压填片石处治浅层软基的模型试验研究

李阿蒙，韩大勇(中电建路桥集团有限公司, 北京 100083)

压填片石处治浅层软基的模型试验研究

李阿蒙，韩大勇
(中电建路桥集团有限公司, 北京 100083)

以重庆梁忠高速公路沿线沟谷地段广泛分布的软基为原型，采用相似模型试验的方法，对压填片石处治浅层软基的可行性进行研究。该研究分别进行了粒径为12 cm、9 cm和6 cm等三种规格的压填石块试验。模型试验结果表明：对浅层软基采用压填片石加固处理，可明显提高地基的极限承载力和变形模量；压入第3层石块时，地基极限承载力至少提高300 %，地基变形模量至少提高56 %。

压填片石；浅层软基；模型试验；变形模量；地基极限承载力

1 工程概况

重庆梁平至忠县高速公路沿线沟谷地段分布有众多的水田、鱼塘等，由于排水不畅，常年积水。浅表层分布着厚度1.5～2.0 m的软弱土，这些软弱土多为可塑状的粉质黏土，部分为软塑甚至流塑状，含水量高，空隙比大，抗剪强度低，压缩模量小，承载力低，沉降量大。对这些软弱土的处理，常规处理方法为全部换填或部分换填，或采用反压护道、堆载预压等方法。但是，采用换填处理软基会产生大量的弃方，根据对本项目1、3、6标段软基换填工程量的统计，仅这3个标段的软基换填量就达128.7×104m3。此外，梁忠高速穿越重庆地区明月山、南华山，明月山隧道、南华山隧道长度分别为5 519.15 m、2 875 m，产生大量的隧道弃碴，仅明月山隧道洞身的弃碴量达115×104m3。

软基换填和隧道开挖都会产生大量的弃方，但两者不同之处为：软基弃方是无法再利用的软弱土，而隧道弃方却是以石料为主，经过一定的筛选是可以利用的。本研究的目的则是采用模型试验的方法，考虑能否有效利用隧道或路堑边坡开挖产生的石料，把这些石料经过简单分选后通过压填施工的方法对沿线浅层软基进行加固处理。若此种软基处治方法可行，不仅可充分利用隧道及路堑边坡的弃碴，还可消除软基换填产生的弃方，极大地减少工程弃方，不仅有利保护山区的生态环境，而且可以节省工程投资、缩短工期，产生良好的经济效益。

2 模型试验设计

2.1 原型概化及模型的几何相似比

梁忠高速沿线的软弱地基多为沟谷地区的软弱土，深度多为1.5～2.0 m。在K66+080～K66+321工点进行了挖探，现场取样测得浅层软基的深度为1.4～1.7 m。其类型为软塑状态的粉质黏土，其下为强风化的红层软岩。基于此，模型试验所取地层概化为软塑粉质黏土和红层软岩2层。软塑粉质黏土厚1.5 m，其下为红层软岩。软塑状的粉质黏土的主要物理力学指标如表1所示。

表1 软塑状的粉质黏土的主要物理力学指标

确定模型的几何相似比Cl=5∶1。采用的模型试验箱尺寸为1.5 m×1.25 m× 1.0 m(长×宽×高)。模型箱底板为8 mm厚的钢板，四壁由槽钢、角钢和有机玻璃制作而成，四壁和底板通过螺栓连接，中间夹一层橡胶层以防水渗漏。

2.2 模型试验材料

根据原型概化的土层包括软塑粉质黏土和红层软岩2种。模型试验中应尽可能使软土的物理力学性质，尤其是力学性质与原型土体的性质一致，以更真实地反映压填片石的实际状况。即：重度相似比Cγ=1∶1，变形相似比CE=1∶1，Cμ=1∶1，强度相似比Cc=1∶1，Cφ=1∶1。

本模型试验的红层软岩用中砂模拟，把中砂填筑在模型箱底部并夯实至密实状态，然后注水直至饱和，中砂层厚40 cm。

浅层的软塑粉质黏土用黏土模拟，填筑时先加水搅拌均匀，接近流塑状态时再填筑，表2是模型试验用黏土的主要物理力学参数。

原型压填试验拟采用粒径分别为30 cm、45 cm和60 cm三种规格的硬质片石填料。模型试验按Cl=5∶1的几何相似比进行缩小，采用粒径分别为6 cm、9 cm和12 cm的硬质花岗岩石块进行模拟。

2.3 加载量测系统

压填石块加载及量测系统如图1所示。压填石块时，采用液压千斤顶进行加压，千斤顶置于30 cm×30 cm的方形钢压板中心，千斤顶中心与测力传感器对齐，测力传感器固定于反力梁上，把力梁通过与两侧的横梁与模型箱连接在一起。加压大小直接由与测力传感器相连的读数仪读出，读数最小分值为1 kg。

表2 模型试验岩土体的主要物理力学参数

图1 压填石块加载及量测系统

为测试压填石块后复合地基的承载力，并确定地基的变形模量，采用缩小的平板载荷试验对压填前后的地基进行地基承载力测试。平板为圆形钢压板，直径15 cm。地基承载力测试量测系统如图2所示。加载系统与压填石块的加载系统相似，也采用液压千斤顶加载。不同之处是加压手柄在模型箱之外，避免了加载时的人为干扰，保证了试验的精度。加压大小也由与测力传感器相连的读数仪读出，读数最小分值为1 kg，对应的加载压力为0.57 kPa。地基沉降由百分表直接读出，圆压板两侧各安装1个百分表，百分表固定于基准梁上。

