強夯法加固1000kV變電站碎石土地基施工參數優化研究

摘 要：運用多種手段對浙北1000kV特高壓變電站回填碎石土地基進行了不同強夯施工參數情況下加固效果的現場試驗研究，介紹了三個不同試夯區的施工參數以及現場檢測的結果。對高填方地基，選擇合適的夯能和施工工藝對地基加固效果有重大影響，通過對三個強夯施工參數不同的試夯區的加固效果檢測，最后確定大面積強夯施工時采用5000kN.m夯能，正三角形布置，5.0m夯點間距，按不跳點強夯和滿夯的施工工藝進行。

關鍵詞：變電站；高填方；強夯法；現場試驗；加固效果

【文章編號】1627-6868（2017）08-0001-04

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

隨著工程建設規模的不斷擴大，越來越多的工程尤其是電廠、變電站、石化和機場等工程的選址都會選在山地或丘陵地帶，以保護環境和節約用地，因此，這些工程的地基大部分都為高填方地基。而強夯法，又稱動力密實法，是用起重機器將質量為10噸～40噸的夯錘起吊到6～30m的高度后自由下落，產生強大的沖擊能量，對地基進行強力夯實，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變電站場地受山區丘陵控制，地形起伏較大，地表高程變化的范圍一般在36.30～93.72m之間，如果場地平整后最終標高按67m考慮，則最大回填高度達26m左右。而強夯法在處理回填土地基方面得到了廣泛的應用，但對于不同場地結合不同的地質條件，強夯工藝及施工參數存在較大差異[1]。為了確定強夯法處理浙北1000kV變電站回填土地基的可行性，檢測經強夯處理后地基加固效果是否滿足超高壓變電站場地的要求；為了取得大面積強夯施工時的強夯控制參數及指標，現場進行了強夯試驗，分別設置了三個不同的試夯區，本文著重介紹通過三個試夯區的強夯試驗優化大面積強夯施工參數的問題。

2.試夯區概況

2.1 工程地質條件

站址區內地貌為構造低山剝蝕丘陵區，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。根據前期勘測資料[2]，站址區第四系地層為粘性土、碎石及全風化粉砂巖，下伏強風化、中等風化粉砂巖。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）粉質粘土：灰黃、黃褐色，可塑，含少量鐵質結核，無搖震反應，稍有光滑，干強度中等、韌性中等，以粉質粘土為主，局部相變為粘土，分布于丘陵山坡的表層，厚度一般為0.40m～5.30m。

（3）碎石（中密）

雜色，母巖成分為粉砂巖，顆粒級配差，呈棱角狀，磨圓差，排列無序，中等風化，混多量粘性土，厚度一般為1.30m～6.90m。

（4）粉砂巖（全風化）

灰黃色，主要礦物成分為石英、長石，散體結構，全風化，巖石結構基本破壞，但尚可辨認，有殘余結構強度，巖體呈砂狀，厚度一般為0.40m～4.00m。

（5）粉砂巖（強風化）

灰黃色，主要礦物成分為石英、長石，泥質膠結，細粒結構，中厚層構造，呈碎塊狀，強風化，巖石結構大部分破壞，厚度一般為0.60m～4.90m。

（6）粉砂巖（中等風化）

黃褐色、灰色，主要礦物成分為石英、長石，泥質膠結，鈣質膠結，細粒結構，中厚層構造，呈塊狀，中等風化，結構大部分完好。

2.2 試夯區強夯參數的設置

本場地原土層較厚，因此在原土層進行強夯置換之后再進行回填土強夯施工。由于回填厚度大，采用分層回填強夯施工的方法，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。三個試夯區的大小均為27m*27m，各試夯區強夯參數設置如下表所示：

說明：Ⅰ區按三遍跳點夯完成夯點，收錘標準點夯按最后兩擊夯沉量第一遍≤7cm，第二遍≤5cm，第三遍≤3cm；Ⅱ區按不跳點強夯法施工，收錘標準為最后兩擊平均夯沉量≤30mm，點夯完成后進行一遍夯能1500kN.m的滿夯，每點四擊，1/3夯錘直徑搭接；Ⅲ區的夯擊遍數和控制指標同Ⅱ區，只是夯點間距和布置形式不同。endprint

