贵州某高填方机场红黏土地基强夯置换法处理试验研究

余虔

摘要：红粘土作为高填方工程的底层地基，处理其沉降和不均匀性沉降是高填方工程研究的重点。以贵阳某高填方机场红粘土地基的处理为例，通过沉降分析开展强夯置换处理试验研究。根据场区内不同覆土厚度， 采用不同能级进行强夯置换处理试验确定了合理的施工工艺和参数。通过施工中监测和施工前后地基土处理效果检测（置换墩长度、载荷试验、原位测试）， 强夯置换处理取得了良好的效果，满足设计要求，施工参数可指导大面积施工。

Abstract： The treatment of red clay subsidence is important for astability of a foundation. Taking the treatment of red clay foundation in a high filling airport of Guiyang as an example， the experimental study on dynamic compaction replacement is carried out by settlement analysis. According to the different casing thickness in the field area， the different construction technology and parameters are determined by the different displacement test. Through the construction of monitoring and construction of the soil before and after treatment effect detection （replacement pier length， load test， in situ test）， dynamic compaction replacement treatment has achieved good results to meet the design requirements.

关键词：红粘土；高填方；机场工程；强夯置换；试验研究

Key words： red clay；high fill；airport project；dynamic compaction replacement；experimental study

中图分类号：U416.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）32-0127-04

0 引言

贵州地区红黏土主要分布在岩溶盆地、岩溶洼地以及盆地周边的坡脚等地带，天然剖面厚度不大，一般仅有十余米厚，局部有较厚者可达二十余米厚，也有不少地段厚度小于十米，或者缺失土层。贵州地区红黏土属于碳酸盐岩红土，这类红黏土剖面沿长度变化展现了与众不同的特点，土的物理力学特性沿长度的变化规律与正常土体剖面的变化规律正好相反，从地表往下，土的密实度逐渐减小，天然含水量逐渐增高，稠度状态由硬逐渐变软，力学性质逐渐变差[1]。上述特征会引起一些特殊的工程地质问题，针对机场工程尤为突出的是下卧层软弱引起的沉降与差异沉降问题。因此，对于红黏土的地基处理研究，对于保证机场工程质量、节约工程投资和工期都具有十分重要的意义。本文研究国内机场工程和道路工程红黏土处理方法[2-6]，结合贵州某机场自身特点，根据红粘土厚度和状态，选取强夯置换法进行试验研究，验证强夯置换法处理红粘土的适宜性，分析强夯置换法加固红粘土的加固长度及加固效果，提出较为适宜的施工参数。

1 机場场地工程地质条件

某机场工程为高填方工程，平均填方高度约30m，最大填方高度约70m，地基红黏土自上至下一般为硬塑→可塑→软塑状态，红黏土压缩、胀缩、固结特性评价见表1～表3。

2 强夯置换试验方案设计

根据红黏土厚度不同，采用不同能级强夯置换法处理，强夯置换料采用场内白云岩石料，最大粒径应不大于0.4m，含泥量应不大于10%，级配应良好（不均匀系数Cu 5，曲率系数Cc=1～3）。点夯两遍，夯后推平，满夯一遍，锤底静压力不小于80kPa。强夯置换处理前需铺设强夯垫层，垫层厚1m，材料要求和置换墩填料相同。

强夯收敛采用双标准控制：夯击遍数及单点击数均不小于设计要求；点夯单击夯击能为3000kN·m时最后两击平均夯沉量不大于50mm；点夯单击夯击能为4000kN·m和5000kN·m时最后两击平均夯沉量不大于100mm；点夯单击夯击能为6000kN·m时最后两击平均夯沉量不大于150mm；满夯最后两击平均夯沉量不大于50mm。

3 试验施工情况

3.1 试验区位置及规模

强夯置换试验区选取飞行区土面区，试验区共计2883m2，具体情况如表5。

3.2 施工机械

强夯置换点夯采用直径1.5m异性锤，锤重36.4T，锤底静压力为206kPa，满夯锤径为2.5m，锤重20.4T锤底静压力41.6kPa，均满足设计要求。

3.3 施工顺序

铺设垫层→定位→第一遍点夯开始（2016年5月30日）→坑内补料→第一遍点夯结束（2016年6月2日）→推平场地→（孔隙水消散）→第二遍点夯开始（2016年6月18日）→坑内补料→第二遍点夯结束（2016年6月22日）→推平场地→（孔隙水消散）→第三遍满夯（2016年7月3日～7月7日）→试验监测检测。

4 试验分析

试验过程中，对强夯置换夯沉量进行观测；全程观测孔隙水压力；试验后采用超重型、钻探、地质雷达对置换墩进行检测，检查置换墩着底情况并计算墩长，并在施工后7d、14d、28d，进行置换墩单墩载荷试验；试验前、后进行墩间土全长度内标准贯入试验、静力触探试验。endprint

4.1 监测结果分析

4.1.1 强夯置换平均夯沉量观测（表6）

强夯置换夯沉量观测结果表明：各夯击能实际夯击数比设计预估值大，随着夯击数增加，夯坑夯沉幅度减小，坑外隆起增大，夯击能为6000kN·m的周围平均隆起高度达到40cm，有效夯实率减小。由于红黏土强夯坑底土体存在极大的塑性变形，夯沉曲线收敛较慢，致使实际夯击数大于设计夯击数。试验区第二遍点夯的置换墩夯沉量比第一遍点夯减小；同时第二遍点夯的夯击数、周围土体隆起高度、填料量均比第一遍点夯略有减小，表明第一遍点夯后，红黏土地基得到一定程度加固。综合夯沉量统计表分析表明采用的夯击击数范围内，强夯置换处理对红黏土还是产生了比较好的夯实效果。

