地基处理中的试验研究

，

(1.华南农业大学 水利与土木工程学院，广州 510640；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室, 武汉 430010)

我国的岩溶不良地质分布广泛，随着基础工程建设的发展，越来越多的铁路、公路、机场需要在岩溶地区[1-3]修建。为确保岩溶区地段的安全和工程的顺利实施，往往需要对岩溶地区不良地质进行地基处理，目前采用的方法主要有碎石桩法[4]、压力注浆[5]等。在新建机场工程中，强夯法以其工价低廉、施工简便而被广泛应用于加固碎石土、砂土、低饱和度的黏性土、素填土、杂填土、湿陷性土等地基[6-8]。对于岩溶地基，尽管已经做了一些工程施工项目，积累了一些经验[9]，但岩溶地基处理方面的设计研究仍较少，采用垫层强夯法处理岩溶地基是否有效，能够借鉴的设计经验不多，因此在工程设计前一般都需要先做典型试验进行验证[10]。

1 场地地质情况

神龙架新机场位于神农架林区将军寨独立的狭长山脊之上，由5个高程2 600 m左右的山包组成，山顶高程2 641.4～2 560.0 m，属构造侵蚀溶蚀中山区，岩溶较发育，岩溶地貌明显，以垂直岩溶为主，发育深度较大。场区内岩体强度高，水文地质总体较复杂，未发现大的活动性断裂构造，区域地质环境处于相对稳定状态，地震动峰值加速度值为0.05g，地震基本烈度为Ⅵ度。场地地层主要为黏土层：①-1褐黄色粉质黏土，稍湿，中密，可塑，标贯击数为2.4～7.0；①-2褐黄色粉质黏土，稍湿，密实，硬塑，标贯击数为5.5～12.5；①-3灰绿色粉质黏土，稍湿，密实，硬塑，标贯击数为7.5～18.2；下伏基岩为隐晶质白云岩。典型的工程地质剖面图如图1所示,图中0.07,0.10和0.04均表示钻孔地面的相对标高(m)。

图1 工程地质剖面图

钻孔资料表明：

(1) 试验段岩溶洼地和岩溶漏斗软土分布厚度较大，其中岩溶洼地钻孔揭露软土厚度为11.9～31.2 m。

(2) 软土在空间分布上不均匀，洼地中心软土分布较厚，周边软土分布较薄(现场周边分布有基岩出露)，岩溶洼地QH1,QH2,QH3和岩溶漏斗A46，A61软土分布如表1所示。

表1 粉质黏土层厚特征

2 试验基本情况

为解决岩溶稳定性及处理问题，避免出现严重的地基沉降与不均匀沉降问题，在选定的地基处理设计参数条件下，通过现场地基处理试验，提出合理的地基处理方案[11]，为工程的顺利实施提供保障。

2.1 岩溶洼地

本次试验的岩溶洼地采用垫层强夯法进行地基处理，对试验区全范围进行地基处理试验研究，地基处理设计参数如表2所示，每个分区处理面积1 800 m2，垫层厚度1.5 m。

表2 岩溶洼地和岩溶漏斗地基处理设计参数

2.2 岩溶漏斗

本次试验选取岩溶洼地内的A46和A61两处岩溶漏斗进行地基处理试验研究，地基处理设计参数如表2所示，垫层厚度1.5 m。A46的漏斗直径为20 m，深度为4 m；A61漏斗直径为15～25 m，深度为3 m。

检测项目为：每个岩溶洼地试验区各选取2组、每个岩溶漏斗试验区各选取1组进行处理后的密度、颗粒级配试验分析和处理前后的夯沉量、标准贯入试验、波速测试和载荷试验分析。试验平面布置如图2所示。

