粗颗粒填土地基处理与变形机理探讨

2012-04-13周培岳

四川建筑 2012年6期

胡源，陆新，周培岳

(1．解放军后勤工程学院，重庆401311;2．岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆401311;3．重庆市地质灾害防治工程技术研究中心，重庆400041;4．92608部队，上海200083)

在城乡建设中，面临着大量诸如废弃混凝土埋入地下的填土地基处理问题。由于回填土是由各种不同的物质组成，所以其分布特征和工程性质均较为复杂。如何对大规模进行粗颗粒填土地基处理成为工程地质工作一个较为棘手的难题。

由于填土地基承载力低，沉降变形大，一般不能作为建筑物的天然地基，必须进行加固处理才能使用［2］。如重庆地区，新建在回填土地基上的建筑物出现了不同程度的损伤，究其原因主要是回填土地基沉降引起的工程损伤［3］。因此，开展粗颗粒填土地基处理技术的研究，对社会的可持续发展具有十分重要的现实和理论意义。正确评价和摸清土的工程性质，为建筑物地基的设计和施工提供可靠的依据和参数，是至关重要的。而这些依据与参数都需经过必要的土工试验来获得;因此，粗粒径土固结试验，对于粗颗粒填土地基处理是非常重要的。

1 填土的分类、工程特性和影响因素研究

1.1 填土的分类

填土指人类活动而堆积的土。根据其物质组成和堆填方式分为素填土、杂填土和冲填土3类。经分层压实的，称为压实填土。而最常见的填土是素填土、杂填土。

素填土是指由碎石、砂或粉土、黏性土等一种或几种材料组成的填土，其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为:碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土、牯性素填土。杂填土指含有大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。按其组成物质成分和特征分为:建筑垃圾土、工业废料土、生活垃圾土。冲填土是由水力充填泥砂经沉淀排水后形成的填土，主要是砂、粉土和黏性土，厚度变化较大，是我国沿海一带常见的人工填土之一，上海的黄浦江、天津的海河、塘沽等河流两岸及滨海地段不同程度的分布着这类土。

1.2 填土的工程地质特性

(1)性质不均、厚度及密度变化大。由于堆积条件、堆积时间，特别是物质来源和组成成分的复杂和差异，造成填土的性质很不均匀，尤其冲填土还会呈透镜体状或薄层状出现。密度变化大，分布范围及厚度变化缺乏规律性，带有极大的随意性，往往在很小范围内变化很大。(2)变形大。填土堆积时间短，密实度较差(除分层压实填土)，有些填土只是在表层形成约1m厚的“硬壳”(主要由于上部堆载或机械通过碾压造成)，是一种欠压密土，在自重压力下，很难达到完全固结。一般具有较高的压缩性。除正常荷载作用下的沉降外，还存在自重压力下沉降的特点，对生活垃圾土还存在因进一步分解腐殖质而引起的变形。(3)浸水振动湿陷性。填土堆积时间短、结构疏松，浸水和振动后，土体会产生湿陷变形。尤其在干旱和半干旱地区，稍湿的杂填土场地会产生大量湿陷变形。(4)承载力低。填土的成分、堆积方式、堆积环境和堆积年限等因素决定了它的地基承载力较低。此外有些填土还具有侵蚀性、触变性。

1.3 影响填土性质的因素

(1)堆积年限。粗颗粒填土堆积时间的长短是影响填土密实度的主要因素，时间越长人类活动对土体的压实作用越大，土的自重固结性能越好。经长期的雨浸，地表水渗透作用，土体已经多次湿陷，孔隙比减小，密度增大。所以规范规定，堆积年限不足10 a可认为自重固结过程尚未完成，一般不宜作为建筑物的天然地基［4］。(2)填料及其组合性质。粗颗粒填土的性质及组合结构直接影响土体的强度及均匀程度，填土中碎石含量多能起到骨架作用，并在附加压力下土体压缩变形时，骨料成份随之密集，其中的充填土压密于碎石之间，使承载力提高。碎石填土的变形一般在施工期间大部分完成，变形速度快慢取决于碎石的含量及充填土的性质。一般认为碎石含量越多，压缩变形完成的越快。(3)密实程度。密实程度直接牵涉到承载力指标与沉降量大小，密实的填土常常是堆积年代长、填料级配相对均匀、充填良好、不含或含少量生活垃圾，不仅承载力较高，在附加压力作用下沉降变形与不均匀沉降变形差相对较小。

