濟(jì)南華山片區(qū)石粉填土工程特性初步試驗(yàn)研究

侯　芳，孟　燕，姜文富

（1.山東協(xié)和學(xué)院，山東濟(jì)南250000；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東建材勘察測繪研究院，山東濟(jì)南250100）

濟(jì)南華山片區(qū)石粉填土工程特性初步試驗(yàn)研究

侯芳*1，孟燕2，姜文富2

（1.山東協(xié)和學(xué)院，山東濟(jì)南250000；2.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山東總隊(duì)，山東建材勘察測繪研究院，山東濟(jì)南250100）

濟(jì)南華山片區(qū)石粉填土分布范圍較廣，局部厚度較大，是市政工程設(shè)計(jì)、施工的一大難題。采用顆粒分析、原位測試和擊實(shí)試驗(yàn)的方法分析研究石粉填土的工程特性，指導(dǎo)現(xiàn)場路基施工和石粉填土改良利用，可為類似石粉堆積地區(qū)工程建設(shè)提供一定參考。

石粉填土；顆粒分析；原位測試；擊實(shí)試驗(yàn)；工程特性

濟(jì)南華山片區(qū)位于市區(qū)東北部華山鎮(zhèn)駐地，是濟(jì)南市22個重點(diǎn)開發(fā)建設(shè)的片區(qū)之一，目前正處于規(guī)劃建設(shè)初期。拆遷前，該區(qū)域村莊依托華山東側(cè)臥牛山和驢山的灰黑色輝長巖石材產(chǎn)出，10余年來形成規(guī)模較大的“濟(jì)南青”石材開采加工基地。但是加工石材留下的石粉和廢棄石料多被隨意丟棄，石粉淤積在河溝、洼地甚至平地中，形成一定厚度的石粉填土層，以片區(qū)東北部的濟(jì)青高速南側(cè)分布范圍最大，呈帶狀或片狀范圍分布，連續(xù)數(shù)公里。石粉填土成分和級配單一，結(jié)構(gòu)松散，局部夾雜大塊碎石甚至樹枝等，具有回填期短、工程利用價(jià)值低及改造處理不經(jīng)濟(jì)等缺點(diǎn)，目前對片區(qū)市政道路、管溝的施工帶來較大困難。本文將通過室內(nèi)試驗(yàn)和原位測試手段對石粉填土的工程特性進(jìn)行分析研究，探討其地基處理措施和工程利用方法。

1　場區(qū)地層分布特征

本場區(qū)市政某主干路勘察鉆孔深度在5m左右，在石粉填土層大范圍分布的區(qū)域，石粉填土層以下地層為河流沖洪積成因的粉土和粘土，孔深范圍地層描述如下：

（1）石粉填土：灰白色、淺灰色，松散—稍密，稍濕—很濕。局部含約5%的輝長巖廢料塊石，粒徑0.05～0.30m，最大約0.50m，棱角形。局部見零星枯樹枝、根系和枯樹葉等。填土類別以素填為主，局部為雜填。層厚度0.70～3.70m，平均約2.50m。