3.現場強夯試驗結果

3.1 平均累計夯沉量與夯擊次數的關系

在Ⅰ區的三遍強夯過程中選9個有代表性的夯點（每遍選3個），在Ⅱ、Ⅲ區選取9個有代表性的夯點進行分析，如圖1所示。

由圖1可看出，當夯擊能量分別為4200kN.m和5000kN.m時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區的平均累計夯沉量分別為115.2cm、162.1cm和162.8cm。在不同的夯擊次數下Ⅲ區的夯沉量稍大于Ⅱ區對應夯擊次數下的夯沉量，但總體二者曲線幾乎重合，而隨著夯能的增加可以看出Ⅱ區和Ⅲ區的最終夯沉量明顯大于Ⅰ區的累計夯沉量，說明平均累計夯沉量受夯點間距和夯點布置形式的影響較小于夯能的影響。至于夯點間距對夯坑沉降變形的影響楊建國[3]等認為在同樣夯能下夯點間距越大則夯坑沉降變形越大。由于本工程夯點間距只有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區的平均累計夯沉量只是稍大于Ⅱ區，從某種程度上也驗證了文獻三中論點的正確性。從上圖還可以看出，隨著夯擊次數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從而導致夯擊能的浪費。

3.2 超重型動力觸探試驗

在Ⅰ區、Ⅱ區和Ⅲ區夯前、夯后分別進行超重型動力觸探，根據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力觸探孔位的數據繪成曲線圖如下（圖中動力觸探擊數為現場實測未經修正）。

從圖2可以看出，強夯之后動力觸探擊數有了較高程度的提高。在Ⅰ區內，深度5.4m以上動力觸探擊數較夯前有所增加而5.4m以下基本無增加，且地表以下1.0m范圍內動探擊數在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，有效深度范圍內動力觸探擊數平均值由3.7增加到8.9，增幅243%左右；在Ⅱ區內，深度6.0m以上動力觸探擊數較夯前有所增加而6.0m以下基本無增加，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，有效深度范圍內動力觸探擊數平均值由4.9增加到15.2，增幅310%左右；在Ⅲ區內，深度6.2m以上動力觸探擊數較夯前有所增加而6.2m以下基本無增加，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，有效深度范圍內動力觸探擊數平均值由5.0增加到17.1，增幅340%左右；經上述分析，在采用梅納公式[4]計算有效加固深度時，建議對碎石土回填強夯地基采用0.26～0.28的修正系數。夯能越大動力觸探擊數越高、有效加固深度越大，土體越密實；采用一遍不跳點強夯加一遍滿夯的方式對表層土的加固效果好于采用三遍跳點強夯的方式；5000kN.m正三角形布置區的動力觸探增加幅度和有效加固深度稍高于正方形布置區域。

3.3瑞雷波測試

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波長處土的動力特性，根據瑞利波波速VR和剪切波速Vs之間的關系，因此可以推算深度為1/2～1/3波長處土層的平均剪切波速[5]。通過不斷改變激振器頻率，波長就隨著變化，從而可以獲得不同深度處土層的剪切波速值。在三個試夯區強夯結束后，分別進行瑞雷波測試，繪出各個試夯區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，Ⅱ區和Ⅲ區的剪切波速明顯高于Ⅰ區，主要原因是Ⅰ區采用的夯能較Ⅱ區和Ⅲ區低，而且Ⅰ區采用三遍點夯的形式而沒有采取滿夯處理導致Ⅰ區表層土體相對比較松散。從Ⅰ區曲線來看，在深度4.5m處波速突然增大，而Ⅱ區和Ⅲ區均在6.0m左右波速有突變，說明Ⅰ區的有效加固深度在4.5m左右而Ⅱ區和Ⅲ區有效加固深度在6.0m左右。與根據動力觸探判斷有效加固深度的結果相對比，Ⅰ區稍有差別，Ⅱ區和Ⅲ區的結果大致相同。