(4)地下水的侵蚀影响。在地下水的影响下，充填物浸水软化便会降低承载力，在建筑物附加压力作用下，就会增大压缩变形。因此在低洼区的杂填土稳定性相对较差。

(5)下卧层岩性的影响。以粗颗粒填土作为持力层的地基，下卧层土质的强弱起到一定的制约作用。填土下为低压缩性的土，当荷载传递到该层时压力相对较小，其变形值很小，对受力后的填土持力层起到一定的支撑作用。如果为软弱土层，在附加压力作用下产生较大的压缩变形，势必牵制到上部土层，使填土也产生较大变形，增大变形量，同时降低承载力。

2 粗颗粒填土地基处理方法选择

地基处理方法的分类多种多样。如按时间可分为临时处理和永久处理;按处理深度可分为浅层处理和深层处理;按土性对象可分为砂性土处理和黏性土处理、饱和土处理和非饱和土处理;也可按照地基处理的作用机理进行分类，包括:换土垫层法、深层密实法、排水固结法、化学加固法、加筋法、热学法。

填土地基处理技术，除换土外，主要是通过物理化学措施，以提高地基土的强度，改善土的变形性质，消除地基的不均匀沉降，保证建筑物的安全使用。地基处理不局限于基础持力层，而是整个基础下影响范围内的压缩层。因此地基处理时应寻找合理的加固深度，简捷的施工方法以达到经济快速合理。通常物理加固法由于经济简便易行，采用较为普遍。目前山区粗颗粒填土地基改良的常用方法有［5］:强夯法、压实法和桩基法。

2.1 强夯法

强夯法是利用夯锤自由落下的巨大冲击能和所产生的冲击波反复夯击地基土，将夯面以下一定深度的土层夯实，以提高地基的承载力和土体的稳定性，降低压缩性。由于夯击能力大，加固深度也大。根据学者的分析，强夯与其它加固方法比较，其造价较低，因此适于强夯的土层上有较大的优越性。采用强夯加固地基也存在一些问题，对粘粒含量较高的软土加固效果还不理想，施工振动和噪音大，对周围建筑物和环境带来不利影响。

2.2 压实法

振动压实法适用于含少量黏性土的建筑垃圾、工业废料和炉灰填土地基。该方法就是利用杂填土无凝聚性、透水性好、密度小的特点，采用振动的方法破坏原有的松散状态，使土体在一定深度内达到紧密状态，以提高地基土的强度。使用该方法，需注意振动时间、振动压密的深度及土质的均匀性。根据学者研究，振动时间与杂填土的种类有关。

2.3 桩基法

加固较大深度内的地基土，提高地基的承载力，常采用挤密桩法。它是通过冲击或振动先往土中打入一尖端封闭的桩管成孔将桩管周围的土挤密，拔出桩管后向孔中填入土或其它材料并分层捣实而成桩。其作用是将周围松散土挤密外，还使桩和挤密后的地基土共同组成基础下的复合地基，从而提高地基的强度和减小地基变形。挤密桩按所填充的材料分为砂桩、灰土桩及土桩，按成孔方式分为打入或振入挤密桩和爆破挤密桩。

对于堆积年限较长的素填土、冲填土以及由建筑垃圾和性能稳定的工业废料组成的杂填土，当较均匀和较密实时，可考虑作为天然地基。如辽宁省本溪地区分布的堆填10 a以上的高炉渣回填地基，承载力达到500 kPa［6］。密实的建筑垃圾回填地基，承载力达到200 kPa。对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有腐蚀性的工业废料组成的杂填土，不宜作为天然地基;新近堆积结构松散不均匀的素填土、冲填土，不宜作为天然地基。

