李 富 春，张 璟 泓，周 红 星，王 婧，梁 小 丛

(1.中交四航局广州南沙工程有限公司，广东 广州 510230； 2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州 510230)

0 引 言

吹填粉细砂中的细粒(粒径小于0.075 mm的土颗粒)会对强夯加固的效果存在显著影响。但国内的相关规范[1]并未直接给出相应的细粒含量界限，这使得实际工程中常常通过经验进行判定，造成了一定的不确定性。针对粉细砂中的细粒影响问题，国内外众多学者做出了相关研究。刘雪珠等[2]通过液化试验测得黏粒含量10%时粉细砂试验的抗液化强度最低。王勇等[3]通过三轴试验得出，同样的应变水平下，细粒含量对砂土的动弹模量影响较大，随细粒含量的增加，砂土动弹性模量先减小后增加，30%细粒含量为转折点。毕昇等[4]通过共振柱试验对饱和砂土的动剪切模量进行了测试，结果表明随着细粒含量的增加，饱和砂土的动剪切模量先减小后增大，10%为细粒含量的界限。陈筱竹等[5]通过固结不排水三轴试验测得细粒含量对土样内摩擦角的影响。王海波等[6]对不同细粒含量的粉细砂进行了双向振动三轴试验，结果表明，随着细粒含量的增加，相同相对密实度的粉细砂CBR值逐渐减小。李涛等[7]对3种不同细粒配比的试样进行静力与动力三轴试验，得出了细粒中粉粒与黏粒含量占比对砂土抗液化强度的影响。

已有研究表明，细粒中粉粒(土颗粒粒径小于0.075 mm且大于0.005 mm)及黏粒(土颗粒粒径小于0.005 mm)的占比情况会对粉细砂的性质造成较大的影响，但目前关于粉细砂中细粒的影响情况大多集中于砂土抗液化方面，而关于细粒含量及细粒中粉粒及黏粒占比情况对强夯加固效果的影响方面研究较少。本文选用2种不同粉粒及黏粒占比的细粒配置试验土样进行室内强夯模型试验，测量强夯所产生的夯沉量、孔隙水压力及加固后的效果，分析细粒中粉粒及黏粒的含量对强夯加固效果产生的影响，为相关工程提供参考。

1 试验方案

1.1 工程背景

本次试验基于沙特吉赞一处工程地基处理项目。该项目地基土主要由原始地基与吹填地基组成。原始地基地质以粉细砂为主，平均细粒含量为3%～21%，细粒中黏粒含量较少，渗透系数较高。吹填地基以吹填粉细砂为主，细粒含量分布不均且其中掺有黏粒。现场地基处理方式初步选用强夯法进行，由于现场地质情况较为复杂，各区域平均细粒含量不同，为减小现场试验的成本，提高现场试验效率，采用模型试验的方法模拟现场工程情况，为后续的现场试验及大规模地基处理提供参考。

1.2 试验设计

通过相似原理及量纲分析设计模型各参数的相似系数，根据试验条件确定落距比尺Ch=20，锤重比尺Cw=8 000。确定相似比后，根据π定理及相似方程确定各参数相似比[8]。最后，根据所需模拟的现场施工参数设计模型试验夯锤的落距及夯锤尺寸，模型试验所采用的强夯参数如表1所列。

表1 模型试验强夯参数Tab.1 Dynamic compaction parameters of model test

1.3 试验装置及仪器布置

试验模型箱长×宽×高为1 400 mm×1 200 mm×1 200 mm。微型孔隙水压力计分为横向与纵向埋设，纵向埋设于距夯点中心线100 mm处，每150 mm深度布置一个探头，共布置5个探头，埋深为150～750 mm；横向埋设埋深为150 mm，每100 mm布置一个探头，共布置4个探头，距离夯点中心100～400 mm，具体布置位置如图1～2所示。夯击完成后对夯点中心进行静力触探试验。

图1 仪器布置侧视图(尺寸单位：mm)Fig.1 Side view of test instrument layout

图2 仪器布置俯视图(尺寸单位：mm)Fig.2 Top view of test instrument layout

1.4 试验土样

试验土样选择2种细粒进行配置，为减小粗骨料的影响，基于实际工程土样级配，重塑砂样均选用石英砂(0.075～0.250 mm)作为粗骨料，SY试验组选择无黏粒石英粉(0.005～0.075 mm)作为细粒，YN试验组选择含黏粒淤泥(0～0.075 mm，黏粒含量48%)作为细粒，配置0%、10%及20%细粒含量的重塑砂样。淤泥的主要矿物成分及含量为石英43.5%、长石6.9%、伊利石20.6%、高岭石29.0%，重塑砂样的级配曲线如图3所示，重塑砂样的基本参数如表2所列。

