楊 關(guān)，余 波，張朋朋

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

傳統(tǒng)的強(qiáng)夯法適用于加固非飽和土，基于動(dòng)力壓密的概念，利用沖擊型動(dòng)力荷載，使土體中的孔隙體積減小，土體變得更為密實(shí)，從而提高其強(qiáng)度。

采用強(qiáng)夯法加固飽和土的原理為動(dòng)力固結(jié)的理論。單純的動(dòng)力固結(jié)法，很長時(shí)間以來只有理論意義，而沒有實(shí)際意義。后來，工程師們利用動(dòng)力固結(jié)原理，通過在夯坑中加硬質(zhì)粗顆粒填料，建立排水通道，使地基土夯坑周圍與夯坑底的孔隙水就近轉(zhuǎn)移，加快土層固結(jié)，使得動(dòng)力固結(jié)原理在工程實(shí)踐中有了應(yīng)用價(jià)值。這種采取改良后的強(qiáng)夯法通常也叫做強(qiáng)夯置換法或強(qiáng)夯半置換法。

1 工程概況

昭通±500 kV換流站位于云南省鹽津縣牛寨鄉(xiāng)北側(cè)約1.0 km牛寨村境內(nèi)，地處云貴高原北部邊緣，年平均氣溫14℃，年平均降水量超過1200 mm。全年晴天較少，不超過90天，陰冷潮濕。站址場地相對高差50 m，場平后最大填方厚度24 m。由于填土為天然含水量35%～40%的粘性土，且無條件進(jìn)行晾曬，場地平整無法采用完全傳統(tǒng)的分層碾壓方案。經(jīng)過方案分析比較，決定采用強(qiáng)夯法，整個(gè)強(qiáng)夯面積超過1.5×105m2，場平方量約7×105m3。

2 方案原理

如何順利地開展強(qiáng)夯工作，使夯后的地基土的承載力和壓縮模量明顯提高，達(dá)到預(yù)期的處理效果?；舅悸酚袃牲c(diǎn)：(1)夯前降低土壤含水率；(2)夯中和夯后加速土壤中孔隙水的排除，使其快速固結(jié)。

部分工程人員認(rèn)為用強(qiáng)夯法加固地基原理與一般功能擊實(shí)原理類似，一味地探索在某一夯擊能下的“最優(yōu)含水量”及“最大干密度”，常常得出含水量低或飽和軟土不適合強(qiáng)夯加固的結(jié)論。基于這種錯(cuò)誤的認(rèn)識，設(shè)計(jì)方案總是單純地從夯前降低土壤含水率著手，常常感到困難重重，難以實(shí)施。

在夯前無法有效降低土壤含水率的情況下，應(yīng)著重考慮加快夯后填土的排水固結(jié)。太沙基一維固結(jié)理論建立的微分方程求得的解見式 (1)、(2)。

式中：U為固結(jié)度；Tv為豎向固結(jié)時(shí)間因數(shù)；k為垂向的滲透系數(shù)；H為壓縮土層最遠(yuǎn)的排水距離；e1為土的天然孔隙比；t為時(shí)間(年)；a為土的壓縮系數(shù)；e為自然對數(shù)的底；γw為水的容重。

由上可知，滲透系數(shù)k越大，壓縮模量Es越大，時(shí)間t越長，滲流路徑H越短，越易固結(jié)。此外，根據(jù)層流滲透定律及達(dá)西定律可知，水流梯度I越大，滲流速度越快。

因此，設(shè)計(jì)方案要從以下著手：(1)增加土壤粗骨料含量，改變土壤性質(zhì)，提高滲透系數(shù)和壓縮模量；(2)填土增加縱橫排水通道，縮短滲流路徑；(3)合理確定強(qiáng)夯單位夯擊能和夯擊次數(shù)，有效增加孔隙水壓力，提高水力梯度。

