何 勇， 賀 瑞， 陳建敏， 張朋朋

(1.西南電力設(shè)計(jì)院有限公司， 成都 610021；2.電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院， 北京 100120；3.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司， 廣州 510530)

引 言

泥巖是由弱固結(jié)的黏土經(jīng)壓實(shí)、脫水和重結(jié)晶等作用形成的沉積巖，其開挖后形成的泥巖碎石土一般屬于巨(粗)粒土料，遇水易崩解和軟化[1-5]，可能導(dǎo)致填方地基的濕陷沉降變形[6-7]。因此，采用泥巖作為建造高填方地基的填料，在工程界歷來存在爭(zhēng)議[5,7-9]。例如云南麗江機(jī)場(chǎng)采用泥巖填筑填方地基，建成通航后道面最大沉降量達(dá)45.4 cm，造成道面道基間嚴(yán)重脫空，道面開裂，嚴(yán)重影響適航性，被迫于2008年停航維修[6]；京珠高速公路長(zhǎng)沙至湘潭K18-K19路段，采用泥巖填筑的路堤在未澆筑路面混凝土結(jié)構(gòu)層前經(jīng)歷雨季，13 m高的路基最大沉降量達(dá)18 cm，經(jīng)壓漿處理后，一個(gè)月內(nèi)路基再下沉18 cm[10]。

但在我國(guó)西南地區(qū)，泥巖分布廣泛，建造高填方地基時(shí)，考慮到地基處理的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境保護(hù)因素，多數(shù)工程，尤其是占地面積較大、土石方量較大的工程，不得不采用泥巖作為填料。有研究表明，壓實(shí)質(zhì)量較高的泥巖填筑體發(fā)生濕陷沉降變形的幾率會(huì)有相當(dāng)程度的降低[6,10]，因此，山西省機(jī)械施工公司提出泥巖高填方地基宜采用強(qiáng)夯法處理[11]，張永宏[12]認(rèn)為采用強(qiáng)夯加固法可有效解決泥巖在路基填筑中的局限性。然而，現(xiàn)行有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于泥巖高填方地基的分層強(qiáng)夯設(shè)計(jì)缺乏有效指導(dǎo)，未提出強(qiáng)夯能級(jí)的選用原則和方法；對(duì)于夯點(diǎn)間距和滿夯擊數(shù)等重要強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)定尚不統(tǒng)一，并且部分研究文獻(xiàn)推薦的夯點(diǎn)間距過于偏大。本文依托烏東德直流輸電工程±800 kV昆北換流站工程泥巖高填方地基設(shè)計(jì)，對(duì)不同能級(jí)分層強(qiáng)夯方案開展了綜合比較，提出了技術(shù)經(jīng)濟(jì)較優(yōu)的6000 kN·m分層強(qiáng)夯方案，為類似工程的分層強(qiáng)夯設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)夯能級(jí)選用的思路；同時(shí)，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，著重研究了夯點(diǎn)間距和滿夯擊數(shù)等主要強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)，供工程設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作參考。

1 工程概況

1.1 站址概況

±800 kV昆北換流站為烏東德電站送電廣東廣西特高壓多端直流示范工程的送端換流站，站址位于云南省昆明市祿勸縣茂山鎮(zhèn)麗山村，南距祿勸縣約23 km。站址場(chǎng)地地貌屬侵蝕構(gòu)造地貌之中海拔、中起伏山地地貌，場(chǎng)地主要由近南北向的寬緩山梁和分布于兩側(cè)的沖溝組成，自然地面高程在1925 m～2000 m之間，最大高差約75 m，地形坡度約5度～35度。