图3 重塑砂样级配曲线Fig.3 Gradation curves of remolded sand 表2 试验土样基本参数

试验土样细粒含量/%粉粒含量/%黏粒含量/%类别干密度/(g·cm-3)最大最小渗透系数k/(cm·s-1)黏聚力C内摩擦角φ/(°)塑性指数IPSY-0000细砂1.661.407.82×10-30.329.51.2SY-101010.00细砂1.801.272.81×10-31.129.13.4SY-202020.00粉砂1.851.209.07×10-41.828.25.5YN-10105.24.8细砂1.781.256.73×10-41.928.35.6YN-202010.49.6粉砂1.801.198.42×10-52.727.59.3

从重塑砂样的基本土工参数可以看出：相同细粒种类的重塑砂样随着细粒含量的增加，土体的渗透系数和内摩擦角减小，黏聚力和塑性指数增大，重塑砂样的工程性质逐渐变差。另一方面，相同细粒含量下，黏粒含量对土体的性质影响更大，YN-10试验土体的工程性质相较SY-20更差。

2 试验结果

2.1 夯沉量分析

强夯过程中土体因为夯击而产生的沉降量被称作夯沉量。因其测量方便且能直观反映夯击效果，在工程实际中经常通过控制夯沉量来控制施工效果。通过对强夯夯沉量的分析，能够很好地得出细粒含量对强夯夯击时土体变形的影响情况。试验夯沉量结果如图4～5所示。

图4 夯沉量对比Fig.4 Comparison of dynamic compaction settlement

由图4可以看出，不同试验土体的单击夯沉量变化规律大致相同，随着夯击的进行，单击夯沉量逐渐减小。细粒对单击夯沉量的影响主要体现在前几击夯沉量上，细粒含量越高，前几击夯沉量越大。对比最后两击夯沉量可以发现，3组SY试验组与YN-10组次最后两击的夯沉量基本相同，均为2 mm，YN-20组次的最后两击平均夯沉量3.5 mm，明显大于其它试验组，实际施工中，其完成单遍夯击所需的夯击次数更多。

图5 细粒含量对累计夯沉量的影响Fig.5 Influence of fine particle content on cumulative dynamic compaction settlement

由图5可知：不同细粒种类试验土体的累计夯沉量随细粒含量的变化规律基本相同，均表现为随细粒含量增加，累计夯沉量逐渐增大，且随着细粒含量的逐步增加，累计夯沉量的增幅也逐渐增大。这是由细粒对土体性质的影响所导致的，随着细粒含量增加，土体的工程性质逐渐变差，且随着细粒在土体中的占比提升，细粒对土体性质的影响程度逐渐增强。另一方面，不同细粒种类的试验土体变化程度差异较大，含黏粒的淤泥细粒影响显著大于石英粉粒。相同细粒含量下，YN试验组相比SY试验组的累计夯沉量更大，且随着总细粒含量的增加，两者的差异越大。当细粒含量为10%时，YN试验组的累计夯沉量相较SY试验组大17.6%，当细粒含量为20%时，YN试验组的累计夯沉量相较SY试验组大37.8%。这是由于黏粒具有更强的亲水性，YN试验组表层土体含水量更高，强度更低，夯击时土体变形程度更大，沉降量更大。

2.2 超静孔隙水压力分析

2.2.1超静孔隙水压力随细粒含量变化

强夯产生的超静孔隙水压力随夯击进行逐渐减小，后续夯击时超静孔隙水压力会被之前夯击时未消散的超静孔隙水压力所影响。故选取强夯第一击时不同试验土体代表孔压计位置(埋深15 cm，距离夯点中心10 cm)的超静孔隙水压力峰值进行对比，如图6所示，以反映细粒含量对超静孔压的影响规律。

图6 超静孔隙水压力峰值随细粒含量变化Fig.6 Peak value of excess pore water pressure changes with fine particle content

由图6可知：随着细粒含量的增加代表孔压计位置处的超静孔隙水压力峰值逐渐减小，且随着细粒含量的增加，减小幅度逐渐增大。比较SY试验组可知，当无黏粒含量时，细粒含量从0增加到10%时，超静孔隙水压力的变化程度较小；当细粒含量从10%增加到20%时，细粒的影响逐渐增大，土体超静孔隙水压力峰值减小14.2%。比较YN试验组可以发现，细粒中的黏粒会对强夯所产生的超静孔压产生更加显著的影响，相同细粒含量下，YN试验组的超静孔隙水压力显著小于SY试验组。当细粒含量为10%时，YN-10试验组的超静孔隙水压力峰值相较SY-10试验组小18.9%，当细粒含量为20%时，YN-20试验组的超静孔隙水压力峰值相较SY-20试验组小45.6%。其主要原因可能是YN试验组中的黏粒对土体渗透系数与表层土体强度的影响较大[9]，夯击时局部易发生“橡皮土”现象，能量的损失较大，传递范围小。导致YN试验组的超孔压峰值较小，超孔压影响范围小。

2.2.2超静孔隙水压力随深度、距离变化

选取强夯第一击时不同试验土体不同埋深处及距离夯点中心不同距离处的超静孔隙水压力进行对比。超静孔隙水压力随深度的变化如图7所示，超静孔隙水压力峰值随距离的变化如图8所示。

图7 超静孔隙水压力峰值随深度变化Fig.7 Peak value of excess pore water pressure changes with depth

