沙漠浅水湖区风积沙公路路基强夯试验研究

何丽平，刘志军，王雪刚，滕超

（中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

中国是一个多沙漠分布的国家，沙漠面积约71.29 万km2，占国土面积的7.4%，主要分布在新疆、内蒙古、青海、甘肃、宁夏及陕西等地。为改善西部地区的基础设施，近年来中国加大了对西部省份的公路、铁路、机场等公共基础设施建设。在公路、铁路等线性工程建设中经常穿越沙漠腹地或沙漠边缘，由于沙漠地区良好的筑路材料相对匮乏，且运距较远，造成筑路成本太大，延缓了沙漠地区公共交通的发展。然而在沙漠地区存在丰富的天然风积沙，这些风积沙如能用在线路工程路基填筑上，将大大节省工程造价，加快西部沙漠地区交通建设的发展。

关于风积沙在工程填筑材料应用方面，中国学者对新疆、内蒙古、陕西等地区风积沙的基本工程特性及地基处理施工工艺进行了研究。许多学者［1-8］通过大量的室内外试验，对沙漠地区风积沙工程特性进行了研究，发现风积沙具有机械组成细、沙粒均匀、级配不良、松散性强、不易压实等特性；还有学者［9-16］对陕西毛素乌沙漠地区、新疆乌准铁路穿越古尔班通古特、榆靖沙漠高速公路、陕蒙沙漠高速公路（半幅）及靖王高速公路（沙漠段）等风积沙路基进行了风积沙振动碾压处理研究，得出其最佳压实含水率、压实频率及施工工艺。

从现有风积沙研究及工程应用来看，目前不少学者对风积沙工程特性进行了研究，并已成功应用在部分公路和铁路上，为风积沙可作为筑路材料提供了一定的理论和现实依据，但目前对风积沙地基处理方法主要集中在风积沙路基振动碾压的浅表层处理，而对风积沙填筑路基的深层或水下地基处理研究目前还较少见。本文结合新疆乌尉高速公路工程台特玛湖（沙漠浅水湖）段风积沙路基，采用强夯法对湖区水下风积沙进行深层处理试验研究，并对不同夯击能下风积沙的夯沉量、隆起量、超静孔隙水压力大小及消散进行监测，分析强夯的加固效果，为沙漠浅水湖区风积沙路基填筑的适宜性提供理论依据，也可为类似工程提供参考。

1 风积沙基本工程特性

在新疆乌尉高速公路工程台特玛湖区里程K328+90～K328+140 选取风积沙试验样品，试验选取风积沙属于塔克拉玛干沙漠风积沙。风积沙试样室内试验按照《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）进行。

1.1 基本物理特性

在风积沙回填之前，对选取的取土场中风积沙进行了大量的颗粒分析试验，发现台特玛湖附近风积沙的颗粒级配基本一致，都属于颗粒均匀的细沙。由于试验区面积有限，试验场地回填的风积沙基本取自同一取土场，风积沙的颗粒级配接近，无需再大量取样进行颗分试验，只在试验区左、中、右3 个部位风积沙回填层的中部取3 组试样进行颗粒分析试验（筛分法），试验结果见表1。

表1 风积沙颗粒分析试验结果

根据试验结果计算风积沙的不均匀系数和曲率系数，结果见表2。

表2 风积沙级配指标计算结果

同时对选取的3 组风积沙样品进行其他基本物理特性试验，结果见表3。

表3 风积沙其他基本物理参数

由表2、3 可知：风积沙不均匀系数小于5，粒径均匀，颗粒级配不良，不易压实，属于不良填筑材料；风积沙在天然状态下含水率为0～1%，含水率极低，主要是由于地处新疆塔克拉玛干沙漠南段，气候干旱少雨造成；天然密度为1.4～1.5 g/cm3；平均渗透系数为3.0×10-3cm/s 左右，渗透性好，有利于超静孔隙水压力的消散。

