鄭衛(wèi)鋒,吳尚林,張偉,馮自霞
(1.中國電力科學(xué)研究院,北京市,100055;2.華潤電力湖北有限公司,湖北省 赤壁市,437300)
強夯法是20世紀(jì)60年代法國Menard技術(shù)公司首創(chuàng)的一種地基加固方法,利用巨錘高落對地基施加強大的沖擊能,強制壓實地基[1-4]。強夯置換法是在強夯法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,是通過在夯坑中填料形成硬殼層,坑內(nèi)填料經(jīng)過強夯,逐步擴大夯點直徑后與周圍土體形成復(fù)合地基,從而提高地基承載力[5-9]。針對某電廠特殊的回填土(主要為飽和軟粘土)地質(zhì)條件,分別進(jìn)行了強夯與強夯置換法的設(shè)計、施工,通過試驗檢測得到各自的適用條件,對類似工程具有一定的參考意義。
華潤電力湖北蒲圻電廠二期工程計劃建設(shè)2×1000 MW超超臨界機組,配套建設(shè)2座冷卻塔。其中冷卻塔區(qū)域?qū)儆诨靥顓^(qū)域,冷卻塔的淋水面積超過10000 m2,要求地基承載不小于220 kPa,變形模量不小于12 MPa。
工程原始場地屬低丘地貌單元,冷卻塔區(qū)域主要為填方區(qū),途經(jīng)改造后的干渠,主要由2條沖溝及2座低丘組成,沖溝發(fā)育,底部基巖上覆地層在分布上具有不均勻性、不連續(xù)性的特點。
冷卻塔區(qū)域的地層特征及其分布規(guī)律自上而下分述如下:
(1)素填土。褐黃、青灰色等,雜色,一般呈松散~稍密狀態(tài),混有部分粘性土,粘性土含量10% ~20%。層厚隨原始地形的變化而變,約2 m左右,其濕密度19.8 kN/m3,承載力特征值為100 kPa。具有高壓縮性、不均勻性等特點,不能作為重要建(構(gòu))筑物天然地基持力層和下臥層。
(2)粉質(zhì)粘土?;疑?,灰黃色,灰褐色,上部見植物根須及腐植物,夾少許砂粒,結(jié)構(gòu)不均;很濕,呈軟塑狀態(tài)(局部呈流塑狀態(tài)),具有高壓縮性、低強度等特點,厚度為6 m左右,處于地形相對較低的沖溝上部。其濕密度為18.0 kN/m3,孔隙比為0.91,壓縮系數(shù)為 0.48 Mp-1,承載力特征值為 120 kPa。當(dāng)選用此層作為天然地基持力層和下臥層時,應(yīng)進(jìn)行必要的夯實處理。
冷卻塔區(qū)域地下水有上層滯水、第四系孔隙水和基巖裂隙水。上層滯水主要存在于原始地面標(biāo)高較低的溝谷地帶粘性土以上,貯存于新近堆積的填土層孔隙之內(nèi),沒有穩(wěn)定的水位,受地表水及降雨的影響極大;孔隙水廣泛分布于松散地層的孔隙之中,廠址區(qū)含碎石的粉質(zhì)粘土層內(nèi)的水為此類型水。地下水受地表水、降雨及季節(jié)性的影響較大,排泄方式主要是滲出地表流向更低洼地帶。
結(jié)合以往工程經(jīng)驗,對冷卻塔區(qū)域選擇采用強夯技術(shù)加固地基。強夯施工工藝采用多遍夯擊,夯擊次序為主夯—次夯—插夯—滿夯,能級依次減小,每遍夯完后用同類土料回填夯坑并整平。每2遍夯擊之間,應(yīng)有一定的時間間隔,單擊夯擊能級包括:主夯4000 kN·m、次夯 4000 kN·m、插夯與滿夯2000 kN·m。強夯夯點布置按正方形布置,第1、2遍采用跳夯,夯點間距第2遍夯擊點間距為10 m;第2遍夯擊點位于第1遍夯擊點間;第3遍先夯第1、2遍主次夯坑,然后再夯其4個夯點之間的中點;第4遍采用滿夯,分2次夯,第1次各夯點緊挨相切,呈正三角形布置,第2次夯點為第1次三角形夯點的中心。
若逢雨季施工時,應(yīng)采取必要的地面排水措施和塑料薄膜覆蓋夯區(qū),同時控制好夯坑回填料及含水量,及時回填夯坑。
強夯施工后進(jìn)行了原位測試和室內(nèi)土工試驗,主要包括平板載荷試驗、超重型動力觸探和密實度試驗,以確定加固處理效果。針對近10000 m2的冷卻塔強夯區(qū)域,試驗檢測共進(jìn)行了3組平板載荷試驗、6組超重型動力觸探試驗、3組密實度試驗。
平板載荷試驗采用1 m×1 m的方形承壓板,最大加載壓力為440 kN,加荷等級分8級。根據(jù)相關(guān)規(guī)范的規(guī)定[10-11],取s/d(s為載荷試驗承壓板的沉降量,d為承壓板的寬度)等于0.015所對應(yīng)的壓力作為復(fù)合地基承載力特征值,且按相對變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的1/2,試驗結(jié)果如圖1所示。強夯后地基承載力特征值分別為203、182、220 kPa,復(fù)合地基承載力平均值為 202 kPa,不滿足設(shè)計要求。
超重型動力觸探試驗[12-13]采用 120 kg 重錘,經(jīng)桿長修正后得到每米貫入指標(biāo)平均值,共進(jìn)行了6組試驗,試驗結(jié)果如表1所示,每米錘擊數(shù)基本一致,均在3擊左右,可見強夯技術(shù)對地基的加固效果不顯著。
