某高填方機(jī)場塊石填料強(qiáng)夯質(zhì)量評(píng)價(jià)及檢測方法試驗(yàn)研究*

王家磊，吳帥峰

(1.民航機(jī)場規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100029；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

0 引 言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長，我國民航業(yè)迅猛發(fā)展[1]。機(jī)場建設(shè)工程的快速發(fā)展為交通提供便利的同時(shí)，對(duì)特殊地形地貌下高質(zhì)量工程施工要求也提出新的考驗(yàn)。我國西部地區(qū)地勢起伏大、地形地貌特征復(fù)雜、施工期氣候限制性較大，機(jī)場填挖方工程量巨大，建設(shè)難度高。四川九寨溝黃龍機(jī)場的填方高度為104m，填挖方土石工程量共5 856萬m3，受季節(jié)氣候影響，每年有效施工時(shí)間僅7個(gè)月左右[2]；四川康定機(jī)場地勢條件極為復(fù)雜，施工土石方工程量為4 000萬m3，每年有效施工時(shí)間僅6個(gè)月左右。上述類型機(jī)場土石方工程量巨大，且有效施工時(shí)間短，機(jī)場地基壓實(shí)質(zhì)量與工程計(jì)劃進(jìn)度間的矛盾十分突出。機(jī)場飛行區(qū)土石方填筑的壓實(shí)質(zhì)量與地基強(qiáng)度及穩(wěn)定性密切相關(guān)，對(duì)后期沉降也具有重大影響，確保土石方填筑的壓實(shí)質(zhì)量成為機(jī)場高填方施工中的關(guān)鍵問題[3-4]。

20世紀(jì)50年代，國內(nèi)開始在工程填方中使用塊石填料；60年代開始研制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，并對(duì)其展開一系列研究，且在混填料強(qiáng)度及力學(xué)性能[5-10]、壓實(shí)質(zhì)量[11-12]、工程應(yīng)用[13-14]等方面都取得一定成果。魏迎奇等[15]通過土石混填料強(qiáng)夯加固試驗(yàn)，深入分析土石料填筑體加固機(jī)理。米建國[16]以壓實(shí)度和孔隙率來評(píng)估施工壓實(shí)質(zhì)量，總結(jié)土石混填路基施工技術(shù)。目前工程中對(duì)填方區(qū)采用的壓實(shí)度檢測方法及其標(biāo)準(zhǔn)多為基于細(xì)粒土的密度測試法。因混填料中塊石顆粒形狀及分布不均勻，且多數(shù)為大粒徑顆粒，其壓實(shí)質(zhì)量檢測與評(píng)價(jià)方法仍存在不足。

基于此，本文以某高填方機(jī)場為試驗(yàn)場地開展強(qiáng)夯試驗(yàn)，對(duì)強(qiáng)夯前后各填筑層沉降、顆分、干密度及固體體積率、動(dòng)力觸探和波速值等指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，研究成果可為高填方機(jī)場強(qiáng)夯塊石填料質(zhì)量評(píng)價(jià)體系提供試驗(yàn)依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要參考意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)旨在研究強(qiáng)夯塊石填料質(zhì)量檢測方法及其效果評(píng)價(jià)，采用多種檢測方法研究強(qiáng)夯振動(dòng)與土體密實(shí)、土體變形、動(dòng)力觸探和面波間的關(guān)系。

本次試驗(yàn)填方區(qū)域面積為40m×30m，擬放坡比為1∶2，以每層厚1m進(jìn)行分層填筑，填筑至8m層高后，在填筑頂面設(shè)計(jì)夯點(diǎn)處進(jìn)行1遍1 000kN·m強(qiáng)夯試驗(yàn)。強(qiáng)夯前，每層分層填筑后，進(jìn)行夯點(diǎn)處高程測量及干密度、固體體積率、顆分試驗(yàn)。用白灰標(biāo)記夯點(diǎn)及其附近沉降觀測點(diǎn)，并用塑料薄膜覆蓋。填筑至8m層高頂面后，強(qiáng)夯前后分別進(jìn)行超重型動(dòng)力觸探、面波測試試驗(yàn)；夯后以1m/層逐層開挖，清理白灰標(biāo)記點(diǎn)，測其高程，在原夯點(diǎn)處進(jìn)行干密度、固體體積率及顆分試驗(yàn)。對(duì)強(qiáng)夯前后試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)強(qiáng)夯塊石填料效果作出綜合評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 夯前填筑