1.2 地質(zhì)條件

①1層粉質(zhì)粘土、粘土：呈灰褐色、灰色，可塑～硬塑狀，混巖石風(fēng)化碎屑，分布在溝谷中土層的中上部，厚度1.00 m～3.20 m。

①2層粉質(zhì)粘土、粘土：呈灰色、灰黑色，主要為粘土和粉質(zhì)粘土，軟塑。

①3層粉砂：呈灰色，松散～稍密，在溝谷地段零星分布。

②1層粉質(zhì)粘土：呈紅褐色、褐色，可塑～硬塑狀，混巖石風(fēng)化碎屑，廣泛分布于山梁及斜坡地段，厚度為0.50 m～2.60 m。

②2層塊石：雜色，呈稍密狀，骨架成分一般多以強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖為主，塊石粒徑一般200 mm～300 mm，充填可塑狀粘土。

③1層泥巖、粉砂巖全風(fēng)化層，呈紅褐色、褐色，全風(fēng)化，呈土狀，主要分布于山梁及斜坡中上部，厚度0.40 m～6.90 m。

③層基巖，主要為泥巖，呈紫紅色、棕紅色；次為紫紅色、棕紅色粉砂巖，淺灰色砂巖及泥質(zhì)砂巖?；鶐r強(qiáng)風(fēng)化層厚度約為0.40 m～3.90 m。

1.3 站區(qū)豎向布置

根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，站區(qū)采用平坡式豎向布置。場(chǎng)地平整以土石方挖填自平衡為原則，初平設(shè)計(jì)標(biāo)高1969.30 m，挖方量約220×104m3，填方量約225×104m3。場(chǎng)平后，500 kV交流濾波器場(chǎng)大部、±800 kV直流場(chǎng)大部位于填方區(qū)，站區(qū)圍墻內(nèi)最大填方高度大約35 m，是目前國(guó)內(nèi)特高壓換流站工程的第一高填方。

2 強(qiáng)夯方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)場(chǎng)平方案和勘察資料，估算的場(chǎng)地挖方土石比例約為2∶8，因此，填方填料以泥巖碎石土為主，而泥巖高填方地基要解決的核心問題主要是濕陷沉降變形問題。在建造大面積填方地基主流的幾種壓(夯)實(shí)工藝中，強(qiáng)夯法具有較大的單位壓實(shí)功[13]，可以提高壓實(shí)質(zhì)量，減少泥巖填方地基發(fā)生濕陷沉降變形的幾率。同時(shí)，結(jié)合昆明新機(jī)場(chǎng)建造泥巖高填方地基的成功經(jīng)驗(yàn)[14]，為了減少填方地基的工后沉降，站區(qū)高填方地基處理采用分層強(qiáng)夯方案。

2.1 強(qiáng)夯能級(jí)

由于高能級(jí)、超高能級(jí)強(qiáng)夯設(shè)備體積較大、移動(dòng)笨拙，同時(shí)，強(qiáng)夯加固深度并不隨著能級(jí)的增高而成比例增長(zhǎng)，因此，高填方地基不宜采用高能級(jí)、超高能級(jí)強(qiáng)夯。下面對(duì)6000 kN·m、4000 kN·m兩個(gè)中等能級(jí)分層強(qiáng)夯方案開展比選。

2.1.1 6000 kN·m方案

點(diǎn)夯能級(jí)6000 kN·m，最大分層堆填厚度8 m；滿夯能級(jí)2000 kN·m。預(yù)估的強(qiáng)夯分層情況見表1，相應(yīng)的工期、投資估算分別見表2、表3。

表1 6000 kN·m方案分層一覽表

表2 6000 kN·m方案工期估算

注：1.6000 kN·m點(diǎn)夯效率按500 m2/d，2000 kN·m滿夯效率按500 m2/d考慮。

2.泥巖碎石土強(qiáng)夯時(shí)可以連續(xù)夯擊，因此表中未計(jì)各遍夯擊的間隔時(shí)間。

表3 6000 kN·m方案投資估算

注：1.點(diǎn)夯單點(diǎn)擊數(shù)按12擊考慮。

2.僅計(jì)直接工程費(fèi)。

2.1.2 4000 kN·m方案

點(diǎn)夯能級(jí)4000 kN·m，最大分層堆填厚度6 m；滿夯能級(jí)2000 kN·m。預(yù)估的強(qiáng)夯分層情況見表4，相應(yīng)的工期、投資估算分別見表5、表6。

