強夯法消除風積粉細砂濕陷性研究*

毛洪運 朱江鴻 喻 小 畢俊翔 李忠民

(①中冶成都勘察研究總院有限公司 成都 610023)(②蘭州大學土木工程與力學學院 蘭州 730000)(③成都理工大學， 環境與土木工程學院 成都 610059)

0 引 言

我國的西北部及中亞南亞地區有不少地域屬于沙漠地貌。隨著我國“一帶一路”戰略的實施，越來越多的重大工程項目在沙漠地區修建，比如交通道路工程、能源管道、電廠電站等。風積粉細砂是沙漠地區的典型地層，早前，人們認為沙漠地區不宜修筑建筑物，對于這一地層的研究甚少。不少研究表明，風積粉細砂在遇水后會發生濕陷變形，導致地基土發生不均勻沉降，對各種工程建設造成破壞，許多建筑工程和交通工程不得不面臨這一問題。

濕陷性是指在上覆土層的自重應力作用下或者在自重應力和附加應力共同作用下，土體因浸水后土的結構破壞而發生的顯著變形，其顯著特點是突變型、非連續性和不可逆性(陳正漢等， 1986)。長期以來，工程地質界對于黃土的濕陷性進行了廣泛的研究，有了較多的認識(謝定義等， 1999； 吳光輝等， 2016； 張婉等， 2017； 朱景汕等， 2017)。但對于沙漠區風積粉細砂的濕陷性研究尚處于摸索階段，風積粉細砂濕陷性的規律認識也比較少(韓永強等， 2015)。國內外學者對區域性風積粉細砂的濕陷性進行了一些研究。曾正中等(2001)對騰格里沙漠風積極細砂進行室內壓縮試驗和現場原位實驗，均表明該區段砂土中的風洪積壤土類土和風積極細砂均具有濕陷性，細粒含量越多越具濕陷性且濕陷程度越高，為風積粉細砂濕陷性研究奠定了理論基礎。周平等(2005)對武昌地區含黏性土粉細砂的承載力進行了研究，分析其物理力學指標，得出在工程性質上更接近于黏性土而非粉細砂。武立波等(2007)對陜西神木縣石窯店的粉土、粉細砂進行了研究，發現該地區粉土、粉細砂具有弱可塑性、低黏結性、濕陷性及強度較低的特征，研究成果說明了粉細砂的細顆粒特性使得其工程性質兼具砂土和粉土的特性。武立波等(2012)研究了在水化作用下，寧夏寧東地區粉細砂的物理力學和水理性質規律，認為濕陷性是寧東粉細砂水敏感性的重要表現，其濕陷性主要受土體含水率、孔隙比、埋藏深度和干密度的影響。前人的研究為本文提供了方法和思路，對本文的研究具有指導意義，在研究風積粉細砂的濕陷因素時著重考慮了含水率和密實度的影響，統計分析了濕陷變形與總變形的關系。

強夯法，又名動力固結法，是由法國Menard技術公司于20世紀60年代末首創的一種軟弱地基處理方法(Menard， 1975)。強夯法是指反復將重錘提到一定高度使其自由落下，給地基土以沖擊能量和振動，使得地基土加固的軟地基處理方法(中國工程建設標準化協會， 2010)，該方法因施工方便、設備簡單、處理效果明顯、費用低廉而得到廣泛應用。國內外許多學者通過理論分析、相似模型試驗、現場原位測試、室內土工試驗及數值模擬等方法對強夯法進行了大量的研究。Gu et al.(2002)采用二維有限元數值模擬研究了強夯激勵下干砂的應力響應問題。賈敏才等(2009)通過自行設計的可視室內強夯模型試驗儀，分析夯擊作用下砂性土的宏細觀機制，認為在單擊夯擊能一定時，砂性土的加固存在一個最佳夯擊數。張興元等(2011)通過對蘭州黃土的室內模型試驗研究，認為低能級強夯加固地基以剪切波為主，高能級加固地基以壓縮波為主。王松江等(2012)指出采用不同的能級，夯點間距，錘擊次數等不同施工工藝消除黃土濕陷性的厚度差異較大。高鵬等(2014)分析研究了沙漠地區不同地基處理方法的加固效果，探究發現強夯法效果突出。上述成果表明了強夯法加固軟弱土地基具有顯著效果，對于消除黃土濕陷性也成效明顯。但強夯法消除風積粉細砂濕陷性的研究較少，有待于系統展開研究。

