紅砂巖土石混合料高填路基強夯壓實試驗研究

吳偉明

(長沙市建筑設計院有限責任公司，湖南長沙 410007)

0 引言

強夯壓實法是動力固結法的一種，已廣泛用于我國公路建設中路基填筑工程，其施工設備簡單，壓實效果明顯，在各類地基加固工程中也頻頻采用，是當前性價比高、施工速度快的有效地基加固方法之一。紅砂巖在中南地區廣泛分布，由于紅砂巖土石混合料本身的復雜性和各類工程項目的特點及特殊性，對紅砂巖路基強夯加固效果的評價、加固機理、加固設計參數、夯點的合理布置以及施工質量的管理與控制等問題，仍然未得到完全解決。對紅砂巖路基強夯試驗是進行強夯加固處治設計的必要手段，本文擬通過強夯試驗獲得紅砂巖路基的強夯設計參數。

1 紅砂巖的單軸抗壓強度水敏性試驗

紅砂巖由其所含結構物、膠結物及礦物等成分構成其主要強度，而高嶺石、蒙脫石以及伊利石等黏土礦物和鈣質膠結物即為紅砂巖的主要組分，對單一組分而言，這些組分均強度較為低下且遇水極易崩解、軟化，這也正是紅砂巖較其他巖石材料而言，工程性質較差的原因。為研究含水率變化下紅砂巖抗壓強度演變的規律，本文設置6組不同的含水率紅砂巖試樣進行強度試驗，試驗狀態分別為:干燥狀態、3%狀態、6%狀態、天然狀態、12%狀態、飽和狀態［1］。試驗方法及步驟如下:

1)將紅砂巖制成50 mm立方體的試樣，誤差不得超過0.5 mm，使用打磨機將試樣上、下端面磨平，確保試驗的準確性。

2)試樣的制備。

a.天然狀態試樣。

取原狀土按要求直接制成試樣即可(使用烘干法測得天然含水率為 9.4%)。

b.干燥狀態試樣。

取紅砂巖按天然狀態試樣配備方法進行制備，然后將試樣放入105℃恒溫條件下的烘箱烘干8 h以上。

c.飽和狀態試樣。

取紅砂巖按干燥狀態試樣配備方法進行制備，然后將其在清水中浸泡48 h，浸泡時試件頂面須低于水面2 cm以上(使用烘干法測得飽和含水率為15.5%)。

d.3%，6%，12%含水量試樣:根據紅砂巖質量分別算得所需添加的水質量，計算公式見式1，分別配制試樣。

其中，mw為土樣所需加水量，g;m為風干含水率時的土樣質量，g;wh為風干含水率，%;w為土樣所要求的含水量，%。

3)取6種不同狀態的紅砂巖試件進行試驗，設置3組平行試件，速度加荷為0.5 MPa/s～1 MPa/s，讀取并記錄試件破壞時的荷載值。

4)換算試樣抗壓強度。將步驟3)中測得試件破壞時的荷載值除以試驗中接觸面的面積，即為單次試驗所得抗壓強度。綜合考慮3組平行試驗數據，取其平均值作為結果，試驗數據如表1所示。

表1 不同含水率下紅砂巖單軸抗壓強度試驗結果

以所得試驗數據中含水率為橫坐標，試件抗壓強度值為縱坐標繪制抗壓強度與含水率曲線圖，所得圖形見圖1。

圖1 抗壓強度R—含水率ω關系圖

根據得到抗壓強度試驗數據及其相應的含水率進行線性回歸分析，得到的擬合函數為:

擬合分析R2=0.852 7，說明上述擬合函數與試驗條件下紅砂巖抗壓強度與含水率兩者之間的關系基本符合。

分析圖1及所得單軸抗壓強度與含水率回歸函數，結論如下:紅砂巖抗壓強度隨含水率變化的改變呈負冪指數函數形式。如圖1所示，當紅砂巖試樣處于低含水率狀態(不大于6%)，試樣抗剪強度對含水率的升高較為敏感，含水率的增大使得試樣強度大幅降低，該含水率部分關系曲線較為陡峭;此外，當紅砂巖試樣處于含水率狀態(大于6%)，試樣抗剪強度對含水率的升高的敏感程度明顯下降，含水率增大時試樣強度降低速度相對低含水率狀態較為緩慢，抗壓強度—含水率曲線比較平緩。故針對本試驗所用紅砂巖，可將含水率0%～6%部分定義為其含水率敏感特征區，含水率大于6%的部分為其非敏感特征區，可將含水率6%這一點定義為其敏感特征分區點。