1.2 击实特性

为研究试验区风积沙的压实性能，在试验区选取1 组风积沙试样（11 种不同含水率）进行击实试验，以确定回填料的最大干密度及最优含水率。由于本试验区只进行了1 组击实试验，而对于同一种填料而言每组试验结果可能会存在一定波动，故本试验组与现场其他区域风积沙的击实试验组进行对比，发现本试验组结果与其他区域试验组结果趋势一致，试验结果波动在可接受的范围内。本试验组击实试验结果见表4。由表4 可知：风积沙最佳含水率约为16%，最大干密度为1.632 g/cm3。

表4 风积沙击实试验结果

1.3 下卧粉砂层渗透性及压实特性

为了解风积沙回填料下卧土层粉砂层在夯击作用下土层的压实特性及超静孔隙水压力的消散能力，从现场取回下卧土层试样进行击实试验及渗透试验。

选取粉砂层试样（5 种不同含水率）进行击实试验，以确定粉砂层的最大干密度以及最优含水率，击实试验结果见表5。

表5 粉砂层击实试验结果

由表5 可知：粉砂层试样的最佳含水率约为11.5%，最大干密度为1.739 g/cm3。粉砂层压实效果较好，较易密实。

根据击实试验结果，分别测试粉砂层在93%、95%、97%共3 种压实度下的平均渗透系数，试验结果见表6。

表6 粉砂层渗透试验平均渗透系数

由表6 可知：粉砂层的平均渗透系数在8.48×10-4～8.82×10-4cm/s 范围，其渗透性能较好，超静孔隙水压力消散较快，但比风积沙的渗透性能差。

2 试验设计

2.1 试验区选取及地层分布

沙漠湖区风积沙路基存在水下回填，同时路基的地基处理深度达5 m，常规分层碾压处理方法无法适用，而风积沙具有散粒结构、孔隙大、透水性强、孔隙水容易消散的工程特点，在强夯冲击荷载作用下压密过程快，超静孔隙水压力消散快，土体容易变得密实，从而提高其强度，故试验区采用强夯法对风积沙水下路基进行深层处理。风积沙的强夯试验区选取在台特玛湖里程为K328+90～K328+140 路段进行。

试验区地层分布上部为风积沙回填层，试验区1平均厚度约3.7 m，试验区2 平均厚度约4.2 m，下部为原地层粉砂层。现场试验区首先采用风积沙回填路基至湖面以上1 m，采用强夯法对地基进行处理，水面1 m 以上采用分层碾压方法回填至路基顶面。此次现场试验主要对水面以下路基（含水面以上0～1 m 的回填层）进行强夯地基处理的研究，水面以下处理深度约5 m，试验段路基结构见图1。

图1 湖区风积沙试验段路基结构示意图

2.2 夯点平面布置及施工参数

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）推荐的强夯有效加固深度与单击夯击能的对应关系来预估强夯试验的夯击能，由于本次试验强夯处理有效加固深度约5 m，故试验采用1 500 kN · m 和2 500 kN · m 两种能量进行试夯，并对其加固效果进行对比分析。根据经验，强夯点间距一般为夯锤直径的1.5～2.5 倍，即3.0～5.0 m，采用3.5 m 和4.5 m两种夯点间距进行试验，分2 个试验区进行，具体施工参数见表7。

表7 各试验区施工参数

（1）点夯夯点布置

夯点均采用正三角形布置，其夯点布置单元图见图2。

图2 试验区夯点正三角形布置单元图（单位：mm）

（2）满夯夯点

完成点夯后，进行一遍满夯，满夯所用锤重15 t，直径2.0 m，满夯的夯击能为1 000 kN · m，每点夯击数为2 击，夯击1 遍，夯点间距按1/4 锤印搭接。

2.3 监测及检测布置及数量

（1）夯沉量及地表隆起量观测

选取A3、B3 观测单击夯沉量，通过观测确定每个强夯点的合理夯击数；在点A3 和B3 距夯坑中心2 m、3 m、4 m、5 m 的位置布置测点测量每击夯坑周边地表隆起。如周边地表隆起量和夯坑体积增量相等，停止夯击，当超静孔隙水压力消散后继续夯击。

