高填方压实黄土工程特性研究_杨俊.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 055高填方压实黄土工程特性研究杨俊，何小亮，严耿升，孙星(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)摘要以陕北某高填方黄土地基为研究对象，通过对取土场地及振动压实后填方场地开展的室内土工试验和原位测试研究，分析了填筑前后低含水率、强结构性的湿陷性粉土物理力学性质的变化，探讨了振动压实对黄土工程特性的影响及存在的问题，并对参数相关性进行了分析，最后进行了填筑效果评价并提出建议。研究结果显示，振动压实黄土密实度有较大提升，但无法消除场地的湿陷性，且抗变形能力变弱，不建议单独使用振动压实进行黄土回填。黄土特性与土体结构关系密切，振动压实后相关性变差。施工时应严控含水率，高填方黄土地基可以采用振动碾压与强夯相结合的回填方式。关键词高填方地基;湿陷性黄土;物理力学特性;地基处理中图分类号P642 13+1文献标识码A文章编号1004 1184(2023)03 0161 04收稿日期2022 08 19作者简介杨俊(1989 )，男，甘肃定西人，工程师，主要从事岩土工程勘察方面的研究工作。Study on engineering characteristics of high fill compacted loessYANGJun，HE Xiao liang，YAN Geng sheng，SUNXing(CEC Northwest Survey and Design esearch Institute Ltd，Xian，Shaanxi 710065)Abstract:A high fill in northern shaanxi loess foundation as the background，through the soil field and vibration compac-tion after fill the field to carry out a large number of indoor geotechnical tests and in situ test research，analyzes the low mois-ture content before and after the embankment silt，strong structural soil changes in physical and mechanical properties，this pa-per discusses the vibration compaction effect on engineering properties of loess and the existing problems，and studied the cor-relation parameters，Finally，the effect of filling is evaluated and some suggestions are put forward The following conclusionsare drawn，vibration compaction has greatly improved the density of loess，but it cannot eliminate the collapsibility of the siteand weaken the anti deformation ability Therefore，it is not recommended to use vibration compaction alone for loess back-filling and Loess characteristics are closely related to soil structure，and the correlation becomes worse after vibration compac-tion Water content should be strictly controlled during construction Backfill method combining vibration rolling and dynamiccompaction can be used for high fill loess foundationKey words:High fill foundation;Collapsible loess;Physical and mechanical properties;Foundation treatment0引言黄土高原地区，沟壑纵横，适宜建设的土地稀缺，严重制约了城市的发展1。