图2 岩溶地基处理试验平面布置图

岩溶洼地和岩溶漏斗采用2遍点夯加1遍满夯进行处理，单点夯强夯能级分别为1 500，2 000，2 500，3 000，2 500 (kN·m)，满夯能级均为1 000 (kN·m)，单点夯夯点间距分别为4.5，4.5，4.5，4.0，4.0 m，垫层厚度1.5 m。夯锤直径2.2 m，锤质量17.5 t，夯锤落距按照相应的设计夯击能确定。

3 试验结果及分析

3.1 垫层料密度及级配检测

试验区垫层厚度1.5 m，采用挖方区开采的碳酸盐类岩石，粒径要求不大于40 cm，不均匀系数Cu≥5，曲率系数Cc=1～3，大于300 mm的颗粒含量不超过土体总质量的30%，含泥量不超过7%。试验段垫层料采自跑道北段山顶的寒武系上统三游洞组的灰色白云岩。

在岩溶洼地和岩溶漏斗强夯处理施工完成后进行密度检测和级配分析。密度检测采用灌水法，钢环直径2 m，试坑直径1.0～1.5 m，试坑深度1.0～1.4 m，钢环内水位采用水位测针测量。岩溶漏斗和岩溶洼地密度检测成果如表3，级配参数(QH1，QH2，QH3各取2个试验点)如表4，级配曲线如图3所示。

表3 密度检测成果

表4 级配数据

表5 夯沉量成果

图3 级配曲线

测试结果表明岩溶垫层料强夯处理后的不均匀系数Cu范围值为11.84～19.43；曲率系数Cc范围值为0.67～3.54；岩溶漏斗垫层料强夯后岩溶漏斗的不均匀系数Cu范围值为15.39～16.03；曲率系数Cc范围值为0.89～1.19。测试表明强夯后的垫层料级配良好，垫层采料能满足要求。

3.2 强夯夯沉量

试验区起夯面位于垫层顶面，在强夯施工过程中，对QH1，QH2，QH3，A46，A61五区选取夯点进行夯沉量观测。由于在强夯施工过程中，第1遍点夯和第2遍点夯完成以后需要外运石料填平夯坑，外运进来的石料不易准确计量，因此按照单个夯坑体积除以单个夯点作用的面积进行换算得到作用面积上的平均夯沉量。

岩溶洼地和岩溶漏斗强夯夯沉量统计成果如表5所示，夯击数与夯沉量关系曲线如图4所示。

夯沉曲线数据表明：

(1) 由于下部软土分布较厚，采用垫层强夯法处理岩溶洼地和岩溶漏斗，2遍点夯加1遍满夯后总的夯沉量较大，在1 150～1 550 mm范围内。

(2) 不同夯击能级强夯引起的夯沉量存在一定的差别但不明显，主要是与软土分布不均匀、测点的选取有关。

(3) 对于垫层强夯法处理岩溶洼地及岩溶漏斗来说，夯击击数在12以上时最后2击平均夯沉量方能满足设计要求。

(4) 考虑施工质量控制，对于采用垫层强夯处理岩溶洼地和岩溶漏斗,夯击击数应采用夯击击数和最后2击平均夯沉量双指标进行控制。

图4 夯击数与夯沉量关系曲线

3.3 标准贯入试验

岩溶洼地和岩溶漏斗处理前后的标贯贯入试验成果见表6，标贯击数与深度关系如图5所示。

表6 标准贯入试验成果

图5 标贯击数与深度关系

标准贯入试验测试数据表明：

(1) 处理后的地基标准贯入击数较处理前有一定幅度的增加。QH1区处理前平均标贯击数为6.50～6.85，处理后击数为9.40～10.55；QH2区处理前平均标贯击数为6.50～8.29，处理后击数为9.09～9.65；QH3区处理前平均标贯击数为6.13～8.40，处理后击数为7.91～8.67；A46漏斗区处理前平均标贯击数为15.81，处理后平均标贯击数为16.63；A61漏斗处理前平均标贯击数为6.22，处理后击数为9.45。

