強(qiáng)夯法加固浙北1000kV變電站碎石土地基施工參數(shù)優(yōu)化研究

黃磊 龔曉南 俞建霖 陳若曦

摘 要：運(yùn)用多種手段對(duì)浙北1000kV特高壓變電站回填碎石土地基進(jìn)行了不同強(qiáng)夯施工參數(shù)情況下加固效果的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，介紹了三個(gè)不同試夯區(qū)的施工參數(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果。對(duì)高填方地基，選擇合適的夯能和施工工藝對(duì)地基加固效果有重大影響，通過對(duì)三個(gè)強(qiáng)夯施工參數(shù)不同的試夯區(qū)的加固效果檢測(cè)，最后確定大面積強(qiáng)夯施工時(shí)采用5000kN.m夯能，正三角形布置，5.0m夯點(diǎn)間距，按不跳點(diǎn)強(qiáng)夯和滿夯的施工工藝進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：變電站；高填方；強(qiáng)夯法；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；加固效果

Abstract：Based on a variety of methods， the reinforcing effect of broken stone foundation durning dynamic compaction with different parameters were studied at Zhebei 1000kV UHV Substation. To high fill foundation， the suitable dynamic compaction energy and construction technology have a significant influence on the reinforcement effect of foundation. The dynamic compaction parameters and the results of field test in three different areas were introducted. Based on this， dynamic compaction on large area is conducted under the parameters of 5000kN dynamic energy and equilateral triangle arrangement of the compacting points with distance of 5 metres. Finally， the surface foundation would be treated by means of full dynamic compaction of 1500kN dynamic energy.

Key words：UHV Substation； high fill foundation； dynamic compaction； field test； reinforcement effect

1.引言

隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，越來越多的工程尤其是電廠、變電站、石化和機(jī)場(chǎng)等工程的選址都會(huì)選在山地或丘陵地帶，以保護(hù)環(huán)境和節(jié)約用地，因此，這些工程的地基大部分都為高填方地基。而強(qiáng)夯法，又稱動(dòng)力密實(shí)法，是用起重機(jī)器將質(zhì)量為10噸～40噸的夯錘起吊到6～30m的高度后自由下落，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊能量，對(duì)地基進(jìn)行強(qiáng)力夯實(shí)，從而提高地基承載力降低其壓縮性的地基處理方法。浙北1000kV變電站場(chǎng)地受山區(qū)丘陵控制，地形起伏較大，地表高程變化的范圍一般在36.30～93.72m之間，如果場(chǎng)地平整后最終標(biāo)高按67m考慮，則最大回填高度達(dá)26m左右。而強(qiáng)夯法在處理回填土地基方面得到了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于不同場(chǎng)地結(jié)合不同的地質(zhì)條件，強(qiáng)夯工藝及施工參數(shù)存在較大差異[1]。為了確定強(qiáng)夯法處理浙北1000kV變電站回填土地基的可行性，檢測(cè)經(jīng)強(qiáng)夯處理后地基加固效果是否滿足超高壓變電站場(chǎng)地的要求；為了取得大面積強(qiáng)夯施工時(shí)的強(qiáng)夯控制參數(shù)及指標(biāo)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了強(qiáng)夯試驗(yàn)，分別設(shè)置了三個(gè)不同的試夯區(qū)，本文著重介紹通過三個(gè)試夯區(qū)的強(qiáng)夯試驗(yàn)優(yōu)化大面積強(qiáng)夯施工參數(shù)的問題。

2.試夯區(qū)概況

2.1 工程地質(zhì)條件

站址區(qū)內(nèi)地貌為構(gòu)造低山剝蝕丘陵區(qū)，地貌主要為渾圓狀的低山，地形起伏較大，地表高程變化的范圍一般在36.30m～93.72m之間。根據(jù)前期勘測(cè)資料[2]，站址區(qū)第四系地層為粘性土、碎石及全風(fēng)化粉砂巖，下伏強(qiáng)風(fēng)化、中等風(fēng)化粉砂巖。其巖性自上至下分別為：

（1）素填土：黃褐色，主要由粘性土組成，厚度4.20m。

（2）粉質(zhì)粘土：灰黃、黃褐色，可塑，含少量鐵質(zhì)結(jié)核，無(wú)搖震反應(yīng)，稍有光滑，干強(qiáng)度中等、韌性中等，以粉質(zhì)粘土為主，局部相變?yōu)檎惩?，分布于丘陵山坡的表層，厚度一般?.40m～5.30m。

