人工级配碎石换填垫层工艺参数优化

李 志 亮

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

人工级配碎石换填垫层工艺参数优化

李 志 亮

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

针对大型基建工程对换填垫层地基较高的质量要求，结合工程实例，对人工级配碎石换填垫层的级配碎石拌合、单层虚铺厚度、碾压施工工艺、施工质量控制等参数进行了对比优化，并通过动力触探及载荷试验对优化后垫层工程特性进行了检验，优化后的工艺参数可作为后续大型基建工程换填垫层参考。

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近年来，换填垫层法以其料源广泛、工艺简单、工期较短和经济性好的优势，逐步在浅层地基处理中得到广泛应用。本文结合某热电厂主厂房区域换填垫层设计及施工，对人工级配碎石换填垫层碾压施工工艺参数进行了优化设计，并综合多种检测手段对换填垫层碾压效果进行了检验评价。

1 概述

某热电厂场地地层岩性自上至下主要有素填土、杂填土、粉质粘土、砾石层、泥岩、砂岩等；砾石层地基承载力特征值为300 kPa；上覆土层厚度1.80 m～6.00 m，承载力特征值均不大于220 kPa。

设计拟对主厂房等重要建筑物进行换填垫层法地基处理，将上覆土层挖除，以砾石层作为换填垫层下卧层，采用人工级配碎石作为换填材料，换填厚度约1.00 m～4.00 m，人工级配碎石换填垫层承载力特征值要求不小于350 kPa。

2 换填材料

2.1 材料参数要求

根据相关规程规范要求，换填砂石料应满足以下要求：

1)最大粒径不宜大于50 mm；

2)细骨料成分为粗砂或砾砂，不应为粉砂、细砂；骨料成分应为抗风化硬质岩；

3)级配良好，不均匀系数大于5，曲率系数1～3；

4)不应含有耕(植)土、淤泥质土和其他杂物，有机质含量不应大于4%，含盐量不应大于0.5%；

5)粘性土(d≤0.075 mm)含量不应超过5%。

2.2 碎石材料配比优化

据调查，项目周边河道直接挖取的天然级配砂卵石材料匮乏，本次换填垫层需采用级配碎石材料；经对项目周边各碎石料源进行踏勘，各碎石料场生产的碎石均为固定范围粒径，如达到本工程材料参数要求，需对各种粒径原始材料进行配比拌合。

本次在预期供货碎石料场进行三组配比拌合试验，配比试验结果如表1第1，2，3项所示，各项试验配比砾砂含量均偏低，因此在推荐配比时对各项质量百分比进行了调整，调整后级配良好，各项指标满足参数要求。后续施工可以将质量百分比换算为体积比，以便于原材料进场计量。

3 工艺参数优化

换填垫层碾压施工前，为取得最佳虚铺厚度、碾压遍数等工艺参数，并确定最优工艺参数下换填垫层施工效果，选取工程场地一小片区域内进行换填垫层碾压原体试验。

表1 配比拌合试验数据表

3.1 机械设备优化

换填垫层碾压设备常规采用13 t～18 t压路机，为增大设备碾压影响深度及提高碾压效果，本次采用项目当地市场具有一定保有量的20 t重型振动压路机，为后续垫层铺设厚度的选择提供了更大裕度。

碾压机械为徐工XSM220型振动压路机，工作质量为20 t，振动频率28 Hz，额定功率128 kW，静线载荷435 N/cm，工作速度2.63 km/h，激振力350 kN。

3.2 虚铺厚度优化

长期以来，换填垫层法地基处理常规单层虚铺厚度一般选择400 mm，考虑到为后续大面积施工提高效率，减少铺设层数、缩短工期、降低费用，本次在单层虚铺400 mm的同时，选取单层虚铺600 mm作为比对方案。根据上述两种虚铺厚度的过程控制情况及最终检验结果，确定最优虚铺厚度。

3.3 碾压遍数优化

为取得400 mm及600 mm单层虚铺厚度垫层最佳碾压遍数，在试验场地选取面积为3 m×25 m的边缘地带进行换填地基碎石密度试验测试工作，试验方法为：分别在单层虚铺400 mm及600 mm的场地，先将第一层按预定的铺设厚度振动碾压10遍，然后在第二层静压2遍后分别再振动碾压4遍、6遍、8遍、10遍、12遍、14遍后取3点做原位密度检测试验。

根据试验结果显示，碾压遍数与垫层密度的关系曲线如图1所示。

根据关系曲线趋势分析，单层虚铺400 mm厚垫层碾压8遍后密度增加幅度变缓，单层虚铺600 mm厚垫层碾压12遍后密度增加幅度变缓，考虑到现场大面积施工的实际情况，确定本次最优碾压遍数为：