當紅砂巖試樣處于含水率狀態(低于6%時)，巖體內部起連接作用的主要是顆粒之間的分子力以及范德華力，此種狀態下的紅砂巖試樣具有較高的強度，并且顆粒對水具有較強的吸附能力。此時在外部荷載作用下，紅砂巖的破壞形式主要是張裂破壞，也存在一定的剪切破壞。當含水率大于敏感特征區分點時，若水含量繼續升高，紅砂巖關于水的吸附能力將逐漸降低，其內部膨脹力與連接力將趨于平衡，所以在此階段，隨含水率上升紅砂巖抗剪強度的降低趨勢逐步減小，其破壞形式將表現為剪切破壞。

2 紅砂巖土石混合料高填路基強夯方案設計

2.1 強夯夯擊點的布設及夯擊間距設計

路基強夯施工中，強夯加固效果很大程度上受夯擊點的布置形式影響，因此，為取得良好的強夯加固效果，正確的夯擊點布置形式尤為重要，現有研究表明，設置夯點布設方案時應結合地基基礎類型、周邊水文地理情況等因素綜合選擇。

本文通過對大量紅砂巖路基強夯施工現場情況進行調研，發現正方形布點形式效果較好。夯點間距的布置需綜合考慮路基土的性質及其夯實加固要求深度。若加固施工要求保證深層路基的強夯效果，則首次夯擊時不可將夯點間距設置過密，如若不然，路基淺層將形成密實層，將直接影響夯擊能在深層的傳遞，降低強夯加固效果。研究發現，夯擊點間距以3.5 m為佳，如圖2所示。

圖2 夯點間距布置示意圖

2.2 強夯夯擊能及夯錘落距的確定

現有研究表明，若強夯后路基內部孔隙水壓力與土體自重相等，夯擊能處于最佳狀態。設置在最佳夯擊能下開展路基強夯加固施工，能夠實現最為經濟的強夯效果。本文根據紅砂巖路基現場施工情況，取1 200 kN·m夯擊能，10.0 m夯錘落距，2 m夯錘直徑。

2.3 強夯夯擊擊數及夯擊遍數的選取

夯擊擊數設為單點夯擊3錘，若單點后兩擊平均夯沉量不大于25 mm，本文認為單點夯擊目標已經達到;若未達到此標準，則重復進行一次單點夯擊。

夯擊遍數的設置應與路基土的性質相協調。若路基土中主要部分為粗顆粒土，其滲透性較強，夯擊遍數可相對設置在較低水平。相反，若路基中主要為細顆粒土，其滲透性較弱，則應將夯擊遍數水平提高。現有研究表明，主要以碎石、砂礫、砂質土及垃圾土組成的地基，強夯施工中的夯擊遍數以2遍～3遍為佳;本文調研多處紅砂巖強夯施工現場，發現先進行2遍普通夯擊，然后再進行一遍低能量滿夯，即可實現相關要求中的夯擊目標，這也是本文認為較好的強夯夯擊遍數設置。

3 基于瑞雷面波法的強夯效果評價

根據紅砂巖水敏性試驗結果，通過灑水及翻曬將紅砂巖土石混合料路基含水率控制在6%以內，采用本文所提出的強夯設計方案對紅砂巖高填路基進行壓實，并采用多通道瞬態瑞雷波檢測路基承載力對強夯效果進行評價。選用Miniseis24多通道瞬態瑞雷波測試儀、4 Hz三分量低頻檢波器對強夯效果進行檢測分析，道間距設為1 m，偏移距取6 m，通過錘擊產生震源，在強夯施工現場選擇①，②兩個斷面，分別在強夯前、后進行測試，測試結果如圖3、圖4所示。

從圖3，圖4可以看出，強夯后①斷面路基表面層波速由119 m/s上升至218 m/s，增幅為83.19%，②斷面路基表面層波速由138 m/s上升至224 m/s，增幅為62.32%;3 m處路基層波速①斷面由189 m/s上升至227 m/s，增幅為20.11%，②斷面由163 m/s上升至230 m/s，增幅為41.10%，說明路基強度得到了有效提升，達到了強夯目的。

圖3 強夯前后①斷面瑞雷波測試結果圖

圖4 強夯前后②斷面瑞雷波測試結果圖

4 結語

本文對紅砂巖土石混合料的強度特性進行了室內試驗研究，并在某高速公路路基工程進行了強夯試驗，得出了以下主要結論:

1)紅砂巖土石混合料對水較為敏感，當含水率增加，紅砂巖土石混合料的強度明顯降低，其強度的衰減速度在隨含水率增加至6%后逐漸減緩。

2)基于瑞雷面波法在紅砂巖土石混合料路基強夯前后的測試數據分析，強夯前后測試結果對比表明:夯擊點間距取3.5 m，夯擊能取1 200 kN·m，夯錘落距取10.0 m及夯錘直徑取2 m的強夯設計方案在紅砂巖土石混合料路基壓實中能取得良好效果。

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