某机场湿陷性黄土高填方地基振动碾压试验分析

牛得草

（中国人民解放军95538 部队,四川 成都 611436）

0 引言

湿陷性黄土的沉降问题一直是困扰工程技术人员的世界性难题，特别是湿陷性黄土高填方的沉降和不均匀沉降往往成为影响工程成败的关键因素[1]。对于此类工程，如果填方土体的湿陷性处理不到位，往往会导致场地施工完成后发生沉降以及不均匀沉降过大而危及主体工程的安全。

某西北黄土高原机场，场址区域位于黄土沟壑地带，地形地质条件复杂。前期勘察发现该区域黄土为自重湿陷黄土，湿陷等级为Ⅱ～Ⅳ级，地基存在严重湿陷风险（Ⅲ级）。工程为高填土石方工程，最大填方高度超过100 m，填料为场区湿陷性黄土。飞行区内最大填方高度达120 m，填筑料体为自重湿陷性黄土。填筑体的沉降和不均匀沉降是工程面临的首要问题，黄土遇水湿陷的特征致使该工程地基处理面临着消除其湿陷性、提高地基的压缩模量和地基承载力等重要问题。同时，受场地所限，飞行区北端填方放坡坡脚处有高速公路、铁路等重要构筑物，需要加大坡度以避免影响坡下构筑物，而陡边坡的高度近120 m，如此高的黄土填土边坡处理问题在国内外极为罕见，既没有成熟的技术作支持，也无成功的经验可借鉴。因此选择和确定合理的地基处理、填筑方案及质量控制体系成为亟待解决的工程技术问题。

目前，高填方场地施工中常用的压实方法包括：静力碾压法、强夯法和振动碾压法。振动碾压法以其施工设备简单、工艺成熟、施工效率高的优点，在公路、机场、水利等工程领域都得到了广泛的应用[2-7]。但利用该方法处理湿陷性黄土高填方工程尚无成熟的经验可供借鉴，因而需要在工程施工前进行相关的试验，以确定相关施工技术参数，并提出相应的技术控制标准。

1 试验设计

1.1 碾压试验

碾压试验分别使用激振力为30 t、40 t、50 t 的拖式羊角碾，针对虚铺厚度为30 cm、40 cm、50 cm 的不同工况，进行不同碾压遍数（2、4、6、8）的压实，检测填筑体的沉降量和压实度变化情况，其试验工况设计如表1 所示。

表1 试验工况设计

碾压试验施工工序：清理场地—测量标高—碾压实施—检测压实度和沉降量—场地平整—标高复测—施工验收—进入下一工序。

试验过程：

压实试验前，对填料土进行室内试验，测得填料土的自然含水率、最佳含水率和最大干密度分别为12.1%，12.2%，1.85 g/cm3。

碾压过程中每碾压2 遍，分别取2 个测点计算填铺层的沉降量和压实度（虚铺厚度为50 cm 时分上下两层分别取2 个测点计算其压实度）。

1.2 载荷试验

湿陷性黄土碾压试验施工完成后，在压实度达到95%区域随机选取一点，进行平板荷载试验。采用面积为0.5 m2的圆形钢制承载板（直径800 mm）进行相对稳定试验，每级加载40 kPa，加载至360 kPa，测得各试验小区的p-s曲线，以确定其地基承载力特征值和变形模量。

1.3 浸水载荷试验

为了检测碾压法处理后地基土体湿陷性消除情况，取一点进行现场浸水载荷试验。载荷试验所用承载板为0.5 m2的圆形钢制承载板（直径800 mm），釆用稳定法进行试验，0～200 kPa 每级加载40 kPa，加载至200 kPa，观测沉降，待稳定后再浸水，继续观测加载200 kPa 填筑体浸水湿陷沉降直至沉降稳定。

2 结果分析

2.1 激振力的影响分析

虚铺厚度为30 cm 时，采用不同激振力的试验数据如表2 所示；不同激振力工况下，填筑体的压实度随压实遍数的变化情况如图1 所示。

图1 不同激振力对压实效果的影响

表2 不同激振力下的试验数据

由图1 可知：激振力为30 t 时，碾压8 遍后总沉降量为5.45 cm，碾压6 遍即可达到90%的压实度；激振力为40 t 时，碾压8 遍后总沉降量为6.50 cm，压实度在碾压4 遍后即可达到90%，6 遍已接近95%，压实效果显著；激振力为50 t 时，碾压8 遍后总沉降量仅为5.90 cm，相比于激振力为40 t 时，压实度不仅没有增长，反而略有下降。现场观测发现填筑体表面10 cm 左右被振酥冲散，呈粉末状，不利于各层填筑体的密实结合。虽然去除表层松散填筑土样后测得下层压实度碾压8 遍可以达到95%，但该参数显然不适合填筑体压实处理。分析其原因在于虚铺黄土过薄、碾压能级过高，使得表层土体被振酥冲散，失去其原有结构性，类似于超固结土的剪胀效应。