随着城市建设规模的不断扩张，实施“削山填沟，平山造地”工程2，已然成为城市发展的必然结果3。此举虽然保障了城市发展所需土地，缓解了老城区发展用地的紧张，但是也形成了大量的高填方黄土地基。学者们对高填方地基进行了大量研究4 8，并通过室内重塑样对高填方黄土地基进行了全面的分析9 12，但是由于填筑压实土形成过程和制样方法与室内制备压实土有较大区别，在强度、变形和结构等方面也有一定差异13，再加之黄土特殊的湿陷性问题，使得高填方压实黄土工程特性的研究意义重大，已然成为一项具有重要理论与工程应用价值的研究工作。本文以陕北某高填方黄土地基为研究对象，通过对取土场地及振动压实后填方场地开展大量的室内土工试验和原位测试研究，分析了填筑前后低含水率、强结构性的湿陷性粉土物理力学性质的变化，探讨了振动压实对黄土工程特性的影响及存在的问题，并对参数相关性进行了研究，最后进行了填筑效果评价并提出建议，可以为后续高填方黄土地基的施工提供参考依据，同时，也对建立黄土沟壑区建设工程岩土技术体系，具有重大的理论意义和实用价值。1研究区及地质概况1 1研究区概况研究区位于榆林市南部，为了城镇化建设开发，拟将区内部分山头进行挖方处理，并就地填方在沟壑内。土方填筑采用分层振动碾压回填，土质主要为低含水率、强结构性、中压缩性的湿陷性粉土。碾压采用 32 t 振动压路机，初压静压2 遍，复压为振动压实 7 遍，终压静压 1 遍，分层虚铺厚度为33 cm，厚度偏差控制在 5 0 cm 范围内，填料含水量控制在最佳含水量 2%内，填挖交接及接坡处采用强夯处理。1 2地形地貌研究区位于华北地台西南边陲的北部，属陕甘宁盆地，1612023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3陇东 陕北 晋西地区黄土高原的西北边缘地带。地貌类型为黄土高原丘陵沟壑地貌，属于深层黄土覆盖的丘陵沟壑地貌。丘陵起伏，峁多梁少，坡陡沟深，沟壑发育，植被稀少，侵蚀严重，地形破碎复杂。1 3地层岩性研究区主要地层按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质可分为如下几层:层，素填土(Q4ml)，以粉土为主，具湿陷性，密实度较差，土质不均。层，中更新统风积黄土(Q2eol+el)，粉土为主，黄褐色，稍湿，结构中密 密实，孔隙相对较小，含少量白色菌丝、钙质结核和钙膜，具垂直节理，局部夹粉质黏土。层，三叠系(T)，砂岩及薄层泥岩，岩性主要为黄绿、灰绿砂岩、泥岩。1 4水文地质特征研究区属黄土高原梁峁地区，该地区降雨量稀少，地下水匮乏，依赋存条件、水力特征可将地下水划分为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两大类。松散岩类孔隙水主要赋存在基岩上部的砂砾石中，基岩裂隙水主要赋存在三叠系砂岩强风化带裂隙中，排泄方式为向相邻沟谷排泄。地下水的补给类型主要有大气降水入渗和地下径流侧向补给。2填筑对黄土特性的影响研究区内原状黄土湿陷深度基本在 24 m 内，且最大填筑高度亦为 24 m，故本次研究范围主要为 24 m 深度内。2 1对基本物理参数的影响由图 1 图 4 及表 1 表 2 可知，原状土沉积特征明显，随深度增加密实度增大，压实后黄土在压实及自重固结作用下，亦表现出相同的规律，整体上呈现随深度增加，天然密度、干密度增大，孔隙比减小的特征。同时，图 1 图 4 及表 1 表 2 显示填筑后天然密度及含水率波动较大，造成此现象的原因主要是填筑土含水率仅为 7 5%，远小于最优含水率，填筑过程中进行了增湿，但加水量不均。