强夯作用下土石混合体填筑边坡变形与振动特性

曲兆军，高永涛，欧阳振华

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083;2.中国煤炭科学研究总院，北京100013)

0 前言

对于土体与石块的混合体，国内外并没有统一的称呼，在我国的岩土规范［1－3］和《工程地质手册》［4］中，一般称为碎石土。这种材料既不同于一般的均质土体，又不同于一般的碎裂岩体，是一种介于均质土体和碎裂岩体之间的特殊工程材料［5］，具有自身特殊的性质:(1)组成颗粒物理力学性质差异很大，即岩石和土的差异，而土体中只是不同土颗粒之间的差异;(2)结构上既有土颗粒之间的细观结构，又有岩石与土颗粒之间的宏观结构。因此，为了突出其物质组成，将该种物质与土和岩石区分，称之为石土混合料［6］或土石混合体［7］。

土石混合体是一种典型的非连续、非均匀地质体材料，广泛分布于我国的长江三峡库区、青藏高原、攀西地区等。随着改革开放的深入和“西部大开发”战略的实施，大量公路、铁路、机场等交通设施开始兴建。这些地区交通设施的建设必定会遇到大量的填挖方工程，形成大量的土石混合体填筑边坡，这些边坡的稳定性处理与分析方法［8－9］是业界普遍关注的问题之一。土石混合体经碾压、强夯［10］等处理后一般可获得较高的密度、较低的压缩性，在这些地区的交通工程的路基中，可以采用土石混合体作为地基的填筑料。昆明新建机场就有相当一部分跑道是利用土石混合体填筑而成的，本文以昆明新建机场土石混合体填筑边坡为研究对象，通过现场试验和数值分析研究了强夯动力作用对这类边坡的影响，为边坡体构筑设计与施工工艺控制提供了依据，具有重要的现实意义。

1 土石混合体填筑边坡变形与振动测试试验

昆明机场土石混合体填筑边坡较多，选择坡度为1∶2.0，1∶1.6和1∶1.3的3个土石混合体强夯压实填筑边坡进行动力稳定测试试验。强夯采用的夯锤为圆台形铸铁锤，锤底直径2 500 mm，锤体质量170 kN。夯击时夯锤的落距为11.76 m，产生的单击夯击能为2 000 kNm。由于填筑边坡比较高，一次夯实难以取得较好的压实效果，采用分层夯击，第一层虚铺填筑土石混合体2.5～4 m厚，第二层虚铺4.5 m厚。动力稳定性试验是在对第二层土石混合体填筑料强夯时进行的。

试验时每个边坡选取5个强夯点，分别在4个位移测点和4个加速度测点进行相关测试。图1为坡度1∶2.0的边坡测点和夯点的布设示意图。S2.0－2表示坡度1∶2.0的边坡上的第2个位移测点; a2.0－3表示坡度1∶2.0的边坡上的第3个加速度测点，以此类推。在3个边坡中，第1个夯点距边坡坡顶线18.0 m;第5个夯点距边坡坡顶4.0 m，相邻两个夯点之间的距离为3.5 m。

图1 边坡动力稳定试验测点布置示意图

位移测点与振动测点一一对应。第1个位移/加速度测点位于坡顶，第2个和第3个位移/加速度测点位于边坡上，第4个位移/加速度测点位于坡角。在土石混合体填筑体中用混凝土浇注φ=16 mm的钢筋作为位移测点，钢筋出露长度为3～5 cm，钢筋顶端刻“十”字槽;在紧靠位移测点位置设置一个混凝土平台作为振动测点，平台上放置加速度测试仪。以强夯夯锤的夯击作为振动源，采用2 000 kNm夯击能，按距边坡由远及近的顺序进行夯击，每个夯点夯击10次。