（2）孔隙水压力监测

强夯过程中孔压可以反映强夯的处理深度、水平方向影响范围以及土中孔隙水压力的消散情况；在试验区1 夯点A3，试验区2 夯点B3 处分别埋设2组（4 个）孔隙水压力计，各试验区的孔压编号（编号KY1-1：KY 是“孔压”首字母，第一个“1”表示试验区1，第二个“1”表示该试验区第1 个孔压计）、埋设深度及距夯点距离见图3。

图3 孔压计埋设布置图（单位：mm）

（3）地基检测

对强夯后的地基进行重型动力触探试验，以研究其加固前后的效果。每个试验区测试强夯前、后重型动力触探试验点3 个，其中1 个位于夯点中心，1个位于2 个夯点中心连线中点，最后1 个位于3 个夯点几何中心。

3 试验结果分析

3.1 夯沉量及地表隆起量

（1）点夯夯沉量

分 别 选 取1 500 kN · m 能 量 的 夯 点A3、2 500 kN · m 能量的夯点B3 进行单击夯沉量分析，其单点夯沉量与累计夯沉量随击数关系曲线如图4 所示。

图4 单击夯沉量与累计夯沉量随击数变化过程线

由图4 可知：随着夯击数的增加，累计夯沉量逐渐增大，单击夯沉量逐渐减小，至一定夯击数后，累计夯沉量曲线变化平缓。观测结果显示，点夯过程中1 500 kN · m 能量单点夯击数至9 击时满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）规定的最后两击平均 夯 沉 量 不 大 于50 mm 的 收 锤 标 准，2 500 kN · m 能量单点夯击数至8 击时满足最后两击平均夯沉量不大于100 mm 的收锤标准。

在点夯试验点A3、B3 夯击完成后，采用相同能量完成其余夯点的夯击，剩余夯点无需量测每击下的沉降量，只需量测后期夯击快收敛时的夯沉量，直至满足相应的收锤标准，最后统计试验区各夯点满足收锤标准的夯击数，试验区内夯点的夯击数基本处在（8～9）±1 击范围内，可知两种夯击能下夯点最佳夯击数为8～9 击。

（2）点夯地表隆起量

在1 500 kN · m 能 量A3 和2 500 kN · m 能 量B3两点单点夯过程中分别测量每击作用下的地表隆起量，观测点分别距夯点中心2 m、3 m、4 m、5 m，夯点周围隆起量观测结果见图5。图5 中0～1 m 范围所测为每击作用下夯坑的夯沉量，以负值表示，夯坑周边的地表隆起值以正值表示。

图5 距夯点中心不同距离地面隆起量变化过程线

由图5 可知：在1 500 kN ·m 及2 500 kN ·m 夯击能作用下夯点周围地面以下沉为主，地表隆起量小。

3.2 孔隙水压力

在夯点A3、B3 处分别埋设2 组（4 个）孔隙水压力计，分析强夯在深度、水平向影响范围和超静孔隙水压力的消散时间，其布置如图3 所示。每组内各孔隙水压力计测头的埋设见表8。

表8 孔隙水压力计测头埋设情况

强夯加固期间沙漠湖区地下水位几乎无变动，因此在对超静孔隙水压力进行分析时不再考虑地下水位变动的影响。

（1）超静孔隙水压力随夯击数的变化规律

分别取夯击点A3 和B3 的监测结果，绘制超静孔隙水压力随夯击数变化过程线，见图6。

图6 超静孔隙水压力随夯击数变化过程线

由图6 可知：随着夯击数的增加超静孔隙水压力累计上升，初期每击作用下超静孔隙水压力增量较大，后期增量减小至夯点满足收锤标准时超静孔隙水压力的变化过程线呈平缓状态。