表4 4000 kN·m方案分層一覽表

注：1.4000 kN·m點(diǎn)夯效率按700 m2/d，2000 kN·m滿夯效率按500 m2/d考慮。

表6 4000 kN·m方案投資估算

注：1.點(diǎn)夯單點(diǎn)擊數(shù)按15擊考慮。

2.1.3 方案比選

表7 方案比較表

根據(jù)比較，以直接工程費(fèi)口徑計(jì)算的投資，6000 kN·m方案節(jié)省大約270萬(wàn)元，節(jié)省幅度11%；同時(shí)，節(jié)省工期大約20 d，節(jié)省幅度19%。

技術(shù)方面，由于泥巖碎石土在分層堆填時(shí)不可避免的存在塊石架空現(xiàn)象，而這正是泥巖高填方地基發(fā)生濕陷沉降變形的重要原因[10]，因此，強(qiáng)夯時(shí)宜適當(dāng)提高夯擊能將大顆粒擊碎。

綜合考慮，推薦采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)更優(yōu)的6000 kN·m分層強(qiáng)夯方案。

2.2 填料組織

填料主要來源于場(chǎng)平挖方區(qū)開挖出的土石方，包括②1層粉質(zhì)粘土、②2層塊石和③層基巖。細(xì)粒土填料的含水量應(yīng)按最優(yōu)含水量±2%控制，其中，最優(yōu)含水量采用重型擊實(shí)試驗(yàn)確定。為了減小泥巖地基發(fā)生濕陷沉降變形的幾率，開挖出的泥巖塊石最大粒徑按300 mm控制。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

自20世紀(jì)70年代引起國(guó)內(nèi)以來，強(qiáng)夯法已在地基處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有關(guān)強(qiáng)夯的加固機(jī)理研究也在不斷深入，但目前尚未形成一套成熟、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，仍然屬于工程實(shí)踐領(lǐng)先于理論研究的地基處理方式。因此，采用強(qiáng)夯法處理的地基，應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，確定適用性和處理效果，以及合適的強(qiáng)夯設(shè)計(jì)和施工參數(shù)。

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮試驗(yàn)對(duì)比分析、強(qiáng)夯設(shè)計(jì)優(yōu)化的需要，設(shè)置A、B兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)，各區(qū)場(chǎng)地尺寸約為20 m×20 m。

3.1.1 變量設(shè)計(jì)

夯點(diǎn)間距直接影響有效加固深度和加固效果，因此，在強(qiáng)夯能級(jí)一定時(shí)，夯點(diǎn)間距是最有意義的試驗(yàn)變量。對(duì)于6000 kN·m能級(jí)的夯點(diǎn)間距，目前工程界的認(rèn)識(shí)并不統(tǒng)一，《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》CECS 279∶2010的規(guī)定為5.5 m～6.0 m，而《高填方地基技術(shù)規(guī)范》GB 51254-2017的規(guī)定則為5 m，也有研究提出為8 m[15]。因此，試驗(yàn)將夯點(diǎn)間距作為主要變量，A區(qū)采用5 m，B區(qū)采用6 m。

滿夯是加固強(qiáng)夯地基擾動(dòng)層的重要手段，滿夯擊數(shù)直接決定了地基強(qiáng)度，即適當(dāng)提高滿夯擊數(shù)對(duì)加固效果有利；但考慮到施工效率，滿夯擊數(shù)也不宜過高。因此，將滿夯擊數(shù)作為變量之一，A區(qū)每點(diǎn)5擊，B區(qū)每點(diǎn)3擊。

綜上，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的研究變量分別是夯點(diǎn)間距和滿夯擊數(shù)。

3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合強(qiáng)夯方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)變量設(shè)計(jì)，提出現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表8：

表8 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1.3 施工參數(shù)