試驗(yàn)區(qū)位于4標(biāo)段3號(hào)溝北部的土面區(qū)填方區(qū)。按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行夯前分層填筑，最終填筑成頂面積為40m×30m，底面積為46m×56m，坡比為1∶2，高8m的塊石填料平臺(tái)。8層對(duì)應(yīng)0m深度，7層對(duì)應(yīng)1m深度，以此類推。

在平臺(tái)頂面夯點(diǎn)處進(jìn)行干密度、固體體積率及顆分試驗(yàn)；用白灰標(biāo)記并編號(hào)夯點(diǎn)及其前后1m間距點(diǎn)，共標(biāo)記57個(gè)點(diǎn)，如圖1所示；用寬2m的塑料薄膜覆蓋，紅漆涂抹，最后測量標(biāo)記點(diǎn)處高程。

圖1 強(qiáng)夯夯點(diǎn)和白灰標(biāo)記點(diǎn)分布(單位：m)

根據(jù)夯前顆分試驗(yàn)結(jié)果繪制各層填料顆分曲線，如圖2所示。

圖2 夯前各層填土顆分曲線

由圖2可知，粒徑>60mm的顆粒質(zhì)量百分比平均約70%，>200mm的顆粒質(zhì)量百分比平均約44%，60～200mm的顆粒質(zhì)量百分比平均約26%。根據(jù)MH/T 5035—2017《民用機(jī)場高填方工程技術(shù)規(guī)范》，將填料劃分為石料中的塊石料亞類。該填料主要為石灰?guī)r，天然重度為22kN/m3，黏聚力為5kPa，內(nèi)摩擦角為36.8°。實(shí)際填筑時(shí)以天然含水量進(jìn)行控制。

2.2 強(qiáng)夯試驗(yàn)及波速、動(dòng)力觸探檢測

1)強(qiáng)夯試驗(yàn) 在填筑體頂面，按圖1中強(qiáng)夯擊數(shù)進(jìn)行1遍1 000kN·m強(qiáng)夯試驗(yàn)，并記錄夯點(diǎn)夯沉量。

2)超重型動(dòng)力觸探 強(qiáng)夯前后分別進(jìn)行3組超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)。

3)多道瞬態(tài)面波檢測 強(qiáng)夯前后分別檢測各夯點(diǎn)面波。

2.3 夯后開挖與檢測

采用機(jī)械與人工開挖法相結(jié)合進(jìn)行分層開挖，測量每層白灰標(biāo)記點(diǎn)高程；在原設(shè)計(jì)夯點(diǎn)處進(jìn)行干密度、固體體積率和顆分試驗(yàn)檢測?，F(xiàn)場進(jìn)行6,7,8層的開挖與檢測工作。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 夯點(diǎn)夯沉量及其附近填筑體變形分析

1)強(qiáng)夯試驗(yàn)夯沉量分析

各夯點(diǎn)強(qiáng)夯累積夯沉量-擊數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示，強(qiáng)夯累積夯沉量平均值-擊數(shù)擬合曲線如圖4所示。

圖3 各夯點(diǎn)夯沉量-擊數(shù)關(guān)系曲線

圖4 強(qiáng)夯累積夯沉量平均值-擊數(shù)擬合曲線

由圖3,4可知，各夯點(diǎn)累積夯沉量與夯擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，各曲線變化趨勢具有高度一致性。擬合曲線公式如下：

(1)

式中：A1=103.945 4，t1=10.129 4，y0=-121.845 9。

根據(jù)式(1)進(jìn)行強(qiáng)夯收斂擊數(shù)預(yù)測，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 最后2擊平均夯沉量預(yù)測值和實(shí)測值對(duì)比

由表1可知，夯擊次數(shù)為6擊時(shí)，最后2擊平均夯沉量預(yù)測值為6.27cm，>5cm，實(shí)測值為4.5cm，<5cm；夯擊次數(shù)為7，8擊時(shí)預(yù)測值均>5cm；夯擊次數(shù)為9，15，20擊時(shí)預(yù)測值和實(shí)測值均<5cm。綜合分析判定，最后2擊平均夯沉量≤5cm的收斂錘擊數(shù)為9擊。