（3）碎石（中密）

雜色，母巖成分為粉砂巖，顆粒級(jí)配差，呈棱角狀，磨圓差，排列無(wú)序，中等風(fēng)化，混多量粘性土，厚度一般為1.30m～6.90m。

（4）粉砂巖（全風(fēng)化）

灰黃色，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，散體結(jié)構(gòu)，全風(fēng)化，巖石結(jié)構(gòu)基本破壞，但尚可辨認(rèn)，有殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，巖體呈砂狀，厚度一般為0.40m～4.00m。

（5）粉砂巖（強(qiáng)風(fēng)化）

灰黃色，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，泥質(zhì)膠結(jié)，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，呈碎塊狀，強(qiáng)風(fēng)化，巖石結(jié)構(gòu)大部分破壞，厚度一般為0.60m～4.90m。

（6）粉砂巖（中等風(fēng)化）

黃褐色、灰色，主要礦物成分為石英、長(zhǎng)石，泥質(zhì)膠結(jié)，鈣質(zhì)膠結(jié)，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，呈塊狀，中等風(fēng)化，結(jié)構(gòu)大部分完好。

2.2 試夯區(qū)強(qiáng)夯參數(shù)的設(shè)置

本場(chǎng)地原土層較厚，因此在原土層進(jìn)行強(qiáng)夯置換之后再進(jìn)行回填土強(qiáng)夯施工。由于回填厚度大，采用分層回填強(qiáng)夯施工的方法，每層回填土厚度4m，回填料就地取自山體開挖的碎石料，夾雜少量粘土。三個(gè)試夯區(qū)的大小均為27m*27m，各試夯區(qū)強(qiáng)夯參數(shù)設(shè)置如下表所示：

說明：Ⅰ區(qū)按三遍跳點(diǎn)夯完成夯點(diǎn)，收錘標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)夯按最后兩擊夯沉量第一遍≤7cm，第二遍≤5cm，第三遍≤3cm；Ⅱ區(qū)按不跳點(diǎn)強(qiáng)夯法施工，收錘標(biāo)準(zhǔn)為最后兩擊平均夯沉量≤30mm，點(diǎn)夯完成后進(jìn)行一遍夯能1500kN.m的滿夯，每點(diǎn)四擊，1/3夯錘直徑搭接；Ⅲ區(qū)的夯擊遍數(shù)和控制指標(biāo)同Ⅱ區(qū)，只是夯點(diǎn)間距和布置形式不同。

3.現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯試驗(yàn)結(jié)果

3.1 平均累計(jì)夯沉量與夯擊次數(shù)的關(guān)系

在Ⅰ區(qū)的三遍強(qiáng)夯過程中選9個(gè)有代表性的夯點(diǎn)（每遍選3個(gè)），在Ⅱ、Ⅲ區(qū)選取9個(gè)有代表性的夯點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖1所示。

由圖1可看出，當(dāng)夯擊能量分別為4200kN.m和5000kN.m時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)的平均累計(jì)夯沉量分別為115.2cm、162.1cm和162.8cm。在不同的夯擊次數(shù)下Ⅲ區(qū)的夯沉量稍大于Ⅱ區(qū)對(duì)應(yīng)夯擊次數(shù)下的夯沉量，但總體二者曲線幾乎重合，而隨著夯能的增加可以看出Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的最終夯沉量明顯大于Ⅰ區(qū)的累計(jì)夯沉量，說明平均累計(jì)夯沉量受夯點(diǎn)間距和夯點(diǎn)布置形式的影響較小于夯能的影響。至于夯點(diǎn)間距對(duì)夯坑沉降變形的影響楊建國(guó)[3]等認(rèn)為在同樣夯能下夯點(diǎn)間距越大則夯坑沉降變形越大。由于本工程夯點(diǎn)間距只有4.2m和5.0m，二者只相差了0.8m，所以在同樣夯能的情況下Ⅲ區(qū)的平均累計(jì)夯沉量只是稍大于Ⅱ區(qū)，從某種程度上也驗(yàn)證了文獻(xiàn)三中論點(diǎn)的正確性。從上圖還可以看出，隨著夯擊次數(shù)的增加夯坑深度的增加逐漸減少，到最后曲線近似呈水平，所以不能為了追求地基加固效果而盲目增加夯擊次數(shù)從而導(dǎo)致夯擊能的浪費(fèi)。

3.2 超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)

在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)夯前、夯后分別進(jìn)行超重型動(dòng)力觸探，根據(jù)打入的難易程度來判斷地基在夯前夯后的工程特性。分別將夯前和夯后同一動(dòng)力觸探孔位的數(shù)據(jù)繪成曲線圖如下（圖中動(dòng)力觸探擊數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)未經(jīng)修正）。