結(jié)合主流強(qiáng)夯設(shè)備的起吊能力，試驗(yàn)選擇錘底直徑2.5 m、質(zhì)量35 t的夯錘，相應(yīng)的施工參數(shù)見表9。

表9 主要施工參數(shù)

3.1.4 填筑方式

根據(jù)《強(qiáng)夯地基處理技術(shù)規(guī)程》CECS 279∶2010的規(guī)定，人工填土強(qiáng)夯地基分層堆填的亞層厚度可取0.8 m～1.2 m。但根據(jù)滇西北直流輸電工程±800 kV新松換流站的工程經(jīng)驗(yàn)，亞層厚度過大時(shí)，填料粒徑無法控制，極易形成塊石架空，顯著減小強(qiáng)夯的有效加固深度，同時(shí)，為泥巖發(fā)生濕陷沉降變形提供了可能。因此，將堆填的亞層厚度由規(guī)范規(guī)定的0.8 m～1.2 m改為0.4 m。每堆填約400 mm時(shí)，采用推土機(jī)推平處理，再用18 t振動(dòng)碾壓機(jī)械碾壓2遍，通過開挖-裝車-卸車堆填-大顆粒二次破碎-推土機(jī)推平-碾壓-第2亞層回填，直至完成該層預(yù)定的堆填厚度。

3.1.5 驗(yàn)收指標(biāo)

根據(jù)同類地質(zhì)條件下的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合特高壓換流站的使用要求，強(qiáng)夯地基的預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，即質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)見表10。

表10 驗(yàn)收指標(biāo)表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 平板載荷試驗(yàn)

A、B區(qū)夯后各設(shè)3個(gè)載荷試驗(yàn)點(diǎn)，其位置均為夯間，深度均為夯后完成面以下1m。試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

注：試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)1.5 m的方形壓板，最大加載量400 kPa。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，A、B區(qū)夯后的地基承載力特征值和變形模量均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中，就變形模量而言，A、B區(qū)的平均值均超過均30 MPa，可判定為低壓縮性地基；橫向比較，A區(qū)較好。

3.2.2 重型動(dòng)力觸探

A、B區(qū)夯前各設(shè)3個(gè)重型動(dòng)力觸探測(cè)點(diǎn)，位置均為夯間；夯后各設(shè)6個(gè)重型動(dòng)力觸探測(cè)點(diǎn)，其中3個(gè)為夯間對(duì)比測(cè)點(diǎn)，3個(gè)為夯點(diǎn)測(cè)點(diǎn)。

A、B區(qū)夯間測(cè)點(diǎn)夯前、夯后的動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線對(duì)比分別如圖1、圖2所示。

圖1 A區(qū)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線圖

圖2 B區(qū)重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線圖

A區(qū)夯間在夯前的動(dòng)探擊數(shù)平均值約為9.0，處于稍密狀態(tài)；夯后動(dòng)探擊數(shù)平均值約為14.4，處于中密狀態(tài)。夯后8 m深度范圍以內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)均有不同程度提高，平均提高大約60%。

B區(qū)夯間在夯前的動(dòng)探擊數(shù)平均值約為7.6，處于稍密狀態(tài)；夯后動(dòng)探擊數(shù)平均值約為11.3，處于中密狀態(tài)。夯后8 m深度范圍以內(nèi)動(dòng)探擊數(shù)均有不同程度提高，平均提高大約48%。

各區(qū)夯點(diǎn)測(cè)點(diǎn)夯后的動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 夯點(diǎn)動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來看，A、B區(qū)夯點(diǎn)夯后的動(dòng)探擊數(shù)平均值均在15擊左右，處于中密狀態(tài)，部分層位已處于密實(shí)狀態(tài)，加固效果較好。

將夯點(diǎn)與夯間的動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，A區(qū)夯點(diǎn)、夯間的動(dòng)探擊數(shù)平均值基本接近；而B區(qū)的差異則相對(duì)較大，反映整體的均勻性較差。