3 粗颗粒填土变形机理研究

3.1 粗颗粒土及其分类

粗粒料一般是指砂砾石、砂卵石、石渣、爆破开采的石料等粗颗粒土石混合材料［7］。《土工试验规程》(SL 237－1999)［8］具体的指:“粗颗粒土是指粒径大于5mm土的质量大于总质量50%的粗粒土”。粗粒土在自然界的分布十分广泛，储量丰富，广泛应用于土石坝、公路、铁路、飞机跑道、房屋基础、护岸抛石体、江堤、海湾防波堤等建筑工程。

根据粗粒土中黏性细粒的含量和土体渗透的渗透系数的大小，可把粗粒土分为自由排水无黏性粗粒土(简称无黏性粗粒土)和非自由排水黏性粗粒土(简称黏性粗粒土)。

无黏性粗粒土主要包括砂砾石、砂卵石、石渣、堆石料等粗颗粒土石料，颗粒中没有或只有微量的细粒土，粗粒含量较高，透水性强，颗粒间粘结力很小甚至趋近于零，由颗粒间的咬合和摩擦阻力来决定抗剪强度等力学性质，其本质上属于摩擦性材料。无黏性粗粒土具有透水性强、抗剪强度高、压实密度大、沉陷变形小、承载能力高等工程特性，是良好的填方材料。如用于填筑土石坝、铁路路基、桥梁墩台及处理软弱地基的砂石垫层等。

黏性粗粒土既含有无黏性砂、砾石及卵石颗粒，又含有黏性的粉粒和粘粒，是无黏性粗颗粒和黏性细粒土的混合料。黏性粗粒土在土石坝中应用较多的是砾质土，一般作为心墙防渗料。砾质土是一种黏性土与大于5mm的砾石组成的混合料，其中砾石含量一般在20%以上，属于黏性粗粒土的范畴［9］。

3.2 粗颗粒土试验及其变形特性研究

粗粒料的变形特性受许多因素的影响。研究表明:孔隙比对粗粒料变形模量的影响起支配作用，围压影响处于次要地位［10］。变形特性受应力路径与应力历史的影响较强。试验表明:应力路径相差较大时，应力－应变关系、塑性应变及塑性应变增量方向也相差较大，在建立弹塑性本构模型时应考虑洛德角及应力历史的影响［11］。这些研究成果对粗粒料研究都有着重要的借鉴意义。王朝东等人研究了粗粒料在6种不同应力路径下的变形及强度特性，推导出了试验过程中轴向荷载计算公式［12］。学者们还研究了复杂应力条件下粗粒料的工程特性;堆石料在高压及等主应力比状态下，各因素对应力－体变－轴向应变的影响。

相当长一段时间，对填石料工程主要是凭经验。自20世纪40年代才开始对填石料的工程性质系统研究，经数十年的积累，成果丰硕。1973年，日本土质工学会成立了“粒状体的力学特性研究委员会”，就粒状材料开展了调查、研究，其研究成果反映在1982年10月正式出版的《堆石料的试验和设计强度》一书中。成立于1981年的“关于粗粒料试验的研究委员会”，其研究内容是查明粗粒料的强度、变形试验值离散的实际状态和原因。通过研究，在如何提高粗粒料试验精度方面得出了有益的见解。但前几个委员会的不足之处在于开展粗粒料的研究时未能密切结合现场的实际情况，针对这一点，1986年8月成立了“关于粗粒料现场压实评价的研究委员会”，其研究课题是探讨粗粒料试验室密度和现场密度及其关系，为达到系统评价现场压实这一目的，收集、分析了大量数据，进行了精心尽力的调查和研究。1990年10月，日本的岩片透先生及松井家孝先生在总结本国和世界其它国家在粗粒料方面研究成果的基础上，出版了《粗粒土现场压实》一书。在我国，粗粒土在工程中的应用以后来居上的姿态，近年来得到突飞猛进的发展。1998年8月，郭庆国先生编著的《粗粒土的工程特性及应用》一书问世，这标志着我国在粗粒土工程中的研究取得了显著成果。