表 1 各土層物理力學性質指標Table 1 Physical and mechanical indices of soil with different depths

本文結合某工程實例，通過研究該工程場地風積粉細砂強夯前后的物理力學特性變化，結合室內壓縮實驗及現場原位實驗，評價強夯法消除風積粉細砂濕陷性效果，總結風積粉細砂濕陷性的規律及影響因素。該研究為風積粉細砂的濕陷性進一步研究，可以為同類型工程場地處理提供一些參考和借鑒。

1 工程概況

1.1 地層巖性

某工程場地位于沙漠地區，地層結構為第四系風積土，地層巖性單一，均為風積粉細砂。場地土層從上到下分述如下： ①層為黃色稍密風積粉細砂，主要成分以石英、長石為主，厚度約0.5～3.5im； ②層為中密稍濕風積粉細砂，厚度為1.0～4.9im，成分以石英、長石為主； ③層為密實稍濕風積粉細砂，成分以石英、長石為主，局部膠結，含有多量姜結石。在勘察深度范圍內未見地下水，夯前原狀土的土工試驗結果顯示，濕陷系數均大于0.015，多分布為0.017～0.069，濕陷性為輕微濕陷至中等濕陷。風積粉細砂地層相關物理力學指標標準值見表 1。

1.2 強夯設計及施工

表 2 強夯地基處理參數Table 2 Treatment parameters of dynamic compaction foundation

1.3 夯沉量與錘擊數關系圖

場地地基土為典型的風積粉細砂，含水率低，施工前平整場地，測量場地標高。為改善強夯加固效果，每遍點夯前向場地灑水壓實，灑水量宜使土體含水率達到最優含水率，本工程場地位于沙漠地區，水量供應不足，采用灑水車運水并沿場地灑水，灑水量約為0.16im3·m-2。標好夯點位置后施工，施工時按照“隔排隔點”的方式依次夯擊，滿夯后平整場地，測量場地標高。根據實測數據，統計了填方區和挖方區的強夯夯沉量與錘擊數的關系曲線，分析場地地基土對于強夯激勵下的宏觀反映。

填方區填土材料為挖方區挖出的風積粉細砂，經分層灑水壓實后強夯加固，試驗統計了4遍點夯各5個夯點的夯沉量與錘擊數數據，繪制成關系曲線圖(圖 1)。

圖 1 填方區夯沉量與錘擊數關系曲線Fig. 1 Curvilinear figure of settlement with tamping mount in filled site

從圖 1中可以得出，隨著錘擊數的增加，累計夯沉量增長趨勢逐漸減緩，表明風積粉細砂強夯存在最佳錘擊數。圖 1中a、b、c、d圖分別表示4遍點夯，可以看出第1遍和第2遍點夯累計沉降量均在105icm左右，第3遍和第4遍分別在90icm和80icm左右，第1擊夯沉量也比第1遍和第2遍小，表明夯點加固范圍為蘋果形(王桂堯等， 2008)。

隨著錘擊數的增加，單擊夯沉量逐漸減少，采用異數曲線擬合填方區單擊夯沉量與錘擊數的關系圖(圖 2)，可以得出最佳錘擊數為10擊。

圖 2 填方區單擊夯沉量擬合曲線Fig. 2 Settlement with every tamping in filled site

挖方區挖方厚度為1～3im，強夯設計、施工均與填方區相同，統計分析了第1遍點夯5個夯點的夯沉量與錘擊數關系曲線(圖 3)。對比分析填方區夯沉量與錘擊數關系曲線，可以得出挖方區累計夯沉量較填方區少，在85icm左右，第1擊夯沉量均小于25icm，在22icm左右。根據挖方區單擊夯沉量與錘擊數的曲線圖(圖 4)，可以得出挖方區最佳錘擊數為8擊。