（2）粉土：褐黃色，稍密，濕—飽和，土質(zhì)較均勻，見少量銹斑，頂部含少量根系和枯樹葉。層厚度0.80～3.20m。

（3）粘土：黃褐色，可塑，土質(zhì)較均勻，含少量銹斑。部分5m深鉆孔未穿透該層，揭露厚度0.90～3.20m。

地下穩(wěn)定水位埋深2.70～3.10m。

2　石粉填土顆粒組成特征

在本場區(qū)選取3個鉆孔（孔間距約200m），在各孔內(nèi)1.5m埋深以下，對剔除極少量塊石、枯樹枝、根系和枯樹葉等雜填物的石粉填土層共采取6件Ⅲ級土樣（顯著擾動），先行測得含水率、比重和液塑限等指標(biāo)后，隨即再進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。顆粒分析試驗(yàn)采用篩析法和密度計(jì)法［1］測取砂粒、粉粒和粘粒數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。可見石粉填土以0.075～0.005mm的粉粒為主，含量在70%以上，平均72.1%；粘粒（小于0.005mm）含量在12.4%～16.6%，平均14.2%；細(xì)砂粒（大于0.075mm）含量約在10.6%～15.9%，平均13.7%；不含有中粗砂及以上的粗粒級，說明該石粉填土為粒徑單一、級配較均勻的細(xì)粒土。由于其粘粒含量均在10%以上，且濟(jì)南市屬抗震設(shè)防烈度6度區(qū)，一般情況下可不進(jìn)行液化的判別和處理［2］。

3　石粉填土液、塑限及原位測試指標(biāo)

3.1液、塑限聯(lián)合測定法的適用性和試驗(yàn)指標(biāo)分析

土體中，依靠表面吸附水膜作用產(chǎn)生粘聚力的粘粒主要引起粘聚分量，表面主要為自由水的粉粒主要靠顆粒間摩擦作用引起摩擦分量。粉土中粘粒含量較低時，土中水主要以毛細(xì)水為主，其次才是顆粒表面活性，土體呈現(xiàn)假塑性［3、4］，此時液、塑限聯(lián)合測定法適用性取決于粉土粘粒含量的大小。根據(jù)郭瑩、王琦等的研究成果［5］：“粉土中粘粒含量在13%以上時，以粘聚分量為主，液、塑限聯(lián)合測定法是適用的”。本場區(qū)石粉中粘粒含量為12.4～16.6%、平均14.2%，正位于13%臨界點(diǎn)的偏上值范圍，所以，對本石粉填土采用液、塑限聯(lián)合測定法是基本適用的。

在對上述6件土樣在顆分試驗(yàn)之前先行測得的含水率、比重和液塑限等指標(biāo)，液、塑限測定采用76g錐聯(lián)合測定法［1］，測得指標(biāo)如表2所示。依據(jù)石粉填土塑性指數(shù)Ip為7.5～8.8的取值范圍，屬于Ip≤10的粉土范圍。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2002）對粉土的定義［6］“塑性指數(shù)Ip≤10且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重的50%的土”，可以確定本場區(qū)石粉填土為粉土范疇。

在本場區(qū)，雨后車輛碾壓過的石粉填土區(qū)域地表常出現(xiàn)“橡皮土”軟陷、彈性起伏的情況，而“橡皮土”一般認(rèn)為產(chǎn)生于粘性土中［7］，該石粉填土也能出現(xiàn)這種性狀應(yīng)當(dāng)在施工中引起足夠重視。石粉填土中存在13%以上的部分粘粒，液、塑限聯(lián)合測定法所得指標(biāo)可以認(rèn)為是其可塑性的反映［5］。這些粘粒在一定程度上可能使石粉填土具有粘性土類填土的某些特征，尤其是在含水量較大或接近飽和的時候。注意到，如果忽略粉土和粘性土的土類差異，僅從液性指數(shù)0.18～0.93分析（表2），按照粘性土的狀態(tài)劃分［8］，本石粉填土具有以可塑為主、局部軟塑的特征。

3.2石粉填土層原位測試指標(biāo)分析

石粉填土層多是石粉隨水流呈漿狀流進(jìn)洼地而堆填，其原位測試指標(biāo)能直接反映其密實(shí)程度。鉆探過程中，對該層在鉆孔中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和重型動力觸探試驗(yàn)的原位測試，并結(jié)合鉆探揭露土層結(jié)構(gòu)情況剔除夾雜有塊石、樹枝及其他雜質(zhì)部位的異常數(shù)據(jù)，保留1.5m埋深以下單一石粉填土層內(nèi)的測試數(shù)據(jù)，如表3所示。其標(biāo)貫在5擊以下，重探在3擊以下，說明其土質(zhì)松散，壓實(shí)程度低。

表1　石粉填土顆粒分析表

表2　石粉填土部分物理試驗(yàn)指標(biāo)