3 方案

3.1 填土方案

通過添加碎石改善填料的性質(zhì)，主要起以下兩個(gè)作用：使土壤性質(zhì)向粗顆粒土轉(zhuǎn)變，通過試驗(yàn)可知，滲透系數(shù)增大10～500倍，孔隙水的排水路徑最大不超過1 m，縮短90%以上；碎石起到“骨架”作用，防止土壤在在強(qiáng)夯作用下形成“橡皮土”。

使用碎石有以下優(yōu)點(diǎn)：取材容易，價(jià)錢便宜，部分場地可用挖方區(qū)的基巖破碎而成；施工便利快捷。

填土方案的選擇對強(qiáng)夯的工序和結(jié)果有較大的影響。主要分為薄填土方案和厚填土方案，兩者對比詳表1。

表1 薄填土方案與厚填土優(yōu)缺點(diǎn)

本工程初期選擇薄填土方案，但發(fā)現(xiàn)難以實(shí)施時(shí)且影響工程進(jìn)度，后期及時(shí)調(diào)整為厚填土方案。

3.2 有效加固深度

強(qiáng)夯有效加固深度的影響因素有單擊夯擊能、夯擊擊數(shù)、夯錘型式、地基土的性質(zhì)、施工方法等，目前尚無一個(gè)同時(shí)考慮上述諸多變量影響的理論公式，宜實(shí)測結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定。

單擊夯擊能直接影響有效加固深度，但是在單擊夯擊能未達(dá)到最佳夯擊能的情況下夯擊擊數(shù)的增大也會(huì)導(dǎo)致有效加固深度變大，但這會(huì)導(dǎo)致能量損失的加大。

同等條件下錘底面積小的夯錘有效加固深度大于錘底面積大的夯錘，但小夯錘會(huì)明顯降低夯擊效率，增加單位面積的強(qiáng)夯時(shí)間，影響工程進(jìn)度。因此，宜采用組合錘方案。一般采用大錘夯沉，個(gè)別地方采用小錘輔助夯擊形成貫通每層的碎石樁，成為穩(wěn)定的豎向排水通道。小錘夯擊點(diǎn)每500 m2設(shè)置一個(gè)。如果不利用小錘形成豎向碎石樁，也可以采用設(shè)置專門的豎向排水管。

表2 強(qiáng)夯的有效加固深度

表2是《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中對未進(jìn)行試夯的強(qiáng)夯有效加固深度的建議值。當(dāng)遇到含水率較高的細(xì)粒土?xí)r，為使孔隙水壓力盡可能增大從而加大排水固結(jié)速率，根據(jù)工程試驗(yàn)，建議取下限值的90%為宜。

3.3 夯點(diǎn)布置

在分析合理夯擊間距的時(shí)候，單純地把夯距的大小和夯錘的直徑聯(lián)系起來，不盡正確，必須把強(qiáng)夯能級的大小對夯距的影響也考慮進(jìn)去。根據(jù)太原理工大學(xué)1980年實(shí)驗(yàn)得出的強(qiáng)夯實(shí)測應(yīng)力分布和等壓線圖(圖1)，強(qiáng)夯的影響范圍像一個(gè)壓力泡。

圖1 在垂直投影面上P1的分布和等壓線

如果按等密度曲線劃出來的土楔體，便是一個(gè)梨形體(圖2)。如果等密度的密實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)夯的設(shè)計(jì)要求值，那么梨形體的寬度就是強(qiáng)夯夯點(diǎn)間距。如果降低等值線的標(biāo)準(zhǔn)，梨形寬度增大，夯點(diǎn)間距也就增大。如果把地基作為均勻地基看待，基礎(chǔ)布置不考慮夯間和夯點(diǎn)強(qiáng)度差異，那么等值線的要求可提高，夯距相應(yīng)縮小。

圖2 強(qiáng)夯加固剖面圖

從縱向上分析，點(diǎn)夯后的區(qū)域分為3個(gè)區(qū)域，由上至下分別為：強(qiáng)夯擾動(dòng)帶；強(qiáng)加固帶；弱加強(qiáng)帶。

