何丽平，梁狄，谭庆波

(1.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230;2.中交四航局第二工程有限公司)

在中国新疆、甘肃等西部地区存在大量的风积沙和戈壁砾石土，在这些地区修建公路时可以选择风积沙和戈壁砾石土作为路基的填料，研究表明：风积沙的机械组成很细，沙粒过于均匀，级配不良，不是良好的天然路基回填料，在路基回填时需慎重选用；而戈壁砾石土作为路基填料有强度高、稳定性好等诸多优点，是一种良好的天然回填材料，被广泛地运用在西部地区路基填筑中。

目前中国学者对砾石土回填路基进行了一些有效的研究，结果表明：砾石土路基地基处理目前主要集中在路基的浅表层，而实际工程建设中往往会遇到湖区或低洼积水等水域需穿越，存在砾石土水下填筑体深层处理的问题。对于砾石土水下填筑体深层处理，研究发现，水下填筑的砾石土具有散粒结构，孔隙大，透水性强，孔隙水容易消散的工程特点，在强夯冲击荷载作用下砾石土压密过程很快，超静孔隙水压力消散也快，土体容易变得密实，从而提高其强度，故可采用强夯法对砾石土水下填筑体进行深层处理，但目前未发现有对戈壁砾石土水下填筑体强夯处理的相关研究。

该文结合新疆35团至若羌高速公路工程台特玛湖(沙漠浅水湖)段戈壁砾石土水下填筑的试验段路基，研究戈壁砾石土基本工程特性，并采用强夯法对其进行深层处理试验研究，对不同夯击能下戈壁砾石土的夯沉量、隆起量、超静孔隙水压力大小及消散进行监测，分析强夯的加固效果，为沙漠浅水湖区强夯法处理水下戈壁砾石土填筑路基的适宜性提供依据。

1 基本工程特性

在新疆35团至若羌高速公路工程台特码湖区里程K333+640～K333+690段戈壁砾石土回填料选取砾石土试验样品，试验所选取的砾石土来源于拉克拉玛干沙漠边缘戈壁滩的戈壁料。

为获得戈壁砾石土路基回填料的基本物理特性参数，对回填料按照JTG E40—2007《公路土工试验规程》要求进行颗粒分析、天然含水率、天然密度、土粒相对密度、渗透及击实等室内试验。

1.1 基本物理特性

对选取的戈壁砾石土试验样品采用筛分法进行3组颗粒分析试验，试验结果见表1。

根据试验结果计算砾石土的不均匀系数和曲率系数，结果如表2所示。

戈壁砾石土填料的天然含水率、天然密度、土粒相对密度及平均渗透系数等基本物理参数测试结果(3组试样的平均值)见表3。

由表2、3可知：戈壁砾石土不均匀系数远大于5，曲率系数为1～3，可知戈壁砾石土颗粒级配好，易于压实，属于良好回填料；砾石土在天然状态下含水率为0～1%，含水率极低；天然密度为1.9～2.1 g/cm3，土粒相对密度为2.6～2.7；平均渗透系数为2.0×10-2cm/s左右，渗透性很好，有利于超静孔隙水压力的消散。

表1 戈壁砾石土颗粒分析试验结果

表2 戈壁砾石土级配指标计算结果

表3 戈壁砾石土其他基本物理参数

1.2 击实特性

为研究戈壁砾石土的压实性能，对选取的1组(5种不同含水率)砾石土回填料试样进行击实试验，以确定回填料的最大干密度以及最优含水率，击实试验结果见图1。

图1 戈壁砾石土击实试验曲线

由图1可知：砾石土试样的最佳含水率约为4.4%，最大干密度为2.221 g/cm3。砾石土压实效果好，易密实，最佳含水率只有4.4%，用水量少，对于沙漠干旱少雨地区戈壁砾石土是很好的路基填料。