试验结果表明，虚铺层厚度为30 cm，激振力为40 t，可以使得压实效果和施工效率达到较好的平衡；此参数组合下，压实6 遍即可获得较为理想的压实效果。

2.2 虚铺厚度的影响分析

激振力为50 t 时，不同虚铺厚度下的试验数据如表3 所示；不同虚铺厚度下，填筑体的压实度随压实遍数的变化情况如图2 所示。

图2 不同虚铺厚度对压实效果的影响

表3 不同虚铺厚度下的试验数据

由图2 可知：相同的激振力作用下（50 t），压实遍数相同时不同虚铺厚度（30 cm、40 cm、50 cm）的压实度十分接近，且随着压实遍数的增加差距进一步减小；压实4 遍后不同虚铺厚度的填筑体的压实度均可达到90%以上，压实8 遍后基本可达到95%，在但虚铺厚度为50 cm 时，填筑体下层的压实度达不到95%。分析其原因在于虚铺厚度过厚使得振动压实能难以传递到填筑体的下层。在50 t 激振力作用下，虚铺厚度40 cm 时，压实6 遍即可达到较为理想的压实效果（压实度接近95%），是较为合理的施工组合。

试验结果表明，激振力为50 t 时，最佳虚铺厚度为40 cm，最佳压实遍数为6 遍；此时既能最大限度的发挥压实机械的压实效果，又能使得填筑体达到较好的压实效果。

2.3 载荷试验

碾压后各试验小区载荷试验结果如图3 所示。

图3 碾压后各试验小区载荷试验结果

由图3 可知：各试验小区内，当加载量达到360 kPa时，载荷试验p-s曲线没有出现明显的拐点或突然下降，即地基没有破坏，可以确定地基承载力特征值均为200 kPa。

p-s曲线在200 kPa 时的累计沉降量、变形模量如表4 所示。

表4 200 kPa 时载荷试验结果

由表4 数据可知：同一虚铺层厚度（30 cm）下，随着激振力的增加，p-s曲线在200 kPa 时的累计沉降量先减小后增大，变形模量先增加后减小，表明碾虚铺层厚度为30 cm 时，激振力为40 t 可以获得最佳的碾压效果。同一激振力（50 t）作用下，随着虚铺层厚度的增加，p-s曲线在200 kPa 时的累计沉降量先减小后增大，变形模量先增加后减小，表明激振力为50 t 时，虚铺层厚度为40 cm 可以获得最佳的碾压效果。

2.4 浸水载荷试验

碾压后各试验小区浸水荷载试验结果如图4 所示，加载至200 kPa 后浸水至湿陷稳定时的附加湿陷变形如表5 所示。

图4 碾压后各试验小区浸水载荷试验结果

表5 不同夯击能处理后的附加湿陷变形

由试验数据可知：不同试验工况下，地基土体在200 kPa 压力下浸水后附加湿陷变形量逐渐减小，但都远小于《岩体工程勘察规范》（GB50021—2001）规定的湿陷性土的判定标准，可认为各试验小区的夯击试验已消除地基土体湿陷性。但相比而言虚铺层厚40 cm 激振力为50 t 时，浸水后附加湿陷变形量最小，处理效果最佳，推荐后续施工中按照该参数进行施工。

3 结论

采用振动碾压法进行湿陷性黄土压实时，其激振力应与虚铺厚度相匹配。虚铺层过薄而激振力过大时易将表层土体振酥冲散，形成粉末层，不利于各层填筑体的密实结合，同时也不利于发挥压实机具的最大效率。虚铺层过厚，激振力无法传递到填筑体的下层使得下层的压实效果难以达到施工要求，形成质量隐患。实际工程中宜根据现场试验确定相应的施工参数，以最大限度发挥施工机具的施工效率和理想的施工效果。对于依托工程而言，综合比较压实度、载荷试验以及浸水载荷的试验结果，推荐采用虚铺层厚度40 cm、激振力50 t 每层压实6 遍的参数组合对填方土体进行振动碾压以获得最佳的压实效果。