强夯置换处理沙漠湖区砾石土路基试验研究*

何丽平,王雪刚,林美鸿,滕 超

(1.中交四航工程研究院有限公司,广东 广州 510230;2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519080)

本文结合新疆乌尉高速公路工程台特玛湖段水下填筑砾石土路基,开展砾石土水下路基强夯置换法深层处理,对不同夯击能下砾石土路基的夯沉量、地表隆起量、超静孔隙水压力及消散情况进行监测,采用重型动力触探试验、荷载试验、工后沉降观测检测其加固效果,通过监测及检测结果对比砾石土路基强夯置换后墩体及墩间土的加固效应,从而为强夯置换法处理水下砾石土过渡段路基的加固效果提供依据。

1 路基地层分布及土层参数

选取新疆乌尉高速公路台特玛湖区里程K333+800—K333+850段砾石土路基进行强夯置换试验,路基地层分布为砾石土回填层+湖底原状粉砂层。试验对水面以下砾石土路基(含水面以上0～1m)进行强夯置换处理,水面以下处理深度约5m,路基结构如图1所示。

图1 沙漠湖区砾石土填筑路基

选取试验区的砾石土及原地层粉砂进行室内土工试验,同时结合地质勘探资料获得试验区路基土层参数,如表1所示。

表1 沙漠湖区路基土层参数

2 强夯置换试验施工参数及监测项目

根据水下砾石土路基拟加固深度,强夯置换试验采用2 500,3 500kN·m 2种能量进行试夯,夯点间距采用设计要求的3.5m,点夯夯点正三角形布置,其施工参数如表2所示。

表2 强夯置换施工工艺参数

强夯置换试验进行夯沉量、地表隆起量及超静孔隙水压力的监测及重型动力触探试验、载荷试验、工后沉降观测。

3 试验结果对比分析

试夯过程中,多次回填砾石土置换料进行夯击,根据现场夯击过程中的夯沉量分别进行了3次填料:采用2 500kN·m能量置换夯击时,前3击夯击造孔,第4,7,10击夯击前进行了3次置换料回填;采用3 500kN·m能量置换夯击时,前2击夯击造孔,第3,6,9击夯击前进行了3次置换料回填。

3.1 夯沉量

分别选取2 500kN·m与3 500kN·m能量的夯点进行单击夯沉量分析,其单点夯沉量与累计夯沉量随击数关系曲线如图2所示。

图2 单击与累计夯沉量随夯击数变化曲线

由图2可知,随着夯击数的增加,累计夯沉量逐渐增大,单击夯沉量总体逐渐变小,但在每次回填置换料后第1击单击夯沉量都会有所增加,而后继续减小。

观测结果显示,置换点夯过程中2 500kN·m能量单点夯击数至12击时满足JTG D30—2015《公路路基设计规范》规定的最后两击平均夯沉量≤100mm的收锤标准,3 500kN·m能量单点夯击数至11击时满足最后两击平均夯沉量≤100mm的收锤标准。

在各试验区试验点夯击完成后,采用相同能量完成其余夯点的夯击,剩余夯点无须量测每击下的沉降量,只需量测后期夯击快收敛时的夯沉量,直至满足相应的收锤标准,最后统计各试验区各夯点满足收锤标准的夯击数,统计2 500kN·m能量试验区内夯点的夯击数基本处在(12±1)击范围,可知2 500kN·m能量下夯点最佳夯击数为12击;统计3 500kN·m能量试验区内夯点的夯击数基本处在(11±1)击范围,可知3 500kN·m能量下夯点最佳夯击数为11击。

3.2 地表隆起量

分别选取路基在2 500,3 500kN·m能量单点夯过程中每击作用下距夯点中心2,3,4,5m位置的地表隆起量进行分析,其夯点周围隆起量监测结果如图3所示。

图3 地面隆起量变化过程曲线

由图3可知,2种能量下距夯点中心2～5m位置在夯击作用下地表均有轻微隆起量,2 500kN·m能量下最大隆起值8.6cm,3 500kN·m能量下最大隆起值9.1cm,表明在2种能量强夯置换后夯点周围地面均以下沉为主,地表隆起量小。同时,2种能量的地表隆起值相差较小,表明地表隆起量在强夯置换过程中随着能量的增长不呈正线性相关。

