济南华山片区石粉填土工程特性初步试验研究

侯　芳，孟　燕，姜文富

（1.山东协和学院，山东济南250000；2.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东建材勘察测绘研究院，山东济南250100）

济南华山片区石粉填土工程特性初步试验研究

侯芳*1，孟燕2，姜文富2

（1.山东协和学院，山东济南250000；2.中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东建材勘察测绘研究院，山东济南250100）

济南华山片区石粉填土分布范围较广，局部厚度较大，是市政工程设计、施工的一大难题。采用颗粒分析、原位测试和击实试验的方法分析研究石粉填土的工程特性，指导现场路基施工和石粉填土改良利用，可为类似石粉堆积地区工程建设提供一定参考。

石粉填土；颗粒分析；原位测试；击实试验；工程特性

济南华山片区位于市区东北部华山镇驻地，是济南市22个重点开发建设的片区之一，目前正处于规划建设初期。拆迁前，该区域村庄依托华山东侧卧牛山和驴山的灰黑色辉长岩石材产出，10余年来形成规模较大的“济南青”石材开采加工基地。但是加工石材留下的石粉和废弃石料多被随意丢弃，石粉淤积在河沟、洼地甚至平地中，形成一定厚度的石粉填土层，以片区东北部的济青高速南侧分布范围最大，呈带状或片状范围分布，连续数公里。石粉填土成分和级配单一，结构松散，局部夹杂大块碎石甚至树枝等，具有回填期短、工程利用价值低及改造处理不经济等缺点，目前对片区市政道路、管沟的施工带来较大困难。本文将通过室内试验和原位测试手段对石粉填土的工程特性进行分析研究，探讨其地基处理措施和工程利用方法。

1　场区地层分布特征

本场区市政某主干路勘察钻孔深度在5m左右，在石粉填土层大范围分布的区域，石粉填土层以下地层为河流冲洪积成因的粉土和粘土，孔深范围地层描述如下：

（1）石粉填土：灰白色、浅灰色，松散—稍密，稍湿—很湿。局部含约5%的辉长岩废料块石，粒径0.05～0.30m，最大约0.50m，棱角形。局部见零星枯树枝、根系和枯树叶等。填土类别以素填为主，局部为杂填。层厚度0.70～3.70m，平均约2.50m。

（2）粉土：褐黄色，稍密，湿—饱和，土质较均匀，见少量锈斑，顶部含少量根系和枯树叶。层厚度0.80～3.20m。

（3）粘土：黄褐色，可塑，土质较均匀，含少量锈斑。部分5m深钻孔未穿透该层，揭露厚度0.90～3.20m。

地下稳定水位埋深2.70～3.10m。

2　石粉填土颗粒组成特征

在本场区选取3个钻孔（孔间距约200m），在各孔内1.5m埋深以下，对剔除极少量块石、枯树枝、根系和枯树叶等杂填物的石粉填土层共采取6件Ⅲ级土样（显著扰动），先行测得含水率、比重和液塑限等指标后，随即再进行颗粒分析试验。颗粒分析试验采用筛析法和密度计法［1］测取砂粒、粉粒和粘粒数据，结果见表1。可见石粉填土以0.075～0.005mm的粉粒为主，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%；细砂粒（大于0.075mm）含量约在10.6%～15.9%，平均13.7%；不含有中粗砂及以上的粗粒级，说明该石粉填土为粒径单一、级配较均匀的细粒土。由于其粘粒含量均在10%以上，且济南市属抗震设防烈度6度区，一般情况下可不进行液化的判别和处理［2］。