2 试验结果及分析

2.1 变形分析

2.1.1 变形观测

变形观测采用全站仪，为使观测结果不受夯击振动影响，全站仪放置在距夯点水平距离30～40 m，后视基准点埋设在距夯点水平距离80～100 m以外，一个相对稳定的不受夯击振动影响的后视基准点。每夯击一次对相应试验边坡段的所有变形/位移观测点测量一次，并进行记录。变形观测分水平向位移与竖向沉降两部分，各试验边坡的地表变形检测成果分别列于表1。在表1中，sh为水平位移;sv为竖向沉降;n分别为1.3，1.6和2.0。由于测试结果显示s1.3－4，s1.6－4，s2.0－3以及s2.0－4的sh和sv均为0，限于篇幅在表1中没有列出。

表1 不同坡度边坡动力稳定试验地表变形统计表 cm

2.1.2 试验结果分析

从表1的地表变形观测成果可以看出:①变形量随距夯点增大迅速减小，变形主要发生在距夯点15 m的范围内，15 m外基本检测不到变形量，水平位移大于竖向沉降;②离边坡较近的两个夯点对边坡的变形影响较大，其余夯点基本对边坡没有变形影响，强夯对边坡的变形影响距离约10 m;③变形主要发生在边坡的中上部，边坡底部基本检测不到变形量，最大变形量发生在坡顶，其水平位移为3.5～5.5 cm，沉降值为1.0～1.5 cm。随夯坑深度的增加，强夯对地表变形的影响越大，说明振源越深对边坡影响越大。

2.2 加速度分析

2.2.1 振动测试系统

试验振动测试系统采用4台用于地震观测的K2型智能数字强震动仪。该仪器由美国Kinematrics公司生产。仪器由加速度拾震器、主机、电源三部一体构成。具有计量准确、动态范围大(120 db)、便于移动的特点。仪器触发带宽0.1～12.5 Hz，采样率100～250 sps，测量范围±2 g。仪器使用可装卸的PCMCCA存储卡，极大地扩展了仪器的记录容量。在软件上，K2采用了的多任务系统设计，可同时执行多个任务。仪器观测时可选择自动或人工触发，以及定时触发与定记录长度等多种方式。

2.2.2 加速度测试

每夯击一次对相应试验边坡段设置的加速度测点进行加速度测试，各测点同时进行垂直向及两个水平向(径向、切向)的振动测试观测。从各测点测得加速度时程曲线，读取各测点的竖向加速度峰值与水平加速度峰值列于表2。表2中，ah为水平加速度峰值;av为竖向加速度峰值;n分别为1.3，1.6和2.0。

表2 不同坡度边坡加速度峰值 ×10－2 m/s2

2.2.3 试验结果分析

以1∶1.3边坡为例，距夯点最近的测点检测到的加速度峰值为:水平向1.21 g，竖向1.64 g;距夯点最远的测点检测到的加速度峰值为:水平向0.16 g，竖向0.08 g;也就是说加速度峰值约在30 m的距离内就由水平向1.21 g、竖向1.64 g衰减到水平向0.16 g、竖向0.08 g，并且竖向加速度较水平向加速度衰减的要快，由此可以预测强夯引起的振动加速度在40～50 m的距离内会衰减到非常小。因此，强夯引起的振动加速度随距夯点的距离增大迅速衰减，其影响范围约为50 m，强夯的振动影响是一种局部的振动影响。从表1～表2的加速度检测数据分析知:随边坡坡度减小加速度在边坡上衰减速度增大，因此，强夯引起的振动对坡度较大的边坡影响较大，对坡度较小的边坡影响较小。

3 数值模拟研究

现场原型试验能够比较客观的反映土体及其构成的坡体在夯击荷载作用下的响应。但是，因为试验条件的限制，不可能监测模型中所有点的加速度及位移、应力等，而只能选择关键点进行测量和监测。因此，这样得到的数据是离散的，只能通过推理才能得到模型整体的运动状态和模式。然而，使用数值方法，可以根据需要安排监测点的数量和位置，对应力、加速度和位移的变化进行记录，而且，可以得到模型的整体运动形式，从而在整体上把握土坡的运动及其内的应力变化。

