強夯法在重慶市戶外變電站地基處理中的應用

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

1 背景

重慶市位于四川盆地東部與盆周山地地貌區，區域地貌形態明顯受地質構造與巖性控制，北有大巴山，南靠大婁山，處于川東弧形褶皺帶與大巴山、大婁山褶皺帶的接合部位，以山地丘陵為主。重慶市郊區變電站多為戶外變電站，選址在相對高差不大的地方，豎向布置設計采用平坡式。目前重慶市戶外變電站廣泛采用人工挖孔灌注樁和鉆孔灌注樁等基礎處理方案，但是大量的變電構架使樁用量過多，導致地基處理不是十分經濟。

利用碎、塊石及爆破開采的巖石碎屑作填料，采用強夯法對戶外變電站進行地基處理，既經濟，又省工、省時，符合因地制宜、就地取材和多快好省的建設原則。但是爆破開采的部分巖石直徑超過1 m，碎屑的粒徑也大小不均，需要對巖石碎屑進行處理后才能回填，重慶地區僅少量民用建筑采用強夯法對巖石地基進行處理［1-3］，可借鑒的經驗不多。目前，尚未見到重慶變電站使用強夯法進行地基處理的報道。

本文將深入研究強夯的機理，并參考用強夯法處理山區塊石回填地基的相關工程實例，探討能否使用強夯法對山區變電站進行地基處理。

2 山區填土地基的強夯機理

強夯是反復將夯錘提到高處使其自由落下，給地基以沖擊和振動能量，將地基土夯實的地基處理方法。振動能量以夯坑為中心沿地表通過夯擊產生的面波向四周傳播、沿深度通過體波向下傳播。面波分瑞利波和樂甫波，其中瑞利波攜帶了約2/3的振動能量，使周圍物體產生振動，對地基壓密效果不大，可以通過設抗震溝來減小瑞利波對周圍建筑物的影響;體波包括縱波和橫波，縱波先到達，使地基土骨架解體，隨后橫波通過液相運動使因骨架解體而疏松的土顆粒變得比解體前更加密實。

山區填土的不均質性使得夯擊產生的沖擊波會頻繁的發生反射和折射現象，導致波能量損失，對強夯的加固深度起限制作用，對淺層加固起強化作用。強夯夯擊過程分為沖剪破壞階段、加固區形成及增長階段、能量飽和階段、過應力消除及地基性能改善階段。沖剪破壞階段主要發生在每遍的前幾擊。此時，夯擊產生的瑞利波使夯錘周圍土體松動，主要起破壞作用。在波的強擴散區，由于夯錘沖擊應力、縱波的推拉與橫波壓實作用，使夯錘下部土體密實;瑞利波隨著填土深度的增大，開始對地基加固效果起到有利作用。在瑞利波、縱波、橫波和夯錘沖擊應力等共同作用下，強擴散區內的填土變得更加密實。隨著波能量逐漸損失，最終回填土加固區范圍趨于穩定，這個階段為加固區形成及增長階段;繼續夯擊，波的能量損失隨著回填土密實度的提高而減小。當波的能量完全消失時在回填土中的傳播距離與回填土加固深度剛好相等時，繼續增加夯擊次數加固深度基本不再變化，這個階段為能量飽和階段;經強夯處理后，局部加固地過于密實、有超應力現象，地基土由欠固結轉化成超固結。孔隙的局部相對薄弱，出現所謂的過應力現象，這個階段為過應力消除階段。通過強夯對地基進行處理后，地基承載力隨時間增長而增大。

3 相關工程實例

強夯法是近幾十年發展起來的地基處理新工藝，目前在山區機場、小高層的建設中已經得到廣泛應用［4-9］。

貴陽龍洞堡機場位于起伏較大的山區，最大填方厚度為54 m左右，是國內外較早對大塊石、高填方山區地基進行強夯法處理的工程［7］。作者通過大量的試驗，解決了強夯法處理塊石回填地基的一些關鍵技術問題，并采用實驗成果對一試點工程進行了塊石回填地基強夯處理。結果表明采用分層填筑的大塊石地基，其加固后的地基承載力標準值大于700 kPa，地基回彈模量為400 kPa～500 kPa，地基變形模量大于400 MPa。地基累計沉降量小于2 mm，地基差異沉降量小于2 mm，地面平均夯沉量為50 cm～60 cm。作者認為單擊夯擊能量3000 kN·m，夯擊12次～16次，地基(ρd≥2.0 g/cm3)有效加固深度為 4.0 m ～4.2 m。

重慶市同景國際城有18棟5+1F的多層建筑［1］，上部結構采用磚混結構，場地高差約14.0 m。結合工程的特點，作者對碾壓加固、沉管灌注樁、挖孔樁、強夯法加固四種地基處理方案做了比較，最終選用最經濟的強夯法處理填筑體地基。山區填土的填料多為碎石填土，石塊大小不一，有的直徑甚至達幾米。填土地基經強夯處理后，采用鋼筋混凝土條形基礎。作者認為采用3000 kN·m的夯擊能有效加固深度在5 m～6 m左右，單點夯擊區在深度接近6 m處的變形值達到了1.8 cm。