3　石粉填土液、塑限及原位测试指标

3.1液、塑限联合测定法的适用性和试验指标分析

土体中，依靠表面吸附水膜作用产生粘聚力的粘粒主要引起粘聚分量，表面主要为自由水的粉粒主要靠颗粒间摩擦作用引起摩擦分量。粉土中粘粒含量较低时，土中水主要以毛细水为主，其次才是颗粒表面活性，土体呈现假塑性［3、4］，此时液、塑限联合测定法适用性取决于粉土粘粒含量的大小。根据郭莹、王琦等的研究成果［5］：“粉土中粘粒含量在13%以上时，以粘聚分量为主，液、塑限联合测定法是适用的”。本场区石粉中粘粒含量为12.4～16.6%、平均14.2%，正位于13%临界点的偏上值范围，所以，对本石粉填土采用液、塑限联合测定法是基本适用的。

在对上述6件土样在颗分试验之前先行测得的含水率、比重和液塑限等指标，液、塑限测定采用76g锥联合测定法［1］，测得指标如表2所示。依据石粉填土塑性指数Ip为7.5～8.8的取值范围，属于Ip≤10的粉土范围。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）对粉土的定义［6］“塑性指数Ip≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重的50%的土”，可以确定本场区石粉填土为粉土范畴。

在本场区，雨后车辆碾压过的石粉填土区域地表常出现“橡皮土”软陷、弹性起伏的情况，而“橡皮土”一般认为产生于粘性土中［7］，该石粉填土也能出现这种性状应当在施工中引起足够重视。石粉填土中存在13%以上的部分粘粒，液、塑限联合测定法所得指标可以认为是其可塑性的反映［5］。这些粘粒在一定程度上可能使石粉填土具有粘性土类填土的某些特征，尤其是在含水量较大或接近饱和的时候。注意到，如果忽略粉土和粘性土的土类差异，仅从液性指数0.18～0.93分析（表2），按照粘性土的状态划分［8］，本石粉填土具有以可塑为主、局部软塑的特征。

3.2石粉填土层原位测试指标分析

石粉填土层多是石粉随水流呈浆状流进洼地而堆填，其原位测试指标能直接反映其密实程度。钻探过程中，对该层在钻孔中进行标准贯入试验和重型动力触探试验的原位测试，并结合钻探揭露土层结构情况剔除夹杂有块石、树枝及其他杂质部位的异常数据，保留1.5m埋深以下单一石粉填土层内的测试数据，如表3所示。其标贯在5击以下，重探在3击以下，说明其土质松散，压实程度低。

表1　石粉填土颗粒分析表

表2　石粉填土部分物理试验指标

表3　石粉填土层原位测试指标

4　击实试验指标

击实试验是控制路基土压实质量不可缺少的试验项目，根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007），粒径不大于20mm细粒土适用于轻型击实试验［9］。填土施工以达到最佳压实度为宜［10］，而室内击实试验可对现场施工时配置含水率和增加密实度有重要的指导作用。

现场另采取6件钻孔土样进行“干土法”轻型击实试验，即6件土样于室内烘干后，分别加入不同量水分（约按2%～3%含水率递增），分别击实。得出最大干密度为1.84g/cm3，最佳含水量为13.7%，击实试验曲线见图1所示。由表1中所列天然含水率为19.1%～26.5%，数值普遍高于13.7%的最佳含水量，若直接用于路基回填压实，不仅不能达到密实效果，而且可能产生“橡皮土”和路基不均匀沉陷。

5　石粉填土的工程利用

5.1石粉的工程利用现状

目前国内石粉在工程上仅限于用作碾压换填垫层、褥垫层、水泥掺和料、加入大粒径掺合料（中粗砂、碎石等）配成级配砂石，以及石灰岩石粉用作烧制水泥的原料等用途。闫韶兵、张敬志等将青岛地区“采石厂中粒径小于5mm的废渣”分层夯实作为石粉换填垫层（150cm厚），并进行了施工和质量检测方面的研究［11］，取得了较好的工程利用经验。深圳地区掺配“粒径2.5mm以上的粗颗粒及粒径2.5mm以下的细颗粒各占一半”的石粉渣材料，经水泥稳定后用作道路基层，形成了整套的施工利用方法。

5.2本场区石粉填土的地基处理和工程利用分析

本场区辉长岩属花岗岩类，其石粉具有：不易风化，在水的作用下不易与空气中CO2发生化学反应，较石灰岩石粉而言吸水再干燥不易板结，易于碾压密实及消散上部附加应力能力强［11］等优点。