(2) 软土上部经处理后标贯击数较处理前有较明显的提高，下部软土提高不明显，说明强夯处理的加固深度有限，有效加固深度大致在4～5 m范围内。

由上可见，强夯法对软土地基上部加固效果明显，下部效果不明显。因此，采用强夯法对软土分布厚度较大的下部土层处理效果不明显，采用强夯处理本工程场区软土需结合功能分布和沉降要求经综合分析后确定。

3.4 波速测试

根据文献[12]，采用表7的土层的等效剪切波速划分场地类别。处理前后等效剪切波速成果如表8所示。

表7 场地类型划分

表8 等效剪切波速成果

数据表明处理后软土层的等效剪切波速较处理前有所增加，上部土层的增加幅度较大，下部土层变化不明显，说明强夯处理对上部土层的加固作用较明显，下部土层加固效果不明显，与标贯击数测试结果一致。

3.5 载荷试验

现场试验中承压板采用1 m2方板，岩溶洼地QH1，QH2和QH3区地基处理前、后各进行2点载荷试验，岩溶漏斗A46，A61区在地基处理前、后各进行1点载荷试验。载荷试验成果如表9所示。

表9 载荷试验成果

各区的地基处理前、后的P-S曲线如图6所示。表9和图6表明：

图6 P-S曲线

(1) QH1-QH3区处理前测点的极限荷载分别为320，360和360 kPa，平均值为347 kPa；地基承载力特征值分别为161，167和164 kPa，平均值为164 kPa，变形模量9.12～13.76 MPa，平均值为11.79 MPa。处理后垫层顶面测点的极限荷载为640 kPa，地基承载力特征值为400～480 kPa，平均值为447 kPa，为地基处理前的2.73倍。变形模量25.24～36.13 MPa，平均值为30.5 MPa。

(2) A46，A61区处理前测点的极限荷载分别为320和360 kPa，平均值为340 kPa；地基承载力特征值分别为158和156 kPa，平均值为157 kPa；变形模量为12.1和12.68 MPa，平均值为12.39 MPa。处理后垫层顶面测点的极限荷载为640 kPa，地基承载力特征值为320和445 kPa，平均值为382.5 kPa，为地基处理前的2.44倍；变形模量为27.44～35.43 MPa，平均值为31.44 MPa。

(3) 不同夯击能量处理后的地基承载力与夯击能量相关性不明显，这与载荷试验仅能反映载荷板以下一定深度范围内的力学特征有关，同时也说明不同夯击能量的强夯对上部土层的加固效果均较明显。

经强夯处理后垫层顶面的地基承载力和变形模量明显提高，能够满足设计要求。

4 结 论

采用垫层强夯法处理岩溶地基的试验结果表明：

(1) 测试表明强夯后的垫层料级配良好，垫层采料能满足要求。

(2) 2遍点夯加1遍满夯后总的夯沉量较大，累计夯沉量在1 150～1 553 mm范围内；夯击击数在12以上时最后2击平均夯沉量方能满足设计要求。因此，对于垫层强夯处理岩溶洼地及岩溶漏斗夯击击数时，应采用夯击击数和最后2击平均夯沉量双指标进行控制。

(3) 处理后的地基标准贯入击数较处理前有一定幅度的增加；软土上部提高明显，下部提高不明显，说明强夯处理的加固深度有限，有效加固深度大致在4～5 m范围内；采用强夯处理本场区软土时，需结合功能分布和沉降要求经综合分析后确定。

(4) 处理后的软土层的等效剪切波速较处理前有所增加，上部土层的增加幅度较大，下部土层变化不明显，说明强夯处理后对上部土层的加固效果较明显，下部土层加固效果不明显。

(5) 处理后垫层顶面的地基承载力特征值提高较大，地基承载力特征值达到400 kPa以上，满足工程要求。

采用强夯垫层法进行大面积岩溶地基处理是行之有效的，不但地基的承载力得到了较大的提高，同时还具有设备简单、效果显著、经济和工效高等优点，为神龙架新机场工程的顺利实施提供了依据。