压实黄土的天然密度、干密度整体上均大于原状土的天然密度、干密度，平均增长率分别为 20 5%、13 3%，孔隙比小于原状土孔隙比，平均减小率 21 8%。其主要原因为填筑压实过程中，原始土体结构破坏，土体颗粒重新排列，土体密实度提高，压实效果较明显。表 1基本物理参数统计表g/cm3统计项天然密度干密度原状土填筑压实后原状土填筑压实后统计数46394639最小值1 311 431 241 30最大值1 812 061 591 70平均值1 461 761 351 53标准差0 110 180 070 09变异系数0 080 100 050 06平均变化率/%20 513 3由表 3 计算得到压实黄土压实系数依据轻型击实试验为 0 89，未 达 到建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范(GB50007 2011)要求，压实度控制较差，填筑效果不理想，还需应采用其他处理措施。总体来看，压实黄土密实度随深度增加而增大，且较之原状土，密实度提高明显。但是填筑时加水量不均，压实度偏低，这与填筑过程质量控制有很大的关系，填筑效果不理想。表 2基本物理参数统计表统计项孔隙比含水率/%原状土填筑压实后原状土填筑压实后统计数46394639最小值0 7050 5864 24 7最大值1 1801 07714 123 3平均值0 9960 7797 314 6标准差0 110 112 976 15变异系数0 110 140 410 42平均变化率/%21 8100表 3击实试验参数统计表统计项轻型击实试验重型击实试验最优含水率/%最大干密度/g/cm3最优含水率/%最大干密度/g/cm3统计数121277最小值14 81 7111 21 87最大值16 41 7412 41 90平均值15 91 7211 81 88标准差0 490 010 370 01变异系数0 030 010 030 01图 1天然密度随深度变化图图 2干密度随深度变化图图 3孔隙比随深度变化图图 4含水率随深度变化图2 2对湿陷性的影响由图 5 及表 4 可知，湿陷系数表现为随深度的明显减小，压实黄土湿陷系数整体上小于原状土的湿陷系数，平均减小261第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月率为 45 9%，碾压对湿陷性有抑制作用明显。由图 6 及表 4可知，压实黄土自重湿陷系数在表层大于原状土的自重湿陷系数，随着深度的增加，压实黄土自重湿陷系数逐渐小于原状土的自重湿陷系数，平均减小率为 18 8%。根据湿陷性黄土地区建筑标准(GB50025 2018)进行取土场地及填筑压实后场地湿陷性的评价。自重湿陷量计算自天然地面算起，自重湿陷系数小于 0 015 的土层不累计，湿陷量计算按基础埋深未知考虑，自 1 5m 起算，湿陷系数小于 0 015 的土层不累计，湿陷性评价见表 5。图 5湿陷系数随深度变化图图 6自重湿陷系数随深度变化图表 4湿陷性参数统计表统计项湿陷系数自重湿陷系数原状土填筑压实后原状土填筑压实后统计数46394639最小值0 0020 0010 0020 001最大值0 0880 0640 0470 048平均值0 0370 0200 0160 013标准差0 020 020 010 01变异系数0 621 130 640 98平均变化率/%45 9 18 8表 5湿陷性评价表场地自重湿陷量计算值/mm湿陷量计算值/mm湿陷等级原状 1452 41091 9(很严重)原状 2182 4818 9(严重)回填 1172 8270 0(中等)回填 2187 2489 0(中等)依据计算结果，填筑压实前后自重湿陷量计算值zs 均大于 70 mm，为自重湿陷性场地。取土场地湿陷等级为(严重)(很严重)级，湿陷深度为 21 5 m，填筑压实后场地湿陷等级降为(中等)级，湿陷深度减小为 11 5 m。结果表明，填筑压实后湿陷性显著降低，湿陷深度明显减小，场地湿陷等级亦有所降低，但仍然存在较大的湿陷深度以及较强的湿陷性，振动压实无法消除场地的湿陷性，工程场地还需考虑湿陷性的影响。