圖1 平板載荷試驗的荷載位移曲線Fig.1 Curves of load versus displacement for plate loading test
表1 超重型動力觸探試驗結(jié)果Tab.1 Results of super-heavy dynamic penetration test
密實度試驗過程中,首先選擇代表性土體進(jìn)行了室內(nèi)擊實試驗,得到回填土的現(xiàn)場最大干密度為2.16 g/cm3;通過坑探、灌水法與含水率得到強夯土體的現(xiàn)場干密度,最終得到強夯后土體的密實度,共進(jìn)行3組密實度試驗,試驗結(jié)果如表2所示。密實度平均值在86%左右,不滿足壓實標(biāo)準(zhǔn),可見強夯技術(shù)加固效果不顯著。
綜合判定強夯后的冷卻塔區(qū)域承載力不能滿足設(shè)計要求,試驗檢測不合格。
表2 密實度試驗結(jié)果Tab.2 Results of density test
針對強夯施工后冷卻塔試驗檢測不合格區(qū)域,進(jìn)行了取土與含水率試驗。含水率試驗結(jié)果如表3所示,其中1組2 m見水、2組2 m見水、3組8 m見水、4組8 m見水、5組6 m見巖、6組8 m見水。試驗結(jié)果表明:(1)距離地表2 m處含水率偏大(為17.4%),且部分孔位存在明顯的上層滯水,原因在于受到強夯施工過程中暴雨影響,且未按照設(shè)計要求進(jìn)行必要的地面排水措施和塑料薄膜覆蓋夯區(qū);(2)離地表7~8 m處存在淤泥質(zhì)土,且含水率也明顯偏高,原因在于此深度為老干渠河底部位,在最初回填時老干渠底部的淤泥質(zhì)土未及時清理干凈,且受到回填期間雨季的影響。
表3 含水率試驗結(jié)果Tab.3 Results of moisture content test
上述試驗結(jié)果表明,土體表層范圍內(nèi)存在的上層滯水使得土體含水率明顯高于最佳含水率,使得表層土體難以夯實,其平板載荷試驗結(jié)果難以滿足設(shè)計要求;同時土體深部范圍內(nèi)存在的飽和淤泥質(zhì)土,使得底部土體在強夯作用下成為“橡皮土”,此深度范圍內(nèi)的超重型動力觸探錘擊數(shù)也明顯偏小。
結(jié)合現(xiàn)場具體施工條件與施工工期的要求,最終選擇采用強夯置換方法對不合格區(qū)域重新進(jìn)行加固處理。首先,開挖基坑形成墩坑,坑深6 m,坑間距5 m,開挖寬度不小于夯錘直徑,坑內(nèi)積水隨時抽干抽凈,在自然狀態(tài)下暴曬2天。然后,在坑內(nèi)填入硬質(zhì)散體粒料,主要為經(jīng)爆破后的巖體碎石骨料,只在主夯點填料,滿夯點、拍夯點不填料。最后,重新按照強夯設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工。
強夯置換結(jié)束后同樣進(jìn)行了3組平板載荷試驗、6組超重型動力觸探試驗、3組密實度試驗,試驗點位與強夯試驗點位基本一致。平板載荷試驗的荷載位移曲線如圖2所示,超重型動力觸探試驗的每米貫入指數(shù)均值如表4所示,密實度試驗結(jié)果如表5所示。
根據(jù)圖2可得,復(fù)合地基承載力平均值大于220 kPa。根據(jù)表4可得,超重型動力觸探錘擊數(shù)均大于3擊,尤其是1~3 m深度范圍內(nèi)顯著大于其他深度范圍內(nèi)的錘擊數(shù),反映出強夯置換加固效果主要體現(xiàn)在1~3 m深度范圍內(nèi)的土體。根據(jù)表5可知,密實度均顯著提高。綜合判定強夯置換后復(fù)合地基的承載力能滿足設(shè)計要求。
圖2 強夯置換后的平板載荷試驗曲線Fig.2 Curves of load versus displacement for plate loading test after dynamic replacement
表4 強夯置換后超重型動力觸探試驗結(jié)果Tab.4 Results of super-heavy dynamic penetration test after dynamic replacement
表5 強夯置換后的密實度試驗結(jié)果Tab.5 Results of density test after dynamic replacement
(1)針對飽和軟粘土地基,應(yīng)首先選擇強夯置換進(jìn)行加固處理,且應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體條件采取必要的排水措施與恰當(dāng)?shù)闹脫Q填料。
(2)強夯法施工前應(yīng)進(jìn)行試夯,確定工藝的可行性;施工過程中要密切注意雨季的地面排水措施,施工后要及時回填夯坑。
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