取一定深度（有效加固深度）范圍內的剪切波速做對比，如表2。

從表2可以看出，夯能越大，有效加固深度范圍內土體剪切波速平均值越大；而夯點間距4.2m方形布置的Ⅰ、Ⅱ試夯區內波速標準差和變異系數大于夯點間距5.0m三角形布置的Ⅲ試夯區，說明Ⅲ區的強夯加固地基的均勻性比Ⅰ、Ⅱ區要好。

3.4 密實度和固體體積率

為進一步評價不同試夯區強夯后地基的均勻性擊壓實度，采用灌水法對地基土進行密實度和固體體積率檢測，各試夯區檢測結果見表3、4。從表中可以看出，Ⅰ區的密實度和固體體積率都達不到設計要求值0.97/0.82，而Ⅱ、Ⅲ區能達到設計要求。

3.5靜載荷試驗

本工程的靜載荷試驗采用淺層平板載荷試驗，承壓板邊長為2.0m，面積為4m2。靜載荷試驗的主要目的是檢測強夯處理之后地基承載力特征值是否滿足設計標準，各個試夯區的Q～s曲線如下圖4所示。地基承載力特征值采用相對變形法選擇[6]，取s/b等于0.01～0.015所對應的壓力為地基承載力特征值（s為載荷試驗承壓板的沉降量，b為承壓板的寬度）。按照彈性理論公式[7]可以通過載荷試驗間接推算地基土變形模量。

式中：沉降影響系數，對于方形板取0.89； 為土體泊松比，取0.25；P施加的壓力；S為P對應的沉降量；b 為荷載板的邊長。

當取s/b=0.01所對應的壓力為地基承載力特征值時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ試夯區地基承載力特征值分別為250kPa，303 kPa，476 kPa，均滿足設計要求值，對應的變形模量分別為21Mpa，24Mpa，40Mpa；當取s/b=0.015所對應的壓力為地基承載力特征值時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ試夯區地基承載力特征值分別為312kPa， 383kPa，576kPa，均滿足設計要求值，對應的變形模量分別為17Mpa，21Mpa，32Mpa；從靜載荷試驗結果來看，碎石土地基強夯后承載力均較高，全部滿足設計要求。endprint

4.結語

通過對本工程試夯區強夯試驗的檢測可得出以下幾條結論：

（1） 夯坑夯沉量隨著夯擊能量和夯點間距的增大而增大，同時也受夯點布置形式的影響；隨著夯擊次數的增加，每擊產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從而導致夯擊能的浪費。

（2）夯能越大動力觸探擊數越高、有效加固深度越大，土體越密實；采用一遍不跳點強夯加一遍滿夯的方式對表層土的加固效果好于采用三遍跳點強夯的方式；夯點間距正三角形布置區經強夯加固后地基均勻性好于夯點間距正方形布置區域。

（3）本試夯區地質條件在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]計算有效加固深度時，建議對碎石土回填強夯地基采用0.26～0.28的修正系數。

（4）三個試夯區在強夯后地基承載力特征值均滿足設計要求，但其它參數比如密實度和固體體積率并不全部滿足設計要求且地基加固效果和均勻性也不一樣。所有這些參數都關系到整個工程的施工質量尤其是場地的總沉降和不均勻沉降，對于特高壓變電站這種特殊工程對質量的控制則有更高的要求。因此，在大面積強夯施工時采用本文Ⅲ試夯區的強夯施工參數，并且在施工的過程中對整個場地運用多種手段隨時檢測施工質量以確保整個工程質量。

參考文獻

[1] 王鐵宏. 全國重大工程項目地基處理工程實錄[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2] 東北電力設計院.浙北1000kV變電站新建工程巖土工程勘察報告[R].長春：東北電力設計院，2009.

[3] 楊建國、彭文軒、劉東燕.強夯法加固的主要設計參數研究[J].巖土力學，2004，25（8）：1335-1339.

[4] CECS279-2010，強夯地基處理技術規程[S].

[5] 丁伯陽.土層波速與地表脈動[M].蘭州：蘭州大學出版社，1996.

[6] JGJ79-2002，建筑地基處理技術規范[S].

[7] 龔曉南.高等土力學[M].杭州：浙江大學出版社，1996.

【作者簡介】黃磊（1988-），男，浙江大學在讀碩士生，主要從事地基處理方面的研究。endprint