圖 3 挖方區夯沉量與錘擊數曲線Fig. 3 Curvilinear figure of settlement with tamping mount in excavated site

圖 4 挖方區單擊夯沉量與錘擊數的曲線Fig. 4 Settlement with every tamping in excavated site

2 試驗概況

2.1 試驗設計

強夯施工完成后間歇1周時間，使夯后土體靜置穩定，土體中殘存應力得以消散，間歇期結束后對強夯效果檢測采用淺層平板載荷試驗及室內土工試驗的方式。靜載荷試驗主要檢測夯后土體的承載力，測試時將載荷板放置于基礎以上50icm，相當于夯后面以下50icm。室內試驗取樣布點按照橫向間距為20im，深度每隔1im取一次樣，室內試驗取樣要求取不擾動的Ⅰ級土樣，為保持原狀土的性狀，試驗中采取現場環刀取樣加取土柱相結合的方式，取樣完成后隨即送往試驗室做土工試驗，測定夯后土體的物理力學指標和濕陷變形量。風積粉細砂試樣見圖 5。濕陷試驗按照標準采用單線法(南京水利科學研究院， 1999)，同一土層取5個樣對比分析。

圖 5 風積粉細砂試樣Fig. 5 Sample of eolian deposit find sand

表 3 強夯前后各土層相關參數Table 3 Parameters of foundation soil before and after dynamic compaction

2.2 試驗結果分析

2.2.1 靜載荷試驗

本次試驗分為現場淺層載荷試驗及室內壓縮試驗，現場載荷試驗典型曲線見圖 6，載荷試驗結果表明P-S曲線一般沒有出現極限荷載，比例界限也不明顯(張志田等， 2012)，載荷試驗檢測承載力為240ikPa，比夯前地基土提高了一倍，承載力滿足設計要求。

圖 6 風積粉細砂典型靜載荷試驗p-s曲線Fig. 6 Typical p-s curvilinear of eolian deposit fine sand

2.2.2 室內試驗

根據室內土工試驗，對比分析強夯加固前后各土層的物理力學指標，試驗中同1層土取樣個數均大于5個，分析數據時，剔除異常的數據，取剩余數據的平均值分析，數據見表 3。

從表 3可以得出，強夯法基本消除了風積粉細沙的濕陷性。強夯夯錘落地時產生巨大的沖擊力，并以沖擊波的形式向土層內部傳播，攜帶了巨大能量的沖擊波迫使粉細砂顆粒重新排列，土體中的氣體被排出，空隙減少，土體壓密。以土體重度為參照指標，強夯處理后重度均有較大幅度的提升，普遍提升了1.3倍左右，基本消除了濕陷性。根據各土層5個統計參數得出表層土體在各級上覆壓力下的壓縮變形、濕陷變形及總變形量(表 4)，低密實度高含水率的①土層以壓縮變形為主，濕陷變形很小； 高密實低含水率的②土層壓縮變形很小，濕陷變形較大，總變形集中，在0.6～0.7imm之間。

表 4 各土層土樣濕陷試驗變形參數Table 4 Parameters of collapse test in defferent depth soil

這與謝定義(1999)關于黃土濕陷的觀點相符。表明風積粉細砂的濕陷特性與密實度和含水率密切相關，其中水的含量對于風積粉細砂的濕陷性起到了主要控制因素，強夯加速了灑水效應的傳播。消除風積粉細砂的濕陷性可以通過增加含水率再夯實的步驟，如果含水率不足不僅影響夯實效果，而且對于濕陷性的改善也很差。

風積粉細砂在逐級增加的壓力下，變形量逐漸增加，但每級增量在減少(圖 7)。反映了土體在附加壓力下逐漸被壓實，風積粉細砂顆粒相互接觸擠壓，空隙中氣體被排出，達到最大壓力200ikPa后穩定一段時間，在相同壓力下浸水，土樣迅速下沉，但總變形卻變化不大，土體浸水后，水在風積粉細砂顆粒間起到了潤滑作用，有效的降低了土顆粒之間的摩擦阻力。

圖 7 各級壓力下風積粉細砂變形量Fig. 7 Deformation of eolian deposit fine sand at different press

