湿陷性黄土场地换填垫层地基处理技术应用研究

张 勇 纪成亮 孟志浩

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100)

0 引言

湿陷性黄土在我国分布广泛，是常见的特殊性土之一，由于其成因导致的特殊结构，使其在不同含水率条件下表现出巨大的工程性质差异。因此，湿陷性黄土场地的地基处理也是常见的工程问题，湿陷性黄土场地的常见地基处理方法有垫层法、强夯法、挤密法、预浸水法等。本文通过青海西宁某电厂工程的黄土地基处理原体试验，验证了换填垫层法进行湿陷性黄土场地地基处理的效果，并分析研究了施工参数和施工工艺，可作为类似工程的参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

西宁某电厂位于青海湟中县境内，本期新建2台350 MW容量的超临界空冷供热机组，并保留扩建余地。

1.2 岩土工程条件

黄土状粉土场地内普遍分布，具大孔隙，垂直节理发育，土质均匀，层厚1.85 m～15.50 m，①黄土状粉土具有自重湿陷性，黄土的湿陷程度为中等～强烈，黄土地基的湿陷等级为中等～严重，在场地内普遍分布。黄土状粉土的平均湿陷起始压力105 kPa。最大湿陷深度和最大自重湿陷深度均至该层层底。拟建主厂房地段的典型工程地质剖面如图1所示。

主厂房地段的建筑物基础埋深4.0 m～7.0 m,根据图1所示地层剖面，基底以下内剩余黄土状粉土层的厚度约3.5 m～6.0 m，因此本工程主厂房地段拟采用将基底以下黄土层全部换填的方案进行地基处理，处理深度至卵石层顶。处理后基底以下黄土状土已全部挖除，可不考虑强透水材料对黄土地层的不利影响。

2 原体试验方案

2.1 方案设计

原体试验的换填材料计划采用天然级配砂卵石，使用振动压路机进行振动碾压，单层虚铺厚度400 mm、分十层进行换填；通过最优碾压遍数试验确定适宜碾压遍数；处理后的地基承载力特征值等参数通过平板载荷试验确定；通过以上试验，对拟建工程地基处理的施工工艺、施工参数及施工检测方案提出建议。

2.2 碾压设备

考虑到本次换填虚铺厚度所需压实能，本次原体试验采用碾压设备为YZ18JC型振动压路机，工作质量为18 t，振动轮静线载荷390 N/cm，振动行驶速度2.86 km/h，激振力330 kN，振动频率28 Hz，额定功率115 kW，振动轮直径1 523 mm，振动轮宽度2 178 mm。

2.3 试验流程

根据现场条件，经分析，试验流程设计如下：

1)调查料源，取样分析测试天然级配砂卵石料是否满足要求；

2)进行换填垫层最优碾压遍数试验；

3)确定压实控制参数；

4)原体试验换填垫层碾压施工；

5)利用原位密度试验和平板载荷试验对试验结果进行测试检测。

3 试验过程及分析

3.1 换填材料

通过对项目周边65 km范围内天然级配砂卵石料源进行调查，选择了A甘河滩料源区、B通海料源区、C互助料源区三处料源区，分别距工程场地约30 km,15 km,65 km，其中甘A,B料源区均为古河道干料场，C料源区为有水河道湿料场，分别在上述料源区选取代表性试样进行了易溶盐含量试验及颗粒分析试验。

根据表1中分析结果，可以看到A料源区三组试样级配良好(Cu>5且Cc=1～3)，含粘性土量、含盐量均满足要求。B料源区四组试样含粘性土量、含盐量均满足要求，其中一组级配良好，其余三组均级配不良。C料源区目前为有水河道，可不取样检测含盐量，两组试样级配良好，含粘性土量均满足要求。根据换填材料调查及试验结果，本次原体试验采用A料源区的天然级配砂卵石作为换填材料。

3.2 最优碾压遍数试验

试验面积为2 m×25 m，位于原体试验区东侧地带。虚铺400 mm厚度的砂卵石垫层，静压2遍、再振动碾压12遍；然后再虚铺400 mm厚度垫层，静压2遍，在振动碾压4遍,6遍,8遍,10遍,12遍,14遍时分别进行3组原位密度试验，确定最佳的碾压遍数。试验结果见图2。