強(qiáng)夯擾動(dòng)的深度隨夯點(diǎn)間距和能級的增大而增大。因此強(qiáng)夯工藝上常說，大夯距加固深層，中等夯距加固中層，小夯矩距固淺層。低能滿夯用于表層。

表3 不同能級夯點(diǎn)間距經(jīng)驗(yàn)值

從布點(diǎn)方式來說，變電站大部分場地對填土的均勻性要求比較高，采用正三角形布置，夯點(diǎn)間距一致，強(qiáng)夯效率最高，最為合適。當(dāng)然，根據(jù)場地的具體的情況，可以選擇正方形布置、梅花形布置等。當(dāng)布點(diǎn)形式為正三角形和正方形時(shí)，夯點(diǎn)間距取值可參考表3的數(shù)據(jù)。

3.4 夯擊過程

經(jīng)試驗(yàn)，厚填土方案有兩種選擇，一種是先隔行夯擊大夯擊能點(diǎn)夯，再復(fù)夯，最后再低錘滿夯，另一種方案是第一種方案的改進(jìn)，利用大夯距加固深層、中夯距加固中層、小夯距加固淺層的原理，先大夯擊能隔行點(diǎn)夯第一遍，再中夯擊能點(diǎn)夯隔在中間行的夯點(diǎn)，再復(fù)夯，最后低錘滿夯。

夯擊次數(shù)是強(qiáng)夯設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場試夯確定，常以夯坑的壓縮量最大、夯坑周圍隆起量最小為確定的原則?？蓮默F(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，但要滿足最后兩擊的平均夯沉量不大于50～100 mm(單位夯擊能較大時(shí)取100 mm)，同時(shí)夯坑周圍地面不發(fā)生過大的隆起。因?yàn)槁∑鹆刻?，說明夯擊效率降低，則夯擊次數(shù)要適當(dāng)減少。此外，還要考慮施工方便，不能因夯坑過深而發(fā)生起錘困難的情況。

夯擊遍數(shù)應(yīng)根據(jù)地基土的性質(zhì)確定。由粗顆粒土組成的滲透性強(qiáng)的地基，夯擊遍數(shù)可少些。反之，由細(xì)顆粒土組成的滲透性弱的地基，夯擊遍數(shù)要求多些。必須指出，由于表層土是基礎(chǔ)的主要持力層，如處理不好，將會(huì)增加建筑物的沉降和不均勻沉降。因此，必須重視滿夯的夯實(shí)效果。

3.5 夯擊推薦方案

夯擊方案，應(yīng)根據(jù)理論結(jié)合試夯綜合分析確定。第一次試夯且無當(dāng)?shù)赝临|(zhì)的施工經(jīng)驗(yàn)時(shí)，若填土虛鋪厚度不大于6 m時(shí)，可參考以下要求。

二遍主夯點(diǎn)點(diǎn)夯能級4000 kN·m，夯點(diǎn)間距5 m，正三角形布點(diǎn)，隔行分二遍完成。如果深層加固效果不好，可改為第一遍主夯點(diǎn)能級6000 kN·m，隔行第二遍主夯點(diǎn)能級4000 kN·m。停夯收錘標(biāo)準(zhǔn)：最后兩擊平均夯沉量≤100 mm，單點(diǎn)擊數(shù)≥11擊。

當(dāng)主夯點(diǎn)夯坑深度大于2 m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行第三遍主夯點(diǎn)復(fù)夯，能級4000 kN·m。停夯收錘標(biāo)準(zhǔn)：最后兩擊平均夯沉量≤100 mm，單點(diǎn)擊數(shù)≥6擊。

第四遍滿夯，能級1500 kN·m。夯印搭接1/4錘徑，每點(diǎn)5擊。值得說明的是，非地面層的強(qiáng)夯層最后一遍的滿夯可以取消，面層不密實(shí)的部分可以利用上一層的強(qiáng)夯和堆載預(yù)壓使其固結(jié)，經(jīng)過檢測，沒有薄弱層。