表3　石粉填土層原位測試指標(biāo)

4　擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)

擊實(shí)試驗(yàn)是控制路基土壓實(shí)質(zhì)量不可缺少的試驗(yàn)項(xiàng)目，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007），粒徑不大于20mm細(xì)粒土適用于輕型擊實(shí)試驗(yàn)［9］。填土施工以達(dá)到最佳壓實(shí)度為宜［10］，而室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)可對現(xiàn)場施工時配置含水率和增加密實(shí)度有重要的指導(dǎo)作用。

現(xiàn)場另采取6件鉆孔土樣進(jìn)行“干土法”輕型擊實(shí)試驗(yàn)，即6件土樣于室內(nèi)烘干后，分別加入不同量水分（約按2%～3%含水率遞增），分別擊實(shí)。得出最大干密度為1.84g/cm3，最佳含水量為13.7%，擊實(shí)試驗(yàn)曲線見圖1所示。由表1中所列天然含水率為19.1%～26.5%，數(shù)值普遍高于13.7%的最佳含水量，若直接用于路基回填壓實(shí)，不僅不能達(dá)到密實(shí)效果，而且可能產(chǎn)生“橡皮土”和路基不均勻沉陷。

5　石粉填土的工程利用

5.1石粉的工程利用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)石粉在工程上僅限于用作碾壓換填墊層、褥墊層、水泥摻和料、加入大粒徑摻合料（中粗砂、碎石等）配成級配砂石，以及石灰?guī)r石粉用作燒制水泥的原料等用途。閆韶兵、張敬志等將青島地區(qū)“采石廠中粒徑小于5mm的廢渣”分層夯實(shí)作為石粉換填墊層（150cm厚），并進(jìn)行了施工和質(zhì)量檢測方面的研究［11］，取得了較好的工程利用經(jīng)驗(yàn)。深圳地區(qū)摻配“粒徑2.5mm以上的粗顆粒及粒徑2.5mm以下的細(xì)顆粒各占一半”的石粉渣材料，經(jīng)水泥穩(wěn)定后用作道路基層，形成了整套的施工利用方法。

5.2本場區(qū)石粉填土的地基處理和工程利用分析

本場區(qū)輝長巖屬花崗巖類，其石粉具有：不易風(fēng)化，在水的作用下不易與空氣中CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，較石灰?guī)r石粉而言吸水再干燥不易板結(jié)，易于碾壓密實(shí)及消散上部附加應(yīng)力能力強(qiáng)［11］等優(yōu)點(diǎn)。

華山片區(qū)市政該主干道路沿線石粉填土層分布厚度在0.7～3.7m、平均2.5m，地下水位埋深2.70～3.10m，天然含水率大，建議綜合比較和評價(jià)如下施工方案，選擇工期短、費(fèi)用低的合適施工方案。

（1）全部挖除石粉填土層，再換填外來素土，分層碾壓，置換徹底，可靠度較高，但費(fèi)用可能較高。

（2）強(qiáng)夯法可以處理軟土類地基，但是本場區(qū)施工場地距離濟(jì)青高速較近，為防止不利影響，不宜采用。

（3）一些如水泥土攪拌樁、碎石樁等復(fù)合地基的處理方法在市政路基工程中使用造價(jià)太高，不建議采用。

（4）部分處理石粉填土層，即挖出一定深度（1.5～2m）的石粉填土層，摻入粗砂、碎石等進(jìn)行級配改良，攪拌，翻曬，控制達(dá)到最優(yōu)含水率，配成級配砂石填料，再回填至路基，分層碾壓密實(shí)。在將該改良后的砂石填料回填路基之前，如果1.5～2m下部仍有一定厚度的石粉填土，可先機(jī)械碾壓或小型夯實(shí)機(jī)夯入大塊毛石進(jìn)行擠密，以控制路基沉降和下部應(yīng)力擴(kuò)散。