4.1.2 孔隙水压力监测

图1为监测点K-B2-2自强夯置换施工至土方填筑完成时孔隙水压力与地下水水位变化图，分析孔隙水压力监测曲线可以看出：第一阶段包括三个孔压峰值点，分别是第一遍点夯时对应的56.9kPa，第二遍点夯时对应的27.1kPa，满夯对应的16.7kPa，按照孔隙水压力消散70%作为控制指标，第一遍点夯、第二遍点夯、满夯所需要的消散时间分别为：14d、7d、14d。

4.2 处理效果检测

4.2.1 置换墩长度检测

强夯置换后，置换墩长度采用钻探法、超重型动探法、物探方法三种方法检测着底情况。

①钻探法。

通过钻探法确定置换墩长度，计算置换墩几何体积，根据平均填料量推算充盈系数，并与（累计夯沉量/置换墩长度）相比较，最终确定不同能级强夯置换最大处理长度以及平均累计夯沉量与置换墩长度的关系。

通过钻孔法查明不同能级置换墩长度与能级大小相关，3000kN·m～6000kN强夯置换墩平均长度分别为4m、5m、6m、6.8m，能级越大置换墩长度越大，强夯置换影响深度也越大；累计夯沉量与置换墩长度平均值分别为2.67、2.70、2.39、2.46，与相应充盈系数比较，较为接近，准确真实的反应了强夯置换后在软弱红粘土中形成墩体复合地基，达到处理红粘土效果。

②超重型动探法。

图2～图5为不同能级强夯置换处理后置换墩超重型动力触探试验曲线图。

根据图2～图5，通过对不同能级置换墩的超重型动力触探试验结果分析，超重型动力触探锤击数自上至下呈先增大后减小趋势，置换墩表层较为松散，击数一般较小，大约1m深度位置达到密实，一般击数为8；深度1m至置换墩附近底击数一般较为稳定；下部显著突变，说明已进入土层。根据超重型动力触探试验结果，3000kN·m、4000kN·m、5000kN·m、6000kN·m置换墩的长度分别为3.7m～4.0m、4.5m～5.5m、5.5m～6.5m、6.5m～7m。

③物探法。

物探采用地質雷达检测，强夯置换区域一共布置了14条测线。选取其中的L1测线（如图6所示），根据L1测线地质雷达剖面图并不能很明确的看出强夯置换墩的长度，因此不建议采用地质雷达物探法检测强夯置换墩长度。

4.2.2 单墩承载力载荷试验

强夯置换墩静载荷试验一共进行了12个点，每种强夯能级区分别三个，其承载力如表8所示。

4.2.3 红黏土全长度原位测试

强夯置换前、后，对强夯置换墩间红黏土全长度内进行标准贯入和静力触探试验，结果表明，不同能级处理前原地基土的标贯击数当量值为13.5～17.6，均值为15.9；处理后7d当量值为14.6～20.5，均值为16，红黏土强度比处理前提高了0.15%；处理后14d当量值为16.5～26，均值为19.4，比处理前提高了21%。原地基的比贯入阻力处理前为1.13～2.45MPa，均值为1.64MPa；处理后7d比贯入阻力为1.16～1.67MPa，均值为1.42MPa，比强夯处理前降低了13%；强夯后14d比贯入阻力为1.77～2.77MPa，均值为2.05MPa，比处理前增加了44%。根据试验结果，不同能级强夯置换区域呈现相同的变化规律，处理后7d，不同长度红黏土原位测试指标变化不明显，有些甚至出现降低，处理后14d，参考孔隙水压力监测曲线，孔隙水压力消散，强度有大幅度的提高。所以，强夯置换处理红粘土地基，应间隔一定时间进行下步施工工序是保证处理效果的重要因素之一。图7～8为6000kN·m强夯置换处理前后原位测试结果。

5 结论

通过强夯置换处理红粘土监测（强夯击数、夯沉量、孔隙水压力）和检测（置换墩长度、原位测试、载荷试验），经分析得出以下结论：

①机场工程以红粘土地基沉降和不均匀沉降作为控制指标，采用强夯置换法进行地基处理，效果明显，行之有效；

②通过试验确定不同能级处理施工参数：最佳强夯击数、累计夯沉量、强夯置换处理深度。

③根据强夯置换墩载荷试验及强夯置换处理前后夯点间土原位测试试验结果，表明处理后对红粘土地基性质有较大改善，符合强夯置换理论规律，强夯相关试验参数是可靠的，可应用于大面积施工。

④强夯置换第一遍点夯、第二遍点夯及满夯进行一步工序应间隔一定时间，经试验研究本工程红粘土地基强夯处理间隔宜分别不小于14d、7d、14d。

⑤强夯置换处理效果，宜采用超重型动力触探检测置换墩深度，采用标准贯入试验检测墩间土处理效果，采用载荷试验检验墩体。

参考文献：

[1]廖义玲，朱立军.贵州碳酸盐岩红土[M].贵阳：贵州人民出版社，2004.

[2]郭志华，姜志全，黄书平.垫层强夯法加固红黏土地基的试验研究[J].土工基础，2009，10.

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[4]韩照，吴永根，徐桑振，林可心，李建丰.机场红黏土地基强夯处理试验研究[J].建筑技术，2013，9.

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