黃磊 龔曉南 俞建霖 陳若曦

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(shù)情況下加固效果的現(xiàn)場試驗研究，介紹了三個不同試夯區(qū)的施工參數(shù)以及現(xiàn)場檢測的結(jié)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(shù)不同的試夯區(qū)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(guān)鍵詞：變電站；高填方；強夯法；現(xiàn)場試驗；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(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。而強夯法，又稱動力密實法，是用起重機器將質(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(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(yīng)用，但對于不同場地結(jié)合不同的地質(zhì)條件，強夯工藝及施工參數(shù)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(jīng)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(shù)及指標，現(xiàn)場進行了強夯試驗，分別設(shè)置了三個不同的試夯區(qū)，本文著重介紹通過三個試夯區(qū)的強夯試驗優(yōu)化大面積強夯施工參數(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，無搖震反應(yīng)，稍有光滑，干強度中等、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，顆粒級配差，呈棱角狀，磨圓差，排列無序，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，有殘余結(jié)構(gòu)強度，巖體呈砂狀，厚度一般為0.40m～4.00m。

（5）粉砂巖（強風(fēng)化）

灰黃色，主要礦物成分為石英、長石，泥質(zhì)膠結(jié)，細粒結(jié)構(gòu)，中厚層構(gòu)造，呈碎塊狀，強風(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、長石，泥質(zhì)膠結(jié)，鈣質(zhì)膠結(jié)，細粒結(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)強夯參數(shù)的設(shè)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(qū)的大小均為27m*27m，各試夯區(qū)強夯參數(shù)設(shè)置如下表所示：

說明：Ⅰ區(qū)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(qū)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(qū)的夯擊遍數(shù)和控制指標同Ⅱ區(qū)，只是夯點間距和布置形式不同。

3.現(xiàn)場強夯試驗結(jié)果

3.1 平均累計夯沉量與夯擊次數(shù)的關(guān)系

在Ⅰ區(qū)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(qū)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(qū)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(shù)下Ⅲ區(qū)的夯沉量稍大于Ⅱ區(qū)對應(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(qū)的平均累計夯沉量只是稍大于Ⅱ區(qū)，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(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。

3.2 超重型動力觸探試驗

在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)夯前、夯后分別進行超重型動力觸探，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力觸探孔位的數(shù)據(jù)繪成曲線圖如下（圖中動力觸探擊數(shù)為現(xiàn)場實測未經(jīng)修正）。

從圖2可以看出，強夯之后動力觸探擊數(shù)有了較高程度的提高。在Ⅰ區(qū)內(nèi)，深度5.4m以上動力觸探擊數(shù)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(nèi)動探擊數(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以上動力觸探擊數(shù)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(qū)，有效深度范圍內(nèi)動力觸探擊數(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以上動力觸探擊數(shù)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(qū)，有效深度范圍內(nèi)動力觸探擊數(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(shù)。夯能越大動力觸探擊數(shù)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(qū)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(qū)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(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(qū)強夯結(jié)束后，分別進行瑞雷波測試，繪出各個試夯區(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)動力觸探判斷有效加固深度的結(jié)果相對比，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；而夯點間距4.2m方形布置的Ⅰ、Ⅱ試夯區(qū)內(nèi)波速標準差和變異系數(shù)大于夯點間距5.0m三角形布置的Ⅲ試夯區(qū)，說明Ⅲ區(qū)的強夯加固地基的均勻性比Ⅰ、Ⅱ區(qū)要好。

3.4 密實度和固體體積率

為進一步評價不同試夯區(qū)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(qū)檢測結(jié)果見表3、4。從表中可以看出，Ⅰ區(qū)的密實度和固體體積率都達不到設(shè)計要求值0.97/0.82，而Ⅱ、Ⅲ區(qū)能達到設(shè)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(shè)計標準，各個試夯區(qū)的Q～s曲線如下圖4所示。地基承載力特征值采用相對變形法選擇[6]，取s/b等于0.01～0.015所對應(yīng)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(shù)，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(yīng)的沉降量；b 為荷載板的邊長。

當取s/b=0.01所對應(yīng)的壓力為地基承載力特征值時，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)計要求值，對應(yīng)的變形模量分別為21Mpa，24Mpa，40Mpa；當取s/b=0.015所對應(yīng)的壓力為地基承載力特征值時，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)計要求值，對應(yīng)的變形模量分別為17Mpa，21Mpa，32Mpa；從靜載荷試驗結(jié)果來看，碎石土地基強夯后承載力均較高，全部滿足設(shè)計要求。

4.結(jié)語

通過對本工程試夯區(qū)強夯試驗的檢測可得出以下幾條結(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(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。

（2）夯能越大動力觸探擊數(shù)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(qū)經(jīng)強夯加固后地基均勻性好于夯點間距正方形布置區(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(shù)。

（4）三個試夯區(qū)在強夯后地基承載力特征值均滿足設(shè)計要求，但其它參數(shù)比如密實度和固體體積率并不全部滿足設(shè)計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)系到整個工程的施工質(zhì)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(zhì)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(qū)的強夯施工參數(shù)，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(zhì)量以確保整個工程質(zhì)量。

參考文獻

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