华山片区市政该主干道路沿线石粉填土层分布厚度在0.7～3.7m、平均2.5m，地下水位埋深2.70～3.10m，天然含水率大，建议综合比较和评价如下施工方案，选择工期短、费用低的合适施工方案。

（1）全部挖除石粉填土层，再换填外来素土，分层碾压，置换彻底，可靠度较高，但费用可能较高。

（2）强夯法可以处理软土类地基，但是本场区施工场地距离济青高速较近，为防止不利影响，不宜采用。

（3）一些如水泥土搅拌桩、碎石桩等复合地基的处理方法在市政路基工程中使用造价太高，不建议采用。

（4）部分处理石粉填土层，即挖出一定深度（1.5～2m）的石粉填土层，掺入粗砂、碎石等进行级配改良，搅拌，翻晒，控制达到最优含水率，配成级配砂石填料，再回填至路基，分层碾压密实。在将该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，可先机械碾压或小型夯实机夯入大块毛石进行挤密，以控制路基沉降和下部应力扩散。

图1　石粉填土击实试验曲线

6　结论

（1）济南华山片区石粉填土层并不均匀，在剔除极少量块石、枯树枝、根系和枯树叶等杂填物的情况下进行初步试验研究。得出该石粉填土层为粒径单一、级配较均匀的细粒土，以粉粒为主，粉粒含量在70%以上，粘粒含量平均14.2%，细砂粒含量平均13.7%。

（2）采用液、塑限联合测定法测得石粉填土Ip为 7.5～8.8，确定其属于粉土类别。标贯和重型动力触探的原位测试结果表明其土质松散，压实程度低。石粉填土中存在13%以上的粘粒，液、塑限联合测定法所得指标可以认为是其可塑性的反映，应重视石粉填土也像粘性土一样出现“橡皮土”的不良特性。

（3）采用“干土法”轻型击实试验得出本区石粉填土最大干密度为1.84g/cm3，最佳含水量为13.7%。而石粉填土天然含水率普遍高于此值，故在晾晒前不能直接用于路基回填压实。

（4）针对石粉填土的工程性质、场区周边环境和施工费用等因素综合选用地基处理方法。分析了全部挖除后素土换填、强夯、复合地基和一定深度的级配改良等处理方法的适用性，并重点对一定深度的级配改良方案进行了探讨。

［1］中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999土工试验方法标准［S］.中国建筑工业出版社，1999.

［2］中华人民共和国建设部.GB 50011-2010建筑抗震设计规范［S］.中国建筑工业出版社，2010.

［3］阮永芬，刘岳东.昆明盆地粉土的特性的研究与利用［J］.岩土力学，2003，（增刊）：200-206.

［4］刘艳华.粉土的物理性质试验研究［J］.水运工程，2009，（12）：68-72.

［5］郭莹，王琦.落锥法确定粉土液限和塑限的试验研究［J］.岩土力学，2009（9）：2569-2574.

［6］中华人民共和国建设部.GB50007-2011建筑地基基础设计规范［S］.中国建筑工业出版社，2011.

［7］徐艳，汪稔，安丽芬.“橡皮土”的产生机理及防治措施［J］.土工基础，2007，（4）：38-41.

［8］中华人民共和国建设部.GB50021-2001岩土工程勘察规范，2009年版［S］.中国建筑工业出版社，2009.

［9］中华人民共和国交通部.JTG E40-2007公路土工试验规程［S］.人民交通出版社，2007.

［10］文畅平.以力学指标评定填土压实质量的现场试验研究［J］.勘察科学技术，2006（2）：18-19，59.

［11］闰韶兵，李主众，张敬志.石粉垫层的施工与检测［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

项目来源：山东协和学院校级科技计划：课题编号：XHXY201421。

侯芳（1982-），女（汉族），山东邹城人，讲师，现从事岩土工程方面的教学和研究工作。