由图7可知：不同试验土体的超静孔隙水压力峰值随深度方向逐渐减小，减小趋势大致呈现出两个区段，埋深15～30 cm处超静孔隙水压力迅速降低，埋深30～75 cm处超静孔隙水压力缓慢减小。可以预估本次强夯加固有效作用深度在30 cm左右，30 cm以下深度的加固效果较弱。另一方面，由于黏粒含量的增加会导致渗透系数的明显减小[9]，强夯对YN试验组产生的超静孔隙水压力明显小于SY试验组。相同细粒含量下，黏粒的影响效果显著大于粉粒。

图8 超静孔隙水压力峰值随距离变化Fig.8 Peak value of excess pore water pressure changes with distances

由图8可知：超静孔隙水压力峰值在水平方向上的分布也呈现为两段式分布，但与深度方向不同的是，超静孔隙水压力在水平方向上先缓慢减小再迅速减小，细粒含量越高，缓慢减小的区段越小。推测夯点中心至转折点的区域即为强夯加固效果较好的位置，转折点范围外的区域，强夯加固效果逐渐减弱。随着细粒含量的增加，转折点位置逐渐靠近夯点，由图8可知，SY-0及SY-10试验组的水平加固影响范围在30 cm左右，SY-20及YN-10试验组的水平加固影响范围在20 cm左右，YN-10试验组的水平加固影响范围可能小于10 cm。

综上所述，随着细粒含量的增加，强夯加固时产生的超静孔隙水压力峰值越小，其影响范围也越小，强夯加固效果越差。另外，细粒中的黏粒对强夯产生的超静孔隙水压力的影响显著大于粉粒，细粒中的黏粒占比越高，强夯效果越差。

2.3 静力触探结果分析

采用自制的室内静力触探仪对试验土体夯点中心、距离夯点中心10，20，30 cm及40 cm的位置进行静力触探试验，测量不同深度试验土体的静力触探端尖阻力大小，试验结果如图9所示。并将各试验夯点处的静力触探结果进行对比，如图10所示。

对比SY试验组的结果可知，随着细粒含量的增加，强夯加固的有效深度逐渐减小。竖直方向上，以静力触探端尖阻力大于0.3 MPa为标准，SY-0试验组与SY-10试验组的有效加固深度在30 cm左右，30 cm以下深度的强夯加固效果逐渐减弱，静力触探端尖阻力逐步减小。SY-20试验组的有效加固深度为19 cm，相较SY-10试验组减少36.7%，19～29 cm深度的强夯加固效果逐渐减弱，静力触探端尖阻力逐步减小至与初始状态相同，29 cm以下则基本没有加固效果。YN试验组的加固深度则显著小于SY试验组，YN-10试验组的有效加固深度仅为12 cm，相较SY-10试验组减少60%，强夯影响深度仅为20 cm。YN-20试验组的强夯加固效果较差，所有位置的静力触探端尖阻力值均小于0.3 MPa。水平方向上，单点夯能够有效加固距离夯点中心10 cm范围内的土体，该范围内的加固效果基本相同，距离夯点中心10 cm以外的土体受到的加固效果逐渐减弱，至30 cm左右基本无加固效果。对比YN试验组结果可知，YN试验组的强夯加固效果明显弱于SY试验组，加固仅体现在夯点中心位置，夯点中心以外的土体受到的加固效果逐渐减弱，至距离夯点中心20 cm左右基本无加固效果。

图9 不同试验土体不同距离处CPT对比Fig.9 Comparison of CPT at different distances of different test soils

图10 不同试验土体夯点处CPT对比Fig.10 Comparison on CPT at dynamic compaction points of different test soils

对比图10不同试验土体夯点处的静力触探结果可知，SY试验组中当细粒含量从0增加到10%时，细粒对吹填粉细砂强夯加固的影响效果影响不大，当细粒含量从10%增加到20%时，细粒含量的影响逐渐增大，随着细粒含量的增加，强夯的加固效果逐渐变弱。细粒中的黏粒会对强夯加固效果产生显著影响，相同细粒含量下，YN试验组的加固效果显著小于SY试验组，该种夯击能下，YN试验组的加固效果较差，后续工程中建议选用高能级强夯处理并增加排水措施。

3 结 论

(1) 无黏粒的情况下，粉细砂中的细粒会对强夯产生一定的影响：当细粒含量从0增加到10%时，细粒对粉细砂强夯加固的影响效果影响不大；当细粒含量从10%增加到20%时，细粒的影响逐渐增大，随着细粒含量的增加，强夯的加固效果逐渐变弱。

(2) 粉细砂细粒中的黏粒占比会对采用强夯法处理粉细砂的效果造成较大影响，相同细粒含量下，黏粒的影响明显大于粉粒，当黏粒含量达到5%左右时就已使强夯加固效果明显减弱。

(3) 粉细砂采用强夯法进行处理时，不仅需要考虑细粒含量对加固效果的影响，还需要考虑细粒中黏粒占比的影响。当细粒含量小于10%且黏粒含量小于5%时，强夯法加固效果较好。