從圖2可以看出，強(qiáng)夯之后動(dòng)力觸探擊數(shù)有了較高程度的提高。在Ⅰ區(qū)內(nèi)，深度5.4m以上動(dòng)力觸探擊數(shù)較夯前有所增加而5.4m以下基本無(wú)增加，且地表以下1.0m范圍內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)在7擊以下，說明在4200kN.m夯能正方形布置作用下該地基的有效加固深度大概為5.4m，但表層加固效果較差，有效深度范圍內(nèi)動(dòng)力觸探擊數(shù)平均值由3.7增加到8.9，增幅243%左右；在Ⅱ區(qū)內(nèi)，深度6.0m以上動(dòng)力觸探擊數(shù)較夯前有所增加而6.0m以下基本無(wú)增加，有效加固深度大概為6.0m，且在滿夯作用下表層土的加固效果好于Ⅰ區(qū)，有效深度范圍內(nèi)動(dòng)力觸探擊數(shù)平均值由4.9增加到15.2，增幅310%左右；在Ⅲ區(qū)內(nèi)，深度6.2m以上動(dòng)力觸探擊數(shù)較夯前有所增加而6.2m以下基本無(wú)增加，有效加固深度大概為6.2m，且表層土加固效果也好于Ⅰ、Ⅱ區(qū)，有效深度范圍內(nèi)動(dòng)力觸探擊數(shù)平均值由5.0增加到17.1，增幅340%左右；經(jīng)上述分析，在采用梅納公式[4]計(jì)算有效加固深度時(shí)，建議對(duì)碎石土回填強(qiáng)夯地基采用0.26～0.28的修正系數(shù)。夯能越大動(dòng)力觸探擊數(shù)越高、有效加固深度越大，土體越密實(shí)；采用一遍不跳點(diǎn)強(qiáng)夯加一遍滿夯的方式對(duì)表層土的加固效果好于采用三遍跳點(diǎn)強(qiáng)夯的方式；5000kN.m正三角形布置區(qū)的動(dòng)力觸探增加幅度和有效加固深度稍高于正方形布置區(qū)域。

3.3瑞雷波測(cè)試

由于瑞雷波具有頻率彌散特性，利用其彌散特性能初步地反分析地基分層剪切波速度。瑞利波波速VR代表1/2～1/3波長(zhǎng)處土的動(dòng)力特性，根據(jù)瑞利波波速VR和剪切波速Vs之間的關(guān)系，因此可以推算深度為1/2～1/3波長(zhǎng)處土層的平均剪切波速[5]。通過不斷改變激振器頻率，波長(zhǎng)就隨著變化，從而可以獲得不同深度處土層的剪切波速值。在三個(gè)試夯區(qū)強(qiáng)夯結(jié)束后，分別進(jìn)行瑞雷波測(cè)試，繪出各個(gè)試夯區(qū)瑞雷波頻散曲線如圖3所示。

從上圖可以看出，瑞雷波頻散曲線大致呈“之”字型，在深度3m以上范圍內(nèi)，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的剪切波速明顯高于Ⅰ區(qū)，主要原因是Ⅰ區(qū)采用的夯能較Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)低，而且Ⅰ區(qū)采用三遍點(diǎn)夯的形式而沒有采取滿夯處理導(dǎo)致Ⅰ區(qū)表層土體相對(duì)比較松散。從Ⅰ區(qū)曲線來看，在深度4.5m處波速突然增大，而Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)均在6.0m左右波速有突變，說明Ⅰ區(qū)的有效加固深度在4.5m左右而Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)有效加固深度在6.0m左右。與根據(jù)動(dòng)力觸探判斷有效加固深度的結(jié)果相對(duì)比，Ⅰ區(qū)稍有差別，Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的結(jié)果大致相同。

取一定深度（有效加固深度）范圍內(nèi)的剪切波速做對(duì)比，如表2。

從表2可以看出，夯能越大，有效加固深度范圍內(nèi)土體剪切波速平均值越大；而夯點(diǎn)間距4.2m方形布置的Ⅰ、Ⅱ試夯區(qū)內(nèi)波速標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)大于夯點(diǎn)間距5.0m三角形布置的Ⅲ試夯區(qū)，說明Ⅲ區(qū)的強(qiáng)夯加固地基的均勻性比Ⅰ、Ⅱ區(qū)要好。