图2 地基承载力测试量测系统

2.4 模型试验方案

本次共进行了3次模型试验，分别是粒径12 cm的石块压填试验、粒径9 cm的石块压填试验和粒径6 cm的石块压填试验。

每组模型试验的步骤基本相同，详细布置如下。

(1)分层填筑模型土层。首先把中砂分层填筑在模型箱底部并夯实至密实状态，然后注水直至饱和，中砂层厚40 cm；把搅拌均匀的、呈流塑状的黏土分层填筑于中砂层上，黏土层厚30 cm。

(2)沿模型箱中线等间距取3个点进行平板载荷试验，测试压填石块前的黏土地基承载力及变形模量，平板载荷试验的加载分级、终止加载条件等参照JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》。

(3)铺设并压填第一层石块，石块铺设周边距模型箱边界均为30 cm，石块压填区域及压填顺序如图3所示。

(4)沿模型箱中线等间距取3个点进行压填第1层石块后的平板载荷试验。

(5)在第1层石块之上继续铺设并压填第2层石块，石块铺设周边距模型箱边界均为30 cm。

(6)沿模型箱中线等间距取3个点进行压填第2层石块后的平板载荷试验。

(7)继续铺设并压填第3层石块，石块铺设周边距模型箱边界均为30 cm。

(8)沿模型箱中线等间距取3个点进行压填第3层石块后的平板载荷试验。

3 模型试验结果分析

3.1 试验数据处理方法

地基极限承载力的确定：参照JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》浅层平板载荷试验极限荷载的确定方法，取沉降量与承压板宽度或直径之比≥0.06相对应的前一级荷载为地基的极限承载力。对于模型试验中的载荷试验，承载板直径为15 cm，所以地基的极限承载力是沉降量为9 mm的加载大小的前一级荷载。

地基变形模量的确定：根据p-s曲线的初始直线段，按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论按式(1)计算。

(1)

式中：E0为地基变形模量(MPa)；I0为刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785，方形承压板取0.886；μ为土的泊松比(碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42)；d为承压板直径或边长(m)；p为p-s曲线线性段的压力(kPa)；s为与p对应的沉降(mm)。

最大压填压力的确定：压入石块时，按图3所示的压填顺序，记录每个区域压入石块所需的最大压填荷载，除以方形压板的面积，即可得到压入石块的最大压填压力(kPa)。

3.2 石块压填层数与地基力学性质的关系

图4为石块压填层数与地基极限承载力的关系。由图4可知，3种粒径的石块，地基极限承载力均随压入石块层数的增加而增加。相对于粒径为12 cm和6 cm的石块，压入9 cm粒径的石块，地基的极限承载力与压填石块前相比，提高的百分比更大(图5)。例如，压入第1层9 cm粒径石块时，地基极限承载力提高200 %，而压入其他2种粒径的石块，地基极限承载力提高70 %左右；压入第3层9 cm粒径石块时，地基极限承载力提高超过700 %，而压入其他2种粒径的石块，地基极限承载力提高300 %左右。

图4 石块压填层数与地基极限承载力的关系

图5 石块压填层数与地基极限承载力提高百分比的关系

图6为石块压填层数与地基变形模量的关系。由图6可知，对3种粒径的石块，地基变形模量均随压入石块层数的增加而呈增加趋势。相对于粒径为12 cm和6 cm的石块，压入9 cm粒径的石块，地基的变形模量与压填石块前相比，提高的百分比更大(图7)。例如，压入第1层9 cm粒径石块时，地基变形模量提高116 %，而压入其他2种粒径的石块，地基变形模量基本没明显变化；压入第3层9 cm粒径石块时，地基模量提高超过330 %，而压入其他2种粒径的石块，地基极限承载力提高56 %～103 %。

图6 石块压填层数与地基变形模量的关系

图7 石块压填层数与地基变形模量提高百分比的关系

3.3 最大压填压力与地基力学性质的关系

图8为压入石块所需的最大压填压力与地基极限承载力的关系。由图8可知，3种粒径的石块，压入土中所需的最大压填压力与地基的极限承载力呈正相关的关系，石块越难压入，压入石块后地基的极限承载力越高。压填石块后的地基极限承载力pu(kPa)与压入石块所需的最大压填压力N(kPa)呈式(2)所示的指数关系，相关系数R=0.955。

pu=9.9×exp(N/35.7)+18.1

(2)

图8 最大压填压力与地基极限承载力的关系

图9为压入石块所需的最大压填压力与地基变形模量的关系。由图9可知，3种粒径的石块，压入土中所需的最大压填压力与地基的变形模量呈正相关的关系，石块越难压入，压入石块后地基的变形模量越高。压填石块后的地基变形模量E0(MPa)与压入石块所需的最大压填压力N(kPa)呈式(3)所示的指数关系，相关系数R=0.921。

E0=0.022×exp(N/20.0)+1.11

(3)

图9 最大压填压力与地基变形模量的关系

4 结论

模型试验结果表明，对浅层软基采用压填片石加固处理，可明显提高地基的极限承载力和变形模量，试验结论如下。

(1)对3种粒径的石块，地基极限承载力均随压入石块层数的增加而增加，地基变形模量均随压入石块层数的增加而呈增加趋势。压入第3层石块时，地基极限承载力至少提高300 %，地基变形模量至少提高56 %。

(2)对3种粒径的石块，压入土中所需的最大压填压力与地基的极限承载力呈正相关的关系，石块越难压入，压入石块后地基的极限承载力越高。总结得到了最大压填压力与地基极限承力、地基变形模量之间关系的经验公式。

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李阿蒙(1988～ )，男，工程硕士，在职博士，工程师，研究方向为边坡稳定分析理论以及新型支护技术的开发应用；韩大勇(1982～)，男，工学硕士，工程师，研究方向为公路工程施工技术。

TU192

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[定稿日期]2016-06-13