1)单层虚铺400 mm厚垫层采用静压2遍、振动碾压8遍；

2)单层虚铺600 mm厚垫层采用静压2遍、振动碾压12遍。

4 换填碾压试验

根据换填材料优化及工艺参数优化成果，确定换填碾压试验工况为：

1)碾压设备使用徐工XSM220型振动压路机，工作速度2.63 km/h，激振力350 kN，错距30 cm；

2)换填材料按表1推荐配比进行材料拌合、准备；

3)单层虚铺400 mm厚垫层采用静压2遍、振动碾压8遍，总计碾压6层后进行载荷试验检测；

4)单层虚铺600 mm厚垫层采用静压2遍、振动碾压12遍，总计碾压4层后进行载荷试验检测；

5)施工期间地下水位保持在基坑底面以下；全部垫层碾压施工结束后，停止降水，使地下水恢复至初始地下水位。

5 换填垫层检测

本次采用原位密度试验、平板载荷试验及超重型动力触探试验对换填垫层进行过程控制检测及最终效果检测。

5.1 原位密度试验

本试验用以确定换填垫层的干密度，对施工碾压进行施工质量控制；因碎石室内击实试验与现场重型压路机振动碾压工况有较大差异，室内击实试验取得的最大干密度无法准确指导现场施工，因此本次不采用最大干密度及压实系数进行过程控制，直接采用干密度进行过程控制。每个试验区自第二层开始每层布置3个测试点，分别计算两试验区换填垫层干密度，因试验用料较干燥，含水率取0；单层虚铺400 mm、振动碾压8遍场地干密度范围值为2.08 g/cm3～2.40 g/cm3，平均值为2.24 g/cm3；单层虚铺600 mm、振动碾压12遍场地干密度范围值为2.17 g/cm3～2.40 g/cm3，平均值为2.29 g/cm3。

5.2 超重型动力触探试验

本试验用以检测碾压层在水平及垂直方向上密度的变化规律；每个试验场地各布置6个点，试验成果曲线见图2，图3。

从曲线中可以看出，单层虚铺400 mm厚场地超重型动力触探试验测试值在水平方向上的击数较均匀，单层虚铺600 mm厚场地超重型动力触探试验测试值在水平方向上的击数相对较分散；在垂直方向上两个场地的试验击数随深度的增加呈现规则的增减性；同一深度上比，单层虚铺400 mm厚场地击数明显高于单层虚铺600 mm厚场地，两场地表层40 cm以下超重型动力触探击数均不小于5击，属于中密～密实状态，依据经验初步判断，垫层承载力特征值均不低于350 kPa；其中所有试验点40 cm以上击数较低是因垫层表面侧向挤压较小导致。

5.3 平板载荷试验

本试验用以确定换填垫层承载力特征值；每个试验区各布置3个点。采用堆载提供反力，压力源采用油压千斤顶，千斤顶置于试验压板的中心，承压板采用圆形承压板，承压板面积为1.00 m2。

本次未加载至垫层破坏，最大加载量不小于设计承载力特征值期望值的2倍，本次加载至720 kPa；载荷试验p—s代表性曲线见图4，图5，根据试验曲线分析，随着荷载的增加曲线斜率缓慢增大，曲线均无明显拐点，当荷载增加到720 kPa时，曲线未出现陡降段，单层虚铺400 mm厚承压板沉降量范围为4.57 mm～5.45 mm，单层虚铺600 mm厚承压板沉降量范围为6.39 mm～10.51 mm，沉降量均较小。因加载至720 kPa所对应地基承载力特征值已满足设计任务书不小于350 kPa的要求，因此停止加载。根据载荷试验情况，两种工况下换填垫层承载力特征值均不小于350 kPa。

6 参数优化建议

1)两种工况下(单层虚铺厚度400 mm，600 mm)人工级配碎石换填垫层承载力特征值均不小于350 kPa，根据载荷试验p—s曲线分析，特征值按350 kPa设计仍有较大裕量。

2)碎石换填材料可以通过人工配比拌合试验进行级配调整，以取得最优配比，从源头上确保换填垫层的处理效果。

3)换填垫层常规单层虚铺厚度400 mm可以优化调整为400 mm～600 mm，最佳碾压遍数应进行相应调整，最优单层厚度及最佳碾压遍数可以根据总换填厚度、工期要求、经济性比较等进行合理取值。

4)人工级配碎石换填垫层在水平方向上密度是均匀的；对于表层约40 cm深度范围内动力触探击数偏低的问题，上部基础施工完毕后将提供较高的上覆压力，因此可以不考虑此问题对工程的影响。

[1] 山东电力工程咨询院有限公司.华电淄博热电机组扩建工程施工图设计换填地基原体试验报告书[Z].2014.

[2] DL/T 5024—2005，电力工程地基处理技术规程[S].

Optimization of technics & parameters in graded gravel replacement cushion layer

Li Zhiliang

(ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCorp.,Ltd,Jinan250013,China)

As the requirements for replacement cushion foundation are strict in major infrastructure projects, optimization were made on the parameters of mixing, thickness of each layer, technics of rolling compaction and quality control according to project cases. The engineering characteristics of optimized layers were tested by the dynamic penetration test and the load test. The optimized technics and parameters could be used for reference on subsequent major infrastructure projects.

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2015-02-26

李志亮(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)13-0074-03

TU472

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