1.3 下卧粉砂层渗透性及压实特性

为了解砾石土回填料下卧土层粉砂层在夯击作用下土层的压实特性及超静孔隙水压力的消散能力，从现场取回下卧土层试样进行击实试验及渗透试验。

选取1组(5种不同含水率)粉砂层试样进行击实试验，结果见图2。

图2 粉砂层击实试验曲线

由图2可知：粉砂层试样的最佳含水率约为11.5%，最大干密度为1.739 g/cm3。粉砂层压实效果较好，较易密实。

根据击实试验结果，分别测试粉砂层在93%、95%、97%3种压实度下的平均渗透系数，结果见表4。

由表4可知：粉砂层的平均渗透系数为8.48×10-4～8.82×10-4cm/s，其渗透性能较好，超静孔隙水压力在其中消散也较快，但总体比砾石土的渗透性能差。

表4 粉砂层平均渗透系数

2 试验设计

2.1 试验区选取及地层分布

戈壁砾石土的强夯试验区选取在台特码湖区里程K333+640～K333+690路段。

试验区地层分布：上部为砾石土回填层，平均厚度约2.5 m；下部为原地层的粉砂层。现场试验区对回填至湖水面以上1 m后路基进行强夯地基处理，水面1 m以上采用分层碾压方法回填至路基顶面，现场试验主要对水面以下路基(含水面以上0～1 m的回填层)进行强夯地基处理的研究，该试验的处理深度约为5 m。试验段路基剖面示意图见图3。

图3 湖区戈壁砾石土试验段路基剖面示意图

2.2 夯点平面布置及施工参数

试验采用1 500 kN·m和2 500 kN·m两种能量进行试夯，并对其加固效果进行对比。强夯所用锤重15 t，直径2.0 m，根据经验，强夯点间距一般为夯锤直径的1.5～2.5倍，即3.0～5.0 m，此次试验采用3.5 m和4.5 m两种夯点间距进行试验，分2个试验区进行，其施工参数如表5所示。

表5 试验区施工参数

(1)点夯夯点布置。试验区1、2夯点布置见图4。

图4 试验区夯点正三角形布置单元图(单位：mm)

(2)满夯夯点。完成点夯后，进行一遍满夯，满夯所用锤重15 t，直径2.0 m，满夯的夯击能为1 000 kN·m，每点夯击数为2击，夯击1遍，夯点间距按1/4倍锤印搭接。

2.3 监测及测点布置

(1)夯沉量及地表隆起量观测。选取A3、B3测点观测单击夯沉量，通过观测确定每个强夯点的合理夯击数；在A3和B3测点距夯坑中心2、3、4和5 m的位置布置测点测量每击夯坑周边地表隆起，隆起量和夯坑体积增大量相等时停止强夯试验。当超静孔隙水压力消散后继续夯击，继续观测地表隆起。

(2)孔隙水压力监测

强夯过程中孔压可以反映强夯的处理深度大小、水平方向影响范围及土中孔隙水压力消散情况；在试验区1夯点A3，试验区2夯点B3处分别埋设2组(4个)孔隙水压力计，其布置见图5。

图5 孔压计布置图(单位：mm)

(3)地基检测。对强夯后的地基进行重型动力触探试验，以研究其加固前后的效果。每个试验区测试强夯前、后重型动力触探试验点3个，其中1个位于夯点中心，1个位于2个夯点中心连线的中点，最后1个位于3个夯点的几何中心。

3 试验结果分析

根据试验设计方案在选取的湖区戈壁砾石土路基试验段进行现场强夯试验。

3.1 夯沉量及地表隆起量

(1)点夯夯沉量

分别选取1 500 kN·m能量的夯点A3；2 500 kN·m能量的夯点B3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6所示。

由图6可知：总体规律为随着夯击数的增加，累计夯沉量逐渐增大，单击夯沉量逐渐减小，至一定夯击数后，累计夯沉量曲线逐渐变缓。观测结果显示，点夯过程中单点夯击数至9击时满足收锤标准，1 500、2 500kN·m夯击能最佳夯击数大致为9击。

图6 单击夯沉量与累计夯沉量随击数变化曲线

(2)点夯地表隆起量

在1 500 kN·m能量A3和2 500 kN·m能量B3两点单点夯击过程中分别测量每击作用下的地表隆起量，分别距夯点中心2、3、4和5 m的位置布置测点观测。夯点周围隆起量观测结果如图7所示。

图7 距夯点中心不同距离地面隆起量变化曲线

图7中0～1 m范围所测为每击作用下夯坑的夯沉量，以负值表示，夯坑周边的地表隆起值以正值表示。由图7可知：在1 500、2 500 kN·m能量夯击能作用下夯点周围地面以下沉为主，地表隆起量小。