圖1　石粉填土擊實(shí)試驗(yàn)曲線

6　結(jié)論

（1）濟(jì)南華山片區(qū)石粉填土層并不均勻，在剔除極少量塊石、枯樹枝、根系和枯樹葉等雜填物的情況下進(jìn)行初步試驗(yàn)研究。得出該石粉填土層為粒徑單一、級配較均勻的細(xì)粒土，以粉粒為主，粉粒含量在70%以上，粘粒含量平均14.2%，細(xì)砂粒含量平均13.7%。

（2）采用液、塑限聯(lián)合測定法測得石粉填土Ip為 7.5～8.8，確定其屬于粉土類別。標(biāo)貫和重型動力觸探的原位測試結(jié)果表明其土質(zhì)松散，壓實(shí)程度低。石粉填土中存在13%以上的粘粒，液、塑限聯(lián)合測定法所得指標(biāo)可以認(rèn)為是其可塑性的反映，應(yīng)重視石粉填土也像粘性土一樣出現(xiàn)“橡皮土”的不良特性。

（3）采用“干土法”輕型擊實(shí)試驗(yàn)得出本區(qū)石粉填土最大干密度為1.84g/cm3，最佳含水量為13.7%。而石粉填土天然含水率普遍高于此值，故在晾曬前不能直接用于路基回填壓實(shí)。

（4）針對石粉填土的工程性質(zhì)、場區(qū)周邊環(huán)境和施工費(fèi)用等因素綜合選用地基處理方法。分析了全部挖除后素土換填、強(qiáng)夯、復(fù)合地基和一定深度的級配改良等處理方法的適用性，并重點(diǎn)對一定深度的級配改良方案進(jìn)行了探討。

［1］中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］阮永芬，劉岳東.昆明盆地粉土的特性的研究與利用［J］.巖土力學(xué)，2003，（增刊）：200-206.

［4］劉艷華.粉土的物理性質(zhì)試驗(yàn)研究［J］.水運(yùn)工程，2009，（12）：68-72.

［5］郭瑩，王琦.落錐法確定粉土液限和塑限的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009（9）：2569-2574.

［6］中華人民共和國建設(shè)部.GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［7］徐艷，汪稔，安麗芬.“橡皮土”的產(chǎn)生機(jī)理及防治措施［J］.土工基礎(chǔ)，2007，（4）：38-41.

［8］中華人民共和國建設(shè)部.GB50021-2001巖土工程勘察規(guī)范，2009年版［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［9］中華人民共和國交通部.JTG E40-2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.人民交通出版社，2007.

［10］文暢平.以力學(xué)指標(biāo)評定填土壓實(shí)質(zhì)量的現(xiàn)場試驗(yàn)研究［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2006（2）：18-19，59.

［11］閏韶兵，李主眾，張敬志.石粉墊層的施工與檢測［J］.工程勘察，2001（1）：12-13，46.

Primary Experimental Research on the Properties of Stone Powder Backfill Engineering in Huashan district of Jinan

HOU Fang1，MENG Yan2，JIANG Wen-fu2
（1.Shandong Xiehe University，Jinan，Shandong 250000，China；2.Shandong Building Materials Geological Exploration Center of SINOMA，Exploration and Surveying Institute of Shandong Building Materials，Jinan Shandong 250100，China）

Stone powder backfill，with wider distribution and larger local thickness，has become a big problem for the design and construction of municipal engineering in Huashan district of Jinan. By the way of particle size analysis test，in situ test and compaction test，the engineering properties of stone powder backfill are analyzed for giving some guidance to road construction and improvement of the backfill in the paper，which may provide some references to the similar areas for engineering construction.

stone powder backfill；particle size analysis test；in situ test；compaction test；engineering properties

TU44

A

1004-5716（2016）03-0015-04

2015-03-10

2015-03-12

項(xiàng)目來源：山東協(xié)和學(xué)院校級科技計(jì)劃：課題編號：XHXY201421。

侯芳（1982-），女（漢族），山東鄒城人，講師，現(xiàn)從事巖土工程方面的教學(xué)和研究工作。