3.1 数值模型与力学参数

数值模拟研究是基于FLAC计算软件而完成的，计算模型依据现场试验边坡的尺寸而定。为了便于与试验结果比较，更好地分析计算结果且利于监测，确定计算模型的网格数为600×150。计算模型长60m，高度为15m，计算模型的坡度为1∶1.3、1∶1.6和1∶2.0，与试验土坡的坡度相同。土石混合体密度ρ=20.2 kNm－3，内聚力C=0 kPa，内摩擦角φ=45°;硬塑红粘土密度ρ=17.8 kNm－3，内聚力C=55 kPa，内摩擦角φ=10°。

3.2 振动加速度分析

图2给出了坡度1∶2.0边坡的距夯点不同距离处土体中的振动加速度波形，从图2可以看出:

(1)随着离夯点边缘越来越远，土体的加速度振幅急剧减小，且振动频率也与夯击频率差别越来越大;在距离夯点约4 m外，夯击对土体的振动的影响已非常小;超过10 m后，土体振动曲线的特征与夯击荷载曲线特征已完全不同。夯击在竖直方向的影响半径约为4 m。这是因为夯击为高频振动，在土中的衰减非常快。随着离夯点的距离增加，振动产生的加速度波逐渐显出土的特性。在离夯点4 m范围内，土体振动波形频率与夯击频率相同;随着距离的增加，其振动波形的频率与夯击点处的波形差别越来越大，其波形受土的特性的影响越来越明显。

(2)靠近坡面附近的土体加速度振幅很小，这说明夯击不会影响到该处的稳定。坡度不同的土体内各点的振动加速度基本相同，可以认为土坡坡度对夯击产生的土体振动没有影响。

图2 距夯点边缘不同距离处土石混合填筑体中振动加速度波

4 结论

本文采用现场试验和数值模拟研究相结合的方法研究了强夯作用下的土石混合体填筑边坡的变形和振动特性，得出以下结论:

(1)采用全站仪进行的位移观测结果表明:离边坡较近的两个夯点对边坡的变形影响最大，其余夯点基本对边坡没有变形影响，强夯对边坡的变形影响距离约10 m，变形主要发生在边坡的中上部，边坡底部基本检测不到变形量，最大变形量发生在坡顶。

(2)采用K2型智能数字强震动仪进行了强夯过程中的振动观测，发现强夯引起的振动加速度随距夯点的距离增大迅速衰减，其影响范围约为50 m，强夯的振动影响是一种局部的振动影响。强夯引起的振动对坡度较大的边坡影响较大，对坡度较小的边坡影响较小。

(3)数值模拟结果显示:夯击为高频振动，振动产生的加速度在土中衰减非常快，且衰减半径不受土坡坡度的影响。

［1］ 中华人民共和国建设部.CB/T50145—2007土的工程分类标准［S］.北京:中国计划出版社，2007.

［2］ 中华人民共和国地质矿产部.DT—92土工试验规程［S］.北京:地质出版社，1993.

［3］ 中国人民共和国铁道部.TB 10102—2004铁路工程土工试验规程［S］.北京:中国铁道出版社，2004.

［4］ 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1992.

［5］ 廖秋林，李晓，郝钊，等.土石混合体的研究现状及研究展望［J］.工程地质学报，2006，14(6):799－807.

［6］ 蒋彭年.土的分类建议［J］.岩土工程学报，1991(3):1－12.

［7］ Li X，Liao Q L，He JM.In-situ Tests and Stochastic Structural Model of Rock and Soil Aggregate in the Three Gorges ReservoirArea［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(3):494.

［8］ 周亦唐，任志华，费维水，等.公路高边坡的稳定性分析与处理方法［J］.昆明理工大学学报:理工版，2005，30(1): 48－51.

［9］ 刘纪峰，卢明师.含水率对边坡土性及其稳定性的影响［J］.河南科技大学学报:自然科学版，2010，31(3):63－66.

［10］ 杨明.强夯地基机理及其在高速公路中的应用［J］.中外公路，2001，21(4):22－24.