3.2 孔隙水压力

在夯点A3、B3处埋设2组(4个)孔隙水压力计，分析强夯加固影响深度、水平向范围和超静孔隙水压力的消散时间，每组内各孔隙水压力计测头的埋设详见表6。

表6 孔隙水压力计测头埋设情况

强夯加固期间沙漠湖区地下水位几乎无变动，水位变动不会对孔隙水压力的监测产生影响，因此在对超静孔隙水压力进行分析时不再考虑地下水位变动的影响。

(1)超静孔隙水压力随夯击数的变化规律

取夯击点A3、B3的监测结果，绘制超静孔隙水压力随夯击数变化过程线，如图8所示。

图8 超静孔隙水压力随夯击数变化曲线

由图8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比较大，后期增量减小，至夯点满足收锤标准时超静孔隙水压力的变化过程线呈平缓状态。

(2)超静孔隙水压力在不同能量不同水平距离下的变化规律

取夯击点A3、B3的监测结果，绘制埋深2.5、5 m的孔压计单点夯超静孔隙水压力随时间变化的过程线，如图9所示。

图9 在不同水平向距离下单点夯超静孔隙水压力随时间变化曲线

图中横坐标“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，后续曲线为超静孔压的消散过程。

由图9可知：① 从整体上看，在相同埋深处两种能量下距夯点中心4.5、3.5 m处超静孔隙水压力大小基本一致，可知两处土体都有较好的加固效果，在考虑施工成本的情况下，建议采用4.5 m的夯点间距；② 砾石土回填层及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，而后消散变慢，砾石土约1 h、粉砂约3 h后消散程度都已超80%，故在强夯存在多遍点夯时可连续夯击施工，不需中间等待时间。

(3)超静孔隙水压力在不同能量不同深度下的变化规律

取夯击点A3、B3的监测结果，绘制距夯点中心3.5、4.5 m处孔压计单点夯超静孔隙水压力随时间变化的过程线，如图10所示。

由图10可知:在距夯点3.5、4.5 m处，两种能量下埋深2.5 m位置超静孔隙水压力与埋深5 m位置的超静孔隙水压力大小基本一致(除2 500 kN·m能量3.5 m处超静孔隙水压力之外)。从不同深度的超静孔隙水压力来看，在两种能量下深度5 m处土体与2.5 m处的土体有相同的加固效果，有效加固效果随着深度增加几乎无递减，在2 500 kN·m能量3.5 m处甚至有所增加，说明5 m深度范围内地基都能得到有效的加固。

图10 在不同深度单点夯超静孔隙水压力随时间变化曲线

3.3 检测结果

试夯区在夯前、后分别进行了3组重型动力触探试验检测，以对比强夯加固效果，试夯前、后土层重型动力触探击数对比分析结果见表7。

由表7可知：两种能量下砾石土回填层及原粉砂层强夯加固后效果都有提高，由于砾石土层是回填层，初始动探值较小，所以砾石土提升效果最明显，而粉砂层属于原地层，初始动探值相比较而言更大，所以粉砂加固效果没有砾石土明显；在相同动探孔位处，2 500 kN·m能量、夯点间距4.5 m强夯处理后砾石土动探击数比1 500 kN·m能量、夯点间距3.5 m强夯处理后动探击数要大，加固效果提升更明显，底部粉砂亦如此。砾石土和粉砂加固后的动探平均值都大于8击，密实程度达到中密及以上。

4 结论

(1)戈壁料砾石土颗粒级配好，属于良好的填筑材料，在天然状态下含水率极低，渗透性较好；砾石土在含水率4%左右最容易压实。随着夯击数的增加，累计夯沉量逐渐增大，单击夯沉量逐渐减小，至一定夯击数后，累计夯沉量曲线逐渐变平缓，两种夯击能的最佳夯击数约为9击；夯击时夯点周围地面以下沉为主，地表隆起量小，夯击加固有效。

表7 试夯前、后土层重型动力触探击数对比

(2)砾石土选取2 500 kN·m夯能、4.5 m夯点间距进行加固更合理，且整个地基处理深度范围内加固效果几乎无递减。砾石土及原地质粉砂层的超静孔隙水压力在夯击完成后消散迅速，在强夯存在多遍点夯时可连续夯击作业，不需中间等待时间。

(3)砾石土回填层及原粉砂层强夯加固后效果都有较大提高，砾石土加固效果比粉砂加固效果提升更明显，砾石土和粉砂加固后的动探平均值都大于8击，密实程度达到中密及以上。