3.4 密實(shí)度和固體體積率

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同試夯區(qū)強(qiáng)夯后地基的均勻性擊壓實(shí)度，采用灌水法對(duì)地基土進(jìn)行密實(shí)度和固體體積率檢測(cè)，各試夯區(qū)檢測(cè)結(jié)果見表3、4。從表中可以看出，Ⅰ區(qū)的密實(shí)度和固體體積率都達(dá)不到設(shè)計(jì)要求值0.97/0.82，而Ⅱ、Ⅲ區(qū)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5靜載荷試驗(yàn)

本工程的靜載荷試驗(yàn)采用淺層平板載荷試驗(yàn)，承壓板邊長(zhǎng)為2.0m，面積為4m2。靜載荷試驗(yàn)的主要目的是檢測(cè)強(qiáng)夯處理之后地基承載力特征值是否滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)試夯區(qū)的Q～s曲線如下圖4所示。地基承載力特征值采用相對(duì)變形法選擇[6]，取s/b等于0.01～0.015所對(duì)應(yīng)的壓力為地基承載力特征值（s為載荷試驗(yàn)承壓板的沉降量，b為承壓板的寬度）。按照彈性理論公式[7]可以通過載荷試驗(yàn)間接推算地基土變形模量。

式中：沉降影響系數(shù)，對(duì)于方形板取0.89； 為土體泊松比，取0.25；P施加的壓力；S為P對(duì)應(yīng)的沉降量；b 為荷載板的邊長(zhǎng)。

當(dāng)取s/b=0.01所對(duì)應(yīng)的壓力為地基承載力特征值時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ試夯區(qū)地基承載力特征值分別為250kPa，303 kPa，476 kPa，均滿足設(shè)計(jì)要求值，對(duì)應(yīng)的變形模量分別為21Mpa，24Mpa，40Mpa；當(dāng)取s/b=0.015所對(duì)應(yīng)的壓力為地基承載力特征值時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ試夯區(qū)地基承載力特征值分別為312kPa， 383kPa，576kPa，均滿足設(shè)計(jì)要求值，對(duì)應(yīng)的變形模量分別為17Mpa，21Mpa，32Mpa；從靜載荷試驗(yàn)結(jié)果來看，碎石土地基強(qiáng)夯后承載力均較高，全部滿足設(shè)計(jì)要求。

4.結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)本工程試夯區(qū)強(qiáng)夯試驗(yàn)的檢測(cè)可得出以下幾條結(jié)論：

（1） 夯坑夯沉量隨著夯擊能量和夯點(diǎn)間距的增大而增大，同時(shí)也受夯點(diǎn)布置形式的影響；隨著夯擊次數(shù)的增加，每擊產(chǎn)生的夯沉量逐漸減少，不能為了追求地基加固效果而盲目增加夯擊次數(shù)從而導(dǎo)致夯擊能的浪費(fèi)。

（2）夯能越大動(dòng)力觸探擊數(shù)越高、有效加固深度越大，土體越密實(shí)；采用一遍不跳點(diǎn)強(qiáng)夯加一遍滿夯的方式對(duì)表層土的加固效果好于采用三遍跳點(diǎn)強(qiáng)夯的方式；夯點(diǎn)間距正三角形布置區(qū)經(jīng)強(qiáng)夯加固后地基均勻性好于夯點(diǎn)間距正方形布置區(qū)域。

（3）本試夯區(qū)地質(zhì)條件在4200kN.m夯能有效加固深度大約5.4m，5000kN.m夯能有效加固深度大約6.0m。在采用梅納公式[4]計(jì)算有效加固深度時(shí)，建議對(duì)碎石土回填強(qiáng)夯地基采用0.26～0.28的修正系數(shù)。

（4）三個(gè)試夯區(qū)在強(qiáng)夯后地基承載力特征值均滿足設(shè)計(jì)要求，但其它參數(shù)比如密實(shí)度和固體體積率并不全部滿足設(shè)計(jì)要求且地基加固效果和均勻性也不一樣。所有這些參數(shù)都關(guān)系到整個(gè)工程的施工質(zhì)量尤其是場(chǎng)地的總沉降和不均勻沉降，對(duì)于特高壓變電站這種特殊工程對(duì)質(zhì)量的控制則有更高的要求。因此，在大面積強(qiáng)夯施工時(shí)采用本文Ⅲ試夯區(qū)的強(qiáng)夯施工參數(shù)，并且在施工的過程中對(duì)整個(gè)場(chǎng)地運(yùn)用多種手段隨時(shí)檢測(cè)施工質(zhì)量以確保整個(gè)工程質(zhì)量。

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