根据图2曲线，垫层经过振动碾压10遍后，密度增加速率放缓，考虑到后续实际施工时碾压效率和经济型，初步确定本次原体试验的碾压工艺为：1)静压2遍；2)振动碾压10遍；3)静压2遍，最终碾压遍数应以满足压实系数要求为准。

3.3 压实控制参数

取换填材料1组进行重型击实试验，根据试验结果，天然级配砂卵石ρdmax(最大干密度)为2.38 g/cm3，wopt(最优含水率)为4.61%。

本次碾压试验换填垫层共10层，根据试验结果，碾压后垫层的密度指标见表1。

表1 碾压后垫层密度指标统计表

由表1统计结果可见，压实后每层平均干密度值2.39 g/cm3～2.50 g/cm3，大于室内重型击实试验测得的最大干密度(2.38 g/cm3)，原因为现场压路机振动碾压压实能大于室内击实试验击实能，同时，室内试验试料中粒径大于60 mm粗骨料经过了人为筛除。

基于以上分析，本次原体试验施工控制最大干密度采用2.46 g/cm3，压实系数不小于0.97。

3.4 施工过程控制参数

本试验施工过程控制参数如下：

1)依据进场后换填材料颗粒分析试验结果，试验材料控制参数见表2。

2)垫层单层虚铺厚度为400 mm，共铺设10层，垫层总厚度压实后不低于3 m；每层静压2遍后振动碾压10遍，再静压2遍。

3)实际碾压施工单层虚铺厚度380 mm～430 mm，各层压实后厚度为355 mm～405 mm，垫层总虚铺厚度为4 095 mm，压实总厚度为3 808 mm(见附件7)，平均层厚压实率为0.93。

4)垫层施工期间每层均进行了灌砂法原位密度试验。

表2 原体试验换填材料控制参数一览表

4 原体试验检测

4.1 原位密度试验

为测定换填垫层干密度，计算压实系数，对施工碾压质量进行过程控制，进行了原位密度试验：在试验地点，选取直径200 mm平整垫层区，按GB/T 50123—1999土工试验方法标准第5.4节“灌砂法”要求进行现场试验。自第一层开始每层布置3个测试点现场测定其湿密度，并取样测试其含水率。

依据原位密度试验结果，垫层干密度平均值为2.39 g/cm3～2.50 g/cm3，最大干密度取2.46 g/cm3，容易得出每层压实系数为0.97～1.02，试验结果满足施工控制参数要求。

4.2 平板载荷试验

本次在试验区共布置3个平板载荷试验点以换填地基承载力特征值、变形模量、基准基床系数，反力采用混凝土配重块提供，采用圆形承压板。

本次载荷试验1号、3号点最大荷载2 400 kPa，2号点最大荷载2 000 kPa，累计沉降量9.21 mm～13.38 mm，均达到了极限状态；当2号点加载到1 400 kPa，1号、3号两点加载至1 440 kPa时，曲线出现明显拐点。

依据《工程地质手册》(第5版)计算变形模量及基床系数，载荷试验成果表见表3。

表3 平板载荷试验统计表

5 结语

本文通过对青海西宁电厂湿陷性黄土场地的换填垫层地基处理进行原体试验，验证了地基处理方案的效果和施工工艺，研究结果表明：

1)采用天然级配的砂卵石对基底下全部黄土层进行换填处理的方案可以作为本工程的地基处理方案。

2)本试验采用A料源区天然级配砂卵石，材料各项参数均满足规范要求。

3)天然级配砂卵石的单层虚铺厚度400 mm时，本次试验使用设备最优振动碾压遍数为10遍。

4)本试验换填材料的最大干密度ρdmax为2.46 g/cm3，最优含水率wopt为4.61%，压实系数不小于0.97。

5)处理后地基承载力特征值建议按600 kPa考虑，变形模量80 MPa，基床系数为4.58×105kN/m3。