2 3对压缩性的影响由图 7、图 8 及表 6 可知，填筑前后压缩性随深度的变化不明显，压实黄土压缩系数(a1 2)除表层外整体上大于原状土的压缩系数，压缩系数平均增长率达到 112 5%，增长显著，而压缩模量(Es1 2)明显减小，平均减小率为 63 6%。由上述试验结果可知，填筑后抗变形能力反而降低，这与填筑压实过程中，土体颗粒重新排列，土体密实度提高，孔隙比减小的结果不符，主要原因一方面为该区域黄土以粉土为主，结构性较强，填筑过程中土体骨架破坏引起土体结构性损坏，抵抗变形能力大幅降低，降低程度超过了孔隙减小引起抵抗变形能力提高的程度，另一方面为在填筑过程中进行了增湿，土体含水率增大，进一步降低了土体的结构性和抵抗变形的能力。总之，压实黄土抵抗变形能力降低，加之填筑土体较高，随着加载及自重固结，场地会存在长期且较大的工后沉降。图 7压缩系数随深度变化图图 8压缩模量随深度变化图表 6压缩性参数统计表统计项压缩系数 a1 2/MPa 1压缩模量 Es1 2/MPa原状土填筑压实后原状土填筑压实后统计数46394639最小值0 060 112 912 90最大值0 750 7133 1215 60平均值0 160 3417 276 28标准差0 150 146 582 63变异系数0 920 430 380 42平均变化率/%112 5 63 62 4对抗剪强度的影响图 9粘聚力随深度变化图图 10内摩擦角随深度变化图表 7抗剪强度参数统计表统计项粘聚力/kPa内摩擦角/原状土填筑压实后原状土填筑压实后统计数32393239最小值10 012 024 420 9最大值31 037 029 028 8平均值20 023 326 624 8标准差5 516 181 231 62变异系数0 280 260 050 07平均变化率/%16 5 6 8361第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月由图 9、图 10 及表 7 可知，压实黄土粘聚力整体上大于原状土的粘聚力，平均增长率 16 5%，而内摩擦角有所降低，平均减小率为 6 8%，沿深度的变化不明显，但波动较大。其主要原因为原状土为低含水率、强结构性的粉土，在填筑压实过程中，土体孔隙减小，密实度增加，再加之含水率的增大，使得土颗粒粘结更为紧密，粘聚力增大，而土体骨架的破坏，使得内摩擦角有所降低。总体来说，填筑压实后低含水率、强结构性的湿陷性粉土，其粘聚力会有一定提高，但内摩擦角有所下降。2 5标准贯入试验图 11原始标贯击数随深度变化图表 8原始标贯击数统计表统计项原状土(击)填筑压实后(击)统计数4642最小值413最大值3936平均值22 626 1标准差9 495 00变异系数0 420 19平均变化率/%15 2由图 11 及表 8 可知，压实黄土原始标贯击数上部大于原状土击数，但随着深度的增加，逐渐小于原状土击数，整体上击数有所增加，平均增长率 15 2%。原状土原始标贯击数随深度增加而增大的趋势明显，而压实黄土原始标贯击数随深度变化不明显，且存在小幅波动。主要原因为原状土结构性较强，在长期固结作用下其强度随着深度增加而增大，而填筑采用分层压实，且固结时间短，所以随深度变化不明显，但整体击数有所提高。存在小幅波动的原因为击数与土体密实度、含水率、结构性均有关，填筑的不均匀，将会直接影响击数的变化。总体上压实黄土原始标贯击数增大，但随深度变化不明显，且存在波动，证明填筑不均匀，填筑效果不理想。3参数相关性分析经过数据分析，孔隙比、干密度与湿陷系数的相关性较高，其他参数与湿陷系数的相关性较差，数据离散性较大，本次研究仅就孔隙比、干密度与湿陷系数的相关性进行分析。由图 12、图 13 及表 9、表 10 可知，原状土孔隙比、干密度与湿陷系数关系紧密，随着孔隙比增大、干密度减小，湿陷系数增加的趋势显著，而压实黄土数据相对较为分散，孔隙比、干密度与湿陷系数的相关性较差，拟合曲线的斜率也均小于原状土，主要原因是填筑破坏了原状土的结构性，且填筑的不均匀导致。结果表明，黄土湿陷性与土体结构关系密切，湿陷系数与孔隙比成正比，与干密度成反比，填筑后随着土体原始结构的破坏，其相关性变差。