重慶某住宅小區有27棟12層小高層住宅樓［8］，采用現澆鋼筋混凝土剪力墻結構體系。場地為山區無序拋填地基，填土厚度為7 m～45 m，平均厚度約為30 m。作者對鉆孔灌注樁、人工挖孔灌注樁、經強夯處理后采用筏板基礎三種方案進行了比選。最后采用了進行強夯處理并采用筏板基礎方案。場區強夯處理地基分層進行，回填材料來自于挖方區，應級配良好，塊石含量不宜大于30%，采用4000 kN·m的單擊夯擊能，兩次夯后總影響深度大于25 m。強夯處理后，地基承載力特征值fa≥250 kPa，地基的壓縮模量Es≥20 MPa，建筑基礎的平均沉降量不大于200 mm。

某一層輕鋼廠房位于重慶九龍坡區［2］，占地約2萬m2，填方深度最大在8 m左右，填料為碎石、拋石回填，經強夯處理后采用獨立基礎。選用主夯能級為2000 kN·m，強夯影響深度大于7 m。經強夯處理后，地基承載力特征值達到265 kPa，變形模量為26.4 MPa，累計下沉量為6 mm。

4 采用強夯法應注意的問題

《建筑地基基礎設計規范》［9］6.3.6 條條文說明指出:“利用碎、塊石及爆破開采的巖石碎屑作填料時，為保證夯壓密實，應限制其最大粒徑，當采用強夯方法進行處理時，其最大粒徑可根據夯實能量和當地經驗適當加大”。爆破時應選擇合適的爆破能級，使爆破開采的巖石碎屑顆粒級配盡量能夠滿足強夯的要求。在回填前，應將粒徑大于800的大直徑石塊進行破碎。如果沒有條件破碎大塊石時，應盡量將大塊石與砂土一起填在地基的深處，使得回填材料顆粒級配相對均勻，便于控制回填土強夯的質量和效果。

為提高山區變電站塊石回填地基的強夯效果和增加強夯影響深度，應采用堆填法而非拋填法對回填土進行分層砌筑。建議每層填筑深度為1 m左右，填筑5 m后進行強夯。

山區變電站場地如果坡度較大，將造成不同區域的填土深度相差較大。此時，可以將填土深度分成幾個區段，將它們在變電站的平面上進行分區，并根據回填深度選擇相應合適的強夯夯擊能量，使得變電站各區域的地基經強夯處理后，承載力和彈性模量相差不大。如果變電站某一棟建筑物恰好既處于挖方區又處于填方區時，為使建筑下地基的沉降性能趨于均勻，填方區應采用較大的夯擊能量，使經過強夯處理后的地基彈性模量與挖方區的差距不大。挖方區應超挖后采用砂石料進行回填。

總之，強夯法的實踐運用發展遠超前于基礎理論的研究。采用該技術時，應認真做好強夯法的施工方案、夯擊設備的選擇、夯擊能的選擇、填料和堆填的控制方法、雨季施工排水問題，并根據各種檢測結果對強夯法效果進行綜合評價。

5 結語

通過對強夯機理和用強夯法處理山區塊石回填地基的相關工程實例進行深入研究后認為:

1)爆破時應選擇合適的爆破能級，來控制巖石碎屑顆粒級配和塊石的最大粒徑。

2)為提高地基加固效果和增加地基加固深度，宜用堆填法進行分層填筑。粒徑大的巖石盡量放在下面，每次填筑深度為1 m左右，填筑5 m后進行強夯。

3)重慶地區戶外變電站當填筑厚度不超過5 m時，合理選擇強夯參數和施工工藝，可以對爆破后的山區塊石與土料進行強夯處理。

［1］阮 維.強夯法在山區塊石填方工程中的應用［D］.重慶:重慶大學，2007.

［2］付 燁，孟國民，孔凡林，等.重慶某工程地基基礎強夯工藝設計與評價［J］.重慶建筑，2006(4):57-59.

［3］術向東，徐 革.深回填區域強夯地基上的小高層結構設計［J］.重慶建筑，2009(7):4-8.

［4］徐至鈞，張亦農.強夯和強夯置換法加固地基［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［5］丁振洲，陸 新，鄭穎人.山區地基強夯加固機理探討［A］.全國第九屆土力學與巖土工程會議論文集［C］.2003.

［6］高大釗.巖土工程的回顧與前瞻［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［7］甘厚義，焦景有.貴陽龍洞堡機場大塊石填筑地基的強夯處理技術［J］.建筑科學，1995(1):17-26.

［8］生志勇，王 濤.深填方區地基強夯及褥墊層施工技術［J］.施工技術，2010(5):50-52.

［9］GB 50007-2011，建筑地基基礎設計規范［S］.