2)夯點(diǎn)附近填筑體變形分析

繪制白灰標(biāo)記點(diǎn)剖面變形曲線，如圖5所示。

圖5 7號(hào)夯點(diǎn)附近剖面變形曲線

由圖5可知，6層部分白灰點(diǎn)夯后高程大于夯前高程，這是由于現(xiàn)場開挖該層時(shí)部分白灰點(diǎn)未能徹底清理薄膜表層的碎石土，數(shù)據(jù)分析時(shí)應(yīng)予以忽略。20擊時(shí)，在3m深度處，夯錘中心點(diǎn)下已無沉降，認(rèn)為該處為強(qiáng)夯最大影響深度；夯錘兩側(cè)水平范圍各4m處地基已無沉降，認(rèn)為該處為強(qiáng)夯最大影響水平范圍。則強(qiáng)夯影響深度約3m，水平影響范圍約4m。

3.2 大體積干密度及固體體積率

為研究強(qiáng)夯塊石填料加固效果，強(qiáng)夯前后采用灌水法在部分夯點(diǎn)處進(jìn)行大體積干密度及固體體積率檢測。試坑直徑為80cm，深100cm。試驗(yàn)結(jié)果如圖6,7所示。

由圖6,7可知，個(gè)別點(diǎn)強(qiáng)夯后的干密度、固體體積率檢測結(jié)果減小，可能與現(xiàn)場試驗(yàn)操作、室內(nèi)顆粒比重試驗(yàn)等綜合因素有關(guān)?？傮w而言，夯后干密度及固體體積率均有提高；且遠(yuǎn)離夯點(diǎn)深度處的干密度及固體體積率逐漸減小，直到5層時(shí)，即3m深度處，強(qiáng)夯前后指標(biāo)基本無變化，則可判定強(qiáng)夯影響深度約3m。

圖6 強(qiáng)夯前后干密度對(duì)比

圖7 強(qiáng)夯前后固體體積率對(duì)比

3.3 顆分試驗(yàn)

以7號(hào)夯點(diǎn)為例，繪制強(qiáng)夯前后同一點(diǎn)的顆粒級(jí)配曲線，如圖8所示。

圖8 強(qiáng)夯前后顆分曲線對(duì)比

由圖8可知，強(qiáng)夯后最大粒徑由600mm破碎至500mm；距夯錘較近的土層顆粒級(jí)配改善明顯；距頂面3m以下時(shí)，<100mm的顆粒粒徑變化很小，改善效果不明顯?？傮w而言，強(qiáng)夯后夯點(diǎn)下3m以內(nèi)塊石填料的粒徑均有所減小，說明部分較大顆粒在強(qiáng)夯過程中被夯碎，使細(xì)粒成分增加，填料級(jí)配有所改善。由此，判定強(qiáng)夯試驗(yàn)的影響深度約3m。

3.4 超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

強(qiáng)夯前后在9，0，7號(hào)夯點(diǎn)共進(jìn)行6組超重型動(dòng)力觸探對(duì)比試驗(yàn)。動(dòng)力觸探曲線如圖9所示。

圖9 強(qiáng)夯前后N120動(dòng)力觸探曲線對(duì)比

現(xiàn)場實(shí)際貫入過程中，由于觸探頭遇到大粒徑塊石，動(dòng)力觸探擊數(shù)突增，作圖時(shí)已剔除，將9,0號(hào)夯點(diǎn)每0.5m深度內(nèi)的動(dòng)力觸探擊數(shù)取均值后作圖。由圖9可知，強(qiáng)夯擊數(shù)為3擊時(shí)，N120由平均3.4擊提高到4擊，強(qiáng)夯影響深度約為3.5m；強(qiáng)夯擊數(shù)為9擊時(shí)，N120由平均3.6擊提高到4.7擊，強(qiáng)夯影響深度約為4m；強(qiáng)夯擊數(shù)為20擊時(shí)，表層0～1m深度N120由平均3.3擊提高到11.5擊。綜上所述，超重型動(dòng)力觸探檢測效果直觀，強(qiáng)夯加固效果明顯，強(qiáng)夯影響深度>3.5m。

3.5 面波測試

強(qiáng)夯前后分別在5個(gè)夯點(diǎn)處進(jìn)行面波測試，對(duì)測試的頻散曲線進(jìn)行概化處理，如圖10所示。

圖10 各夯點(diǎn)強(qiáng)夯前后的波速曲線

由圖10可知，強(qiáng)夯前波速為180～230m/s，平均207m/s；強(qiáng)夯后波速為190～250m/s，平均225m/s，平均波速提高18m/s。其中，3，6擊時(shí)在距離夯錘下4m深度處強(qiáng)夯前后波速相等，9擊時(shí)在5m處相等，15擊時(shí)在6m處相等，20擊時(shí)在5.2m處相等。此次面波測試反映強(qiáng)夯的最大加固深度約5m。