3.3 超静孔隙水压力

在砾石土每个试验区分别埋设2组(4个)孔隙水压力计,分析强夯置换加固在深度、水平向的影响范围和超静孔隙水压力的消散情况,各孔隙水压力计测头的埋设如表3所示(孔压编号KY1-1:KY为“孔压”首字母,第1个“1”表示试验区1,第2个“1”表示该试验区第1个孔压计)。

表3 孔隙水压力计测头埋设情况

3.3.1随夯击数的变化规律

选取砾石土夯击点的监测结果,绘制超静孔隙水压力随夯击数变化过程曲线,如图4所示。

图4 超静孔隙水压力随夯击数变化曲线

由图4可知,随着夯击数的增加超静孔隙水压力累计上升,初期每击作用下超静孔隙水压力的增量大,后期增量减小,从整体上看超静孔隙水压力随着夯击击数迅速增大而后变化过程线呈较平缓状态;同时,从局部可看出在第2,3次回填置换料夯击时超静孔隙水压力相比于前1击有所降低而后继续回升,而第1次回填置换料夯击时超静孔隙水压力相比于前1击继续增大,原因主要有2个方面,一方面回填置换料需一定时间,在此过程中超静孔隙水压力会有一定消散,在第1次回填置换料时由于总超静孔隙水压力值还较小,回填后夯击的超静孔隙水压力值增量会大于这段时间的消散值,所以在第1次回填置换料时累积超静孔隙水压力值还是增大,但在第2,3次回填置换料后夯击的超静孔隙水压力值增量会小于这段时间的消散值,导致第2,3次回填置换料后出现超静孔隙水压力值降低现象;另一方面,每次回填置换料后能量传递至孔压计的深度增加,导致夯击时超静孔隙水压力值的增量变小。

3.3.2水平方向变化规律

选取砾石土强夯置换夯击点的监测结果,绘制距夯点中心3.5m和4.5m处超静孔隙水压力随时间变化的过程曲线,如图5所示。

图5 不同水平间距下超静孔隙水压力随时间变化曲线

图5中横坐标“相对时间”是指相对于第1次夯击的时间,超静孔隙水压力达到峰值时夯击满足收锤标准,后续曲线为其消散过程。

由图5可知,从整体上看,在2种能量下距夯点中心4.5m处土体与距夯点中心3.5m处的超静孔隙水压力基本一致,表明2种水平距离下土体加固效应基本一致,但在2 500kN·m能量下距夯点中心3.5m处的超静孔隙水压力比4.5m处的稍大,为保守起见,建议采用3.5m的夯点间距,也可证明试验采用的3.5m夯点间距合理。

由图5所示超静孔隙水压力达到峰值之后消散曲线可知,砾石土回填层的超静孔隙水压力在夯击完成后大部分迅速消散,经过约50min消散达80%,消散速度快,原地质粉砂层的超静孔隙水压力在夯击完成后大部分迅速消散,而后消散变缓,经过约3h消散达80%,比砾石土消散的速度稍慢。路基的超静孔隙水压力消散表明在多遍点夯时路基可连续夯击施工,无需中间等待时间。

3.3.3深度方向变化规律

选取砾石土强夯置换夯击点的监测结果,绘制埋深2.5m和5m处超静孔隙水压力随时间变化过程曲线,如图6所示。

图6 不同深度下超静孔隙水压力随时间变化曲线

由图6可知,2种能量下埋深5m位置超静孔隙水压力比埋深2.5m位置的大,表明地基处理深度范围内下部地基比上部地基的强夯置换加固效应更好;在相同水平距离处,2 500kN·m能量的墩间土体超静孔隙水压力与3 500kN·m能量的相差不大,表明强夯置换过程中墩间土的加固效应受置换能量的影响小,强夯置换能量大小主要影响置换深度及墩体密实度。

3.4 加固效果检测

对砾石土强夯置换试验区进行重型动力触探试验检测(每个试验区3个检测点:1置换墩中心土体、2置换墩连线中心墩间土、3置换墩几何中心墩间土),并对比了两试验区强夯置换处理后的效果。绘制相同能量下砾石土加固前后重型动力触探试验结果对比图,由于2种能量下不同检测点加固前后动探变化趋势一致,文中只列出3 500kN·m能量下加固前后对比图,如图7所示。