（2）超静孔隙水压力在不同能量不同水平距离下变化规律

分别取夯击点A3 和B3 的监测结果，绘制埋深3.0 m 和5.0 m 的孔压计单点夯超静孔隙水压力随时间变化的过程线，由于相邻两夯击时间间隔为3～5 min，施工时保持连续夯击，待夯击完成后开始观测完整的超静孔压消散过程，结果如图7 所示。图中横坐标“相对时间”是指相对于第一次夯击的时间，超静孔隙水压力达到峰值时夯击满足收锤标准，后续曲线为超静孔压的消散过程。

图7 在不同水平向距离下单点夯超静孔隙水压力随时间变化的过程

由图7 可知：从整体上看，两种能量下相同埋深处距夯点中心4.5 m 处超静孔隙水压力比3.5 m 处的大；在相同埋深相同距离处，2 500 kN · m 能量下超静孔隙水压力比1 500 kN · m 能量的大，可知2 500 kN · m 夯 能、4.5 m 夯点间距进行强夯更合理。由超静孔隙水压力消散曲线可知：风积沙回填层及原地质粉砂层的超静孔隙水压力在夯击完成后大部分迅速消散，而后消散缓慢，3 h 后消散超80%，在强夯存在多遍点夯时可连续夯击施工，不需中间等待时间。

（3）超静孔隙水压力在不同能量不同深度下变化规律

分别取夯击点A3 和B3 的监测结果，绘制距夯点中心3.5 m 和4.5 m 处孔压计单点夯超静孔隙水压力随时间变化的过程线，如图8 所示。

图8 在不同深度单点夯超静孔隙水压力随时间变化的过程

由图8 可知：在距夯点3.5 m 和4.5 m 处，两种能量下路基处理有效深度都可达5 m，且埋深3 m 位置超静孔隙水压力比埋深5 m 位置的大，可知上部风积沙加固效应比下部粉砂加固效应更好。

3.3 检测结果

试夯区在夯前、后分别进行了3 组重型动力触探试验检测，以对比强夯加固效果，加固前、后动探击数随着深度变化对比见图9。

图9 试验区加固前、后动探击数随着深度变化图

设计要求处理后路基的重型动探击数不小于6击。由图9 可知：1 500 kN · m 能量、夯点间距3.5 m强夯处理后风积沙动探击数平均值为5.9～6.8 击，下卧层粉砂平均值为7.4～7.9 击，上部回填层风积沙动探击数有部分深度小于6 击，不满足设计要求；而2 500 kN · m 能 量、夯 点 间 距4.5 m 强 夯 处 理 后 风 积沙动探击数平均值为6.7～8.1 击，下卧层粉砂平均值为7.1～8.0 击，两者各测试深度动探击数基本大于6击，能满足设计要求，此强夯施工参数能用于试验区风积沙的加固。同时发现在相同能量及夯点间距强夯后，风积沙加固效果呈现如下规律：夯点中心＞2夯点中心＞3 夯点中心。

4 结论

（1）风积沙属于细沙，颗粒均匀，级配不良，不易压实；天然状态下含水率极低，本身渗透性能好，有利于土体加固时超静孔隙水压力的消散；风积沙最佳含水率约16%，最大干密度约1.63 g/cm3。

（2）风积沙在2 500 kN · m 夯击能下单点最佳夯击数为8～9 击；夯击时夯点周围地面以下沉为主，地表隆起量小，夯击加固有效。

（3）风积沙在2 500 kN · m 夯击能下加固有效深度可达5 m，在深度方向上部加固效应比下部好；水平方向4.5 m 处加固效应比3.5 m 处好。

（4）风积沙及原地层粉砂超静孔隙水压力在夯击完成后消散迅速，3 h 后消散程度超80%，在强夯存在多遍点夯时可连续夯击作业，不需中间等待时间。

（5）在2 500 kN · m 夯击能、夯点间距4.5 m、单点夯击数8 击强夯后，风积沙地基强度能满足设计要求，强夯法适用于沙漠浅水湖区风积沙路基的水下深层处理，风积沙可作为沙漠浅水湖区公路路基的回填料。