图 12孔隙比与湿陷系数关系图图 13干密度与湿陷系数关系图表 9孔隙比与湿陷系数关系拟合表参数原状填筑后方差0 007 9760 011 27确定系数0 665 90 408 5标准差0 013 460 017 45曲线拟合s=0 176 8 e 0 139 5s=0 133 4 e 0 084 33表 10干密度与湿陷系数关系拟合表参数原状填筑后方差0 008 6870 011 79确定系数0 6360 381标准差0 014 050 017 85曲线拟合s=0 247 6 d+0 3721s=0 154 9 d+0 256 54填筑效果评价及建议基于以上分析，填筑压实后黄土土体密实度提高，粘聚力增大，内摩擦角降低，原始标贯击数增大，但各项参数均存在一定的波动，压实度偏低，湿陷性亦未消除，且抗变形能力变弱。说明单单采用分层碾压进行高填方黄土地基的填筑，虽然造价低，速度快，可以提高土体密实度，但是工后沉降大，地基均匀性较差，填筑效果不理想，很难保证压实黄土地基的稳定性，应结合其他处理措施。同时，碾压时含水率的控制对填筑后土体各项参数的影响很大，直接影响压实系数，施工时应严格控制含水率。考虑到强夯可以消除黄土的湿陷性，提高土体抗变形能力，建议可以采用振动碾压与强夯相结合的回填方式，造价相对经济，可以达到优势互补，提高高填方黄土地基的稳定性。5结语(1)对于低含水率、强结构性的湿陷性粉土，填筑过程中，振动碾压使其密实度有较大提升，原始标贯击数增大，粘聚力提高，但内摩擦角降低，抵抗变形的能力亦有所下降，场地会存在长期且较大的工后沉降。(2)压实黄土湿陷性显著降低，湿陷深度明显减小，场地湿陷等级亦有所降低，但仍然存在较强的湿陷性，振动压实无法消除场地的湿陷性。(下转第 169 页)461第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月况，发现渗漏及时修补处理。(6)加强施工管理，防治施工用水渗入地基。(7)对机场道面未来新建、扩建工程的建议:1)优化设计方案、施工工法和工艺，重要部位优选填料，严控填料含水量和施工质量，进一步消除地基土的湿陷性，并确保地基的压实度和均匀性。2)设置防冻层和隔断层，防冻层厚度+结构层+混凝土面层总厚度应大于标准冻结深度，隔断材料建议优选“两工一膜”，即双层土工布+防渗膜。(8)合理安排施工工期，加强检测与监测，使检测与监测数据客观反映地基真实情况，为设计、施工和维护提供客观依据。(9)工程实践表明，上述防控措施可有效降低道面因地基压实度不足、压实不均、地表水入渗、冻融、湿陷等不良作用造成道面病害的风险，进而提高工程建设质量，减少后期维护费用，并可为类似工程提供参考。6结语(1)系统调查和研究得出，道面病害均发育于填方区，并沿各期扩建的搭接区域强烈发育，呈现出填方高度越大，建设年代越久，面积越大，离航站区越近则病害发生类型越多、频率越高、规模越大的特征。(2)道病害的形成和发展具有比较典型的“时间效应”、“尺度效应”、“温度效应”和“关联效应”特征。(3)温度场变化、时间累计作用引起的“锅盖效应”可能是道面病害形成的最初来源。(4)地基土湿陷、冻融、压实度不足、压实不均是道面病害形成的内因，温度场变化、接缝老化、破损、地表水入渗是道面病害形成的外因，道面病害是内因和外因共同作用的结果。(5)实践证明，根据病害类型、特征、发育程度，采用灌浆、旋喷桩、设置防冻层、隔断层是治理和预防该类病害的有效措施，可为后期改扩建和类似工程的建设、病害防治、运营维护提供参考。(6)西北干寒地区机场病害易发，给机场的建设、运营和维护带来诸多困难，建议应从查明病害成因、优化设计方案、加强施工过程控制和运营维护管理等方面入手，提高工程建设质量，降低工程病害风险，确保机场的正常运营和长久使用。参考文献 1董军，杨祺 高寒地区机场道面病害及温度场影响因素分析J 路基工程 2010(05):220 222 2闫勇刚，刘文录 西北戈壁滩机场水泥混凝土道面病害与对策研究J 甘肃科技纵横 2010 39(03):151 154 3吴晓，黄曙清，杨炳会 戈壁滩地区机场道面常见病害分析与对策J 机场工程 2006(4)4杨雄辉，于伯毅，陈海明 盐渍土对机场危害的分析及处理措施J 路基工程 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