参考文献：

[1] 程金泉.武广客专5标桩基础岩溶处理技术[J].铁道建筑技术，2012，(3):18-20.(CHENG Jin-quan.Karst Cave Treatment Technology for Pile Foundation of Wuhan-Guangzhou Passenger Dedicated Railway[J] .Railway Construction Technology，2012，(3):18-20.(in Chinese))

[2] 石少帅，李术才，李利平，等.岩溶区隧道暗河的综合预报及治理方案研究[J] .岩土力学，2012，33(1):227-232.(SHI Shao-shuai，LI Shu-cai，LI Li-ping，etal.Comprehensive Geological Prediction and Management of Underground River in Karst Areas [J].Rock and Soil Mechanics，2012，33(1):227-232.(in Chinese))

[3] 李同贵，王 丽.昆明新机场飞行区岩溶地基加固处理技术[J] .施工技术，2011，40(337): 15-17.(LI Tong-gui，WANG Li.Strengthening and Treatment Technology of Karst Foundation in Kunming New Airport[J].Construction Technology，2011，40(337): 15-17.(in Chinese))

[4] 高奋飞，石 波.碎石桩法处理岩溶洼地地基效果浅析[J] .低温建筑技术，2012，(2):82-83.(GAO Fen-fei，SHI Bo.Analysis of Effect of Stone Column Treating Karst Depression Ground[J].Low Temperature Architecture，2012，(2):82-83.(in Chinese))

[5] 毕诗月.压力注浆技术及其在岩溶路基处理中的应用[J].水利与建筑工程学报，2008, 6(1):82-83.(BI Shi-yue.Pressure Injection Technology and Its Application in Processing of Karst Roadbed[J].Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2008, 6(1):82-83.(in Chinese))

[6] 郭志华, 姜志全, 黄书平，等.垫层强夯法加固红黏土地基的试验研究[J] .土工基础，2009，23(5): 62-65.(GUO Zhi-hua, JIANG Zhi-quan, HUANG Shu-ping，etal.Test on a Soft Red Clay Foundation Reinforced by Dynamic Consolidation Method with Cushion[J].Soil Engineering and Foundation，2009，23(5): 62-65.(in Chinese))

[7] 颜 波，林沛元，于海涛，等.强夯地基处理夯沉量及夯击能量耗散分析[J] .岩土工程学报，2011，33(增1): 242-245.(YAN Bo, LIN Pei-yuan, YU Hai-tao，etal.Analysis of Settlement and Tamping Energy Dissipation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33(Sup.1): 242-245.(in Chinese))

[8] 詹金林，水伟厚，何立军，等.12 000 kN·m高能级强夯处理湿陷性黄土试验研究[J] .工业建筑，2011，40(6): 92-96.(ZHAN Jin-lin，SHUI Wei-hou，HE Li-jun，etal.12 000 kN·m Energy Dynamic Compaction Experiment for Collapsible Loess[J].Industrial Construction，2011，40(6): 92-96.(in Chinese))

[9] 刘淑芳.喀斯特岩溶地基高填方强夯施工技术[J].施工技术，2009，38(8): 94-96.(LIU Shu-fang.Construction Technology of High Fill Dynamic Compaction in Karst Foundation [J].Construction Technology，2009，38(8): 94-96.(in Chinese))

[10] 姜志全，蔡汉利，任佳丽.神农架岩土工程试验研究报告[R].武汉：长江科学院, 2009.(JIANG Zhi-quan，CAI Han-li，REN Jia-li.Test Report on Original Foundation Treatment of New Airport in Shenlongjia[R].Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute, 2009.(in Chinese))

[11] JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2002.(JGJ79—2002，Technical Code for Ground Treatment of Building[S].Beijing: China Architecture and Building Press，2002.(in Chinese))

[12] GB50011—2010，建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社， 2010.(GB50011—2010，Code for Seismic Design of Buildings [S].Beijing: China Architecture and Building Press，2010.(in Chinese))