由图7可知,3 500kN·m能量、夯点间距3.5m强夯置换处理后,置换墩土体加固效果明显,重型动力触探试验平均击数为16.4击,远大于墩体设计要求的8击;墩间土的砾石土回填层及原粉砂层强夯置换加固后效果都有不同程度改善,砾石土重型动力触探试验平均击数由5.3～5.6击提高到7.8～7.9击,提升38.2%～47.9%,粉砂重型动力触探试验平均击数由7.2～7.4击提高到9.1～9.7击,提升26.7%～30.6%,加固后墩间土的动力触探击数均大于墩间土设计要求的6击,表明强夯置换法加固地基时对非黏性的砾石土、粉砂墩间土具有密实效应,可改善墩间土的加固效果。

由图8可知,3 500kN·m能量强夯置换处理后砾石土动力触探击数与2 500kN·m能量处理后墩体及墩间土的动力触探击数相差不大,表明在相同深度处2种能量下的加固效果基本一致,只是能量越大处理的深度越大。

图8 不同测试点位砾石土加固后检测结果对比曲线

强夯置换处理后路基除进行重型动力触探试验外,对夯后墩体的直径进行了统计,墩体直径主要集中在1.4～1.5m,相比于夯锤直径1.2m,平均扩径1.2倍;在2 500kN·m能量处理后墩体长度为5.2～5.5m,3 500kN·m能量为6.1～6.6m;对单墩复合地基进行了荷载试验,压板面积为10.6m2,加载至最大荷载300kPa时未破坏,试验加载的最大沉降量为18.99mm,残余沉降量为14.92mm,回弹率为21.46%,由试验可知单墩复合地基承载力特征值≥150kPa,满足设计要求。路基在强夯置换处理后形成了置换墩及墩间土组成的复合地基,即强夯置换地基,如图9所示。

图9 强夯置换地基示意

3.5 处理后路基工后沉降

强夯置换处理后对3 500kN·m能量试验区进行了工后沉降观测,观测时间183d,路基累计平均沉降量为52mm(见图10),观测160d后路基沉降速率很小,基本无变化,经试验区观测点的累计沉降统计后可知,经强夯置换处理后路基工后沉降量为50～60mm,满足高速公路过渡段工后沉降≤100mm的设计要求。

图10 强夯置换处理后试验区路基工后沉降观测曲线

4 结语

1)沙漠湖区强夯置换法处理过渡段砾石土路基后墩体直径为1.4～1.5m,平均扩径1.2倍, 2 500kN·m 能量的单点最佳夯击数宜为12击, 3 500kN·m 能量的单点最佳夯击数宜为11击。

2)沙漠湖区过渡段砾石土路基2种夯击能下夯点周围地面均以下沉为主,地表隆起量小,表明强夯置换法加固有效,同时地表隆起量在强夯置换过程中随着能量的增长不呈正线性相关。

3)砾石土回填层和粉砂层强夯置换时超静孔隙水压力随着夯击数的增加而累计上升,初期每击作用下超静孔隙水压力的增量大,后期增量小;回填置换料夯击时,除第1次回填外,超静孔隙水压力变化均是先降低而后继续回升。

4)砾石土回填层超静孔隙水压力消散时间约50min,原粉砂层超静孔隙水压力消散时间约3h,粉砂比砾石土消散速度稍慢,但总体而言两者超静孔隙水压力消散速度均非常快,强夯置换多遍点夯施工时每遍间可连续施工,无需中间等待时间。

5)2种能量下强夯置换的墩间土超静孔隙水压力及重型动力触探值基本一致,表明置换能量大小主要影响地基置换深度及墩体密实度,对墩间土的加固效应影响小。

6)强夯置换处理后墩体加固效果明显,重型动力触探击数平均值为16.4击,远大于墩体设计要求的8击;墩间土-砾石土回填层加固后重型动力触探击数为7.8～7.9击,墩间土-原粉砂层重型动力触探击数为9.1～9.7击,加固后墩间土的动力触探击数均大于墩间土设计要求的6击,表明强夯置换法处理水下过渡段路基时对无黏性的墩间土有密实作用。

7)3 500kN·m能量强夯置换处理后砾石土路基的单墩复合地基承载力特征值≥150kPa,处理后路基的工后沉降为50～60mm,强夯置换的处理效果均满足设计要求。