3.6 塊石料強(qiáng)夯質(zhì)量評(píng)價(jià)及檢測方法探討

3.6.1質(zhì)量評(píng)價(jià)

經(jīng)過現(xiàn)場強(qiáng)夯試驗(yàn)，理論模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合，對(duì)最佳強(qiáng)夯擊數(shù)進(jìn)行預(yù)測，確定最佳強(qiáng)夯擊數(shù)為9擊。對(duì)白灰標(biāo)記點(diǎn)強(qiáng)夯前后高程進(jìn)行處理，分析夯點(diǎn)及其附近填筑體變形大小，并結(jié)合多種檢測方法，判定強(qiáng)夯影響深度約3m，水平影響范圍約4m。

3.6.2檢測方法

1)干密度及固體體積率法 本次干密度及固體體積率試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性一般，主要由于塊石料中大粒徑含量較多且不均勻，粗、細(xì)顆粒的百分比差異較大，而試驗(yàn)時(shí)各檢測點(diǎn)均采用同一顆粒密度，導(dǎo)致檢測結(jié)果離散性較大。檢測時(shí)應(yīng)吸取教訓(xùn)，每個(gè)試坑強(qiáng)夯前后應(yīng)分別進(jìn)行粗、細(xì)顆粒密度試驗(yàn)，同時(shí)配合做現(xiàn)場顆分試驗(yàn)，確定粗、細(xì)顆粒百分比，減小試驗(yàn)誤差，準(zhǔn)確反映強(qiáng)夯加固效果。大面積強(qiáng)夯施工時(shí)，塊石填料層數(shù)多，分層挖坑檢測費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大面積試驗(yàn)檢測時(shí)可適當(dāng)減小頻率，保證檢測進(jìn)度。

2)顆分試驗(yàn) 通過強(qiáng)夯前后的顆粒分析試驗(yàn)，不僅能控制填料質(zhì)量，滿足設(shè)計(jì)和施工要求，而且可通過強(qiáng)夯前后顆分對(duì)比分析，間接反映強(qiáng)夯改善的顆粒級(jí)配效果和有效加固深度?？稍诖竺娣e施工中采用，對(duì)填料質(zhì)量控制及強(qiáng)夯加固效果進(jìn)行輔助驗(yàn)證和定性分析。

3)動(dòng)力觸探試驗(yàn) 本次動(dòng)探試驗(yàn)在3，9擊時(shí)檢測效果明顯；由于貫入時(shí)遇到極個(gè)別大塊石，在20擊時(shí)僅進(jìn)行淺層檢測。大面積檢測時(shí)應(yīng)吸取教訓(xùn)，遇到大塊石難以貫入時(shí)，應(yīng)更換至附近位置重新檢測，或與鉆探相結(jié)合，利用鉆探穿透大塊石再重新進(jìn)行動(dòng)探貫入計(jì)數(shù)。

4)面波測試對(duì)均質(zhì)密實(shí)材料的檢測準(zhǔn)確度較高，而塊石料孔隙比大，不利于波的傳播，檢測結(jié)果離散性大。建議在強(qiáng)夯填筑至一定高度后，將面波測試作為輔助手段，從整體上定性判別強(qiáng)夯的施工質(zhì)量。

綜上所述，塊石填料強(qiáng)夯質(zhì)量檢測時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)力觸探試驗(yàn)，解決檢測時(shí)因遇到大粒徑塊石而難以貫入的困難，剔除異常數(shù)據(jù)。另外，推薦干密度及固體體積率法，每個(gè)試坑均進(jìn)行密度試驗(yàn)，可適當(dāng)減小檢測頻率。顆分試驗(yàn)和面波測試可作為輔助驗(yàn)證手段，對(duì)強(qiáng)夯質(zhì)量進(jìn)行定性判斷。

4 結(jié)語

1)本次1 000kN·m強(qiáng)夯最佳夯擊數(shù)為9擊，強(qiáng)夯水平影響距離約4m，豎向影響深度約3m。塊石填料強(qiáng)夯時(shí)應(yīng)做好強(qiáng)夯原始記錄。

2)大面積檢測時(shí)優(yōu)先采用動(dòng)力觸探，其次推薦采用干密度及固體體積率法，并做好相應(yīng)的關(guān)鍵因素控制。顆分試驗(yàn)和面波測試可作為輔助驗(yàn)證手段，對(duì)強(qiáng)夯質(zhì)量進(jìn)行定性判斷。