一、二遍點(diǎn)夯后，需用碎石土或碎石將夯坑填平，然后進(jìn)行下遍強(qiáng)夯。強(qiáng)夯過程中應(yīng)有一定時(shí)間間隔，具體要求為：當(dāng)大部分夯坑需要進(jìn)行復(fù)夯時(shí)，一、二遍主夯點(diǎn)后，復(fù)夯之前至少應(yīng)有7天孔隙水壓力靜置消散期；僅有少量或者沒有夯坑需要復(fù)夯時(shí)，一、二遍主夯點(diǎn)之間，至少應(yīng)有7天孔隙水壓力靜置消散期。

面層第四遍滿夯完以后，采用18～22 T壓路機(jī)開激振碾壓5遍以上，以改善使持力層的均勻性。

2、3、4層強(qiáng)夯靜置7天以后再進(jìn)行強(qiáng)夯檢測；頂層強(qiáng)夯后可根據(jù)施工情況適當(dāng)延長靜置時(shí)間，至少不應(yīng)低于7天。

該方案夯前后土層示意圖見圖3。

3.6 實(shí)施結(jié)果

昭通換流站強(qiáng)夯工作在6個(gè)月的有效時(shí)間內(nèi)完成，摻碎石比例為36%。夯前，挖方區(qū)原狀土平均地基承載力160 kPa，壓縮模量6 MPa，平均含水率36%；夯后經(jīng)檢測，平均地基承載力220 kPa，變形模量達(dá)到15 MPa，土壤含水率從夯前的36%降到了24%，后期一年內(nèi)場地沉降觀測最大不超過10 cm，且觀測曲線已經(jīng)趨于平緩。由于排水路徑短且通暢，可以推測，目前填土的固結(jié)沉降已經(jīng)完成了70%～90%，永久沉降值在不超過15 cm且在可控的范圍內(nèi)。

由于強(qiáng)夯半置換效果明顯，昭通換流站高達(dá)24 m的深填方區(qū)的建構(gòu)筑物基礎(chǔ)均沒有設(shè)置樁基，而直接置于強(qiáng)夯處理的地基上。目前，最大沉降和不均勻沉降均遠(yuǎn)小于滿足規(guī)范的要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。經(jīng)初步計(jì)算，整個(gè)場地節(jié)約樁基15000 m3，費(fèi)用約2250萬，減少施工時(shí)間為3個(gè)月。

高含水率下的粘土強(qiáng)夯工作，宜采用強(qiáng)夯半置換法，應(yīng)根據(jù)強(qiáng)夯效果、處理深度、工期要求、費(fèi)用花費(fèi)等因素綜合考慮，通過本文分析對比，得出以下結(jié)論：

圖3 厚填土方案強(qiáng)夯前后土層示意圖

(1)在夯前無法有效降低土壤含水率處理的情況下，應(yīng)著重考慮加快夯后填土的排水固結(jié)。主要從以下著手：增加土壤粗骨料含量，改變土壤性質(zhì)，提高滲透系數(shù)和壓縮模量；填土增加縱橫排水通道，縮短滲流路徑；合理確定強(qiáng)夯單位夯擊能和夯擊次數(shù)，有效增加孔隙水壓力，提高水力梯度。

(2)制定合適強(qiáng)夯方案時(shí)，不僅要基于理論，還要考慮實(shí)際，要充分考慮工期、費(fèi)用以及機(jī)具等因數(shù)。在強(qiáng)夯處理填土方量超過2×105m3時(shí)，需綜合考慮工期、質(zhì)量、費(fèi)用的關(guān)系。由于填土工作占用大量時(shí)間，當(dāng)天氣和時(shí)間不允許時(shí)，宜采用厚填土方案；采用強(qiáng)夯半置換法時(shí)應(yīng)盡量采用大夯錘，提高強(qiáng)夯效率；強(qiáng)夯有效處理深度的確定應(yīng)既滿足要求，又避免夯擊能損失；夯點(diǎn)布置和夯擊遍數(shù)應(yīng)有利于整個(gè)夯擊過程的快速實(shí)施，方便機(jī)具施工。

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