圖 8 風積粉細砂各級壓力下隨時間的變形量Fig. 8 Deformation of eolian deposit fine sand with loading time at different presses

根據現場滲透試驗，風積粉細砂的滲透系數在6.0×10-4～6.0×10-3之間，試驗時按照間隔10imin、20imin、30imin、30imin記錄各壓力下的變形量，繪制成變形量與時間的關系圖(圖 8)，結果表明風積粉細砂在施加各級壓力下前10imin變形量大，約占變形總量的90%，試驗觀察發現幾乎在加載的瞬間產生極大變形，變形隨時間的增量較小。

3 灑水對強夯加固的效果評價

強夯法加固細顆粒土的原理為動力壓密，動應力波在土體中傳播迫使風積粉細砂土體顆粒密實，降低松散土的可壓縮性，從而提高承載力，消除風積粉細砂的濕陷性。試驗結果表明強夯法在有效加固深度內基本消除了風積粉細砂濕陷，不可忽視的是水的作用，由強夯前后各土層相關參數表(表 3)可知，高含水率濕陷改善效果顯著高于低含水率濕陷改善效果。在強夯設計與施工時都應該把土體的含水率作為重要的因數考慮。土體的物質組成和結構特性決定了其力學性質，風積粉細砂顆粒物質組成為石英、長石等細顆粒物質，是長期風化作用形成的，粒徑主要為粉粒。使得該類土兼具粉土和砂的特性，單粒排列的風積粉細砂土具有空隙大、透水性強、土粒間沒有黏聚力，土粒相互依靠支承、內摩擦力較大等特點。土粒中浸水時，砂礫間產生毛細水彎液面作用于土粒，土粒產生短暫的膠結，粒間的結合水膜使鄰近土顆粒連接起來，從而土體具有塑性性質，表現出黏著特性，具有一定的黏聚力。土粒間的弱結合水減少了土粒的摩擦力，在自重和上覆附加壓力下產生沉降變形。這也是風積粉細砂土濕陷的內因和強夯法消除其濕陷性的技術措施。在增加其含水率的前提下夯擊壓密，風積粉細砂結構由松散單粒接觸連接變成緊密擠壓連接。

因此，強夯法能有效消除風積粉細砂濕陷性； 其中，灑水是控制濕陷性的主要因素，強夯是次要因素。在加固土體的過程中，應將浸水預壓融入強夯法中，保證土體有一定密實度的情況下，預先浸水使其濕陷變形再壓實，能夠取得很好的處理效果。

根據工程現場經驗，由于風積粉細砂顆粒無黏聚力，水理性質中濕陷性及吸濕性很強，風化作用強烈。進行強夯法處理后的地基土不宜長時間擱置，更不能將基底位置地基土長期暴露，基礎施工完成后及時回填處理。

4 結 論

本文結合工程實例及室內試驗分析了風積粉細砂的濕陷性特點及強夯法的加固效果，主要的結論為：

(1)沙漠地區風積粉細砂具有輕微至嚴重的濕陷性，濕陷性與含水率及密實度密切相關，含水率對于濕陷變形起主要控制作用。

(2)強夯法能有效消除風積粉細砂濕陷性，顯著提高承載力，減少壓縮變形量。其中，灑水是控制濕陷性的主要因素，強夯是次要因素。

(3)在沙漠風積粉細砂地區，強夯施工前應對場地灑水充足，宜使土體含水率達到最優含水率； 強夯加固時，填方區最佳錘擊數為10擊，挖方區最佳錘擊數為8擊，應堅持動態化設計信息化施工。

(4)強夯加固后，風積粉細砂的承載力是強夯前的兩倍，在濕陷試驗中，風積粉細砂在上覆壓力下下沉變形，變形增量隨時間變化較少，在各級加載的前10imin基本完成變形量的90%。

對于風積粉細砂的濕陷性研究還有許多問題沒有解決，風積粉細砂的濕陷機理、強夯加固土體微觀結構、強夯激勵下土體的動力響應等還有待于更進一步的研究。本文的研究結果可為風積粉細砂的濕陷性研究、同類型場地地基處理等提供一些借鑒。