綜合來看，A、B區(qū)的強(qiáng)夯加固深度均達(dá)到8 m。橫向比較，不論是以動(dòng)探擊數(shù)平均值衡量的地基強(qiáng)度，或者是以動(dòng)探擊數(shù)提高值評(píng)價(jià)的夯實(shí)效果，亦或是夯點(diǎn)夯間的均勻性，A區(qū)均較B區(qū)稍好。

3.2.3 壓實(shí)系數(shù)檢測(cè)

A、B區(qū)分別在平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置3個(gè)壓實(shí)系數(shù)檢測(cè)點(diǎn)，分別采用了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)刀法、現(xiàn)場(chǎng)灌砂法以及瑞雷波法在深度上進(jìn)行了分層檢測(cè)。其中，瑞雷波法通過建立波速與密度的關(guān)系間接計(jì)算壓實(shí)系數(shù)，其試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 壓實(shí)系數(shù)圖

從圖3中可以看出，A、B區(qū)3個(gè)測(cè)點(diǎn)沿深度的壓實(shí)系數(shù)均大于等于0.94，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.4 綜合分析

總體來看，A、B試驗(yàn)區(qū)的地基承載力特征值、變形模量和壓實(shí)系數(shù)等試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，以起夯面計(jì)算的有效加固深度達(dá)到8 m；表明采用強(qiáng)夯處理泥巖填方地基是合適的，試驗(yàn)方案是基本合理的。

從動(dòng)力觸探試驗(yàn)來看，A、B試驗(yàn)區(qū)填土的密實(shí)度經(jīng)強(qiáng)夯后，由稍密狀態(tài)進(jìn)入中密～密實(shí)狀態(tài)，地基強(qiáng)度得到大幅提高。但B區(qū)夯點(diǎn)、夯間的動(dòng)探擊數(shù)平均值差異相對(duì)較大，主要是夯間的動(dòng)探擊數(shù)相對(duì)較低，表明受夯點(diǎn)間距偏大的影響，夯間的夯實(shí)加固效果有限，導(dǎo)致地基均勻性較差。

從平板載荷試驗(yàn)來看，A、B試驗(yàn)區(qū)的地基承載力特征值均可以達(dá)到200 kPa，變形模量平均值超過30 MPa。由于淺層平板載荷試驗(yàn)的影響深度主要是強(qiáng)夯填筑體的上部，而該深度范圍是點(diǎn)夯的擾動(dòng)范圍，主要由滿夯加固，因此，可以認(rèn)為滿夯擊數(shù)分別為3擊、5擊時(shí)均能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

(1)泥巖高填方地基設(shè)計(jì)應(yīng)著重提高回填壓實(shí)質(zhì)量，減少其發(fā)生濕陷沉降變形的幾率，宜采用中等能級(jí)分層強(qiáng)夯，能級(jí)選用可根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。針對(duì)±800 kV昆北換流站，推薦采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)較優(yōu)的6000 kN·m分層強(qiáng)夯方案。

(2)為了有效控制填料粒徑，盡量避免由于泥巖大塊石架空可能造成的地基濕陷沉降變形，建議將堆填的亞層厚度由規(guī)范規(guī)定的0.8 m～1.2 m減小為0.4 m，相應(yīng)將最大粒徑控制在300 mm左右。

(3)在土石比例約2:8，夯點(diǎn)間距分別為5 m、6 m，夯點(diǎn)的單點(diǎn)擊數(shù)不低于12擊時(shí)，6000 kN·m的有效加固深度可以達(dá)到8 m；地基承載力特征值可達(dá)200 kPa，變形模量平均值超過30 MPa；但夯點(diǎn)間距為6 m時(shí)夯間、夯點(diǎn)的密實(shí)度差異相對(duì)較大，地基均勻性較差。

(4)對(duì)于±800 kV昆北換流站，大面積強(qiáng)夯施工時(shí)的夯點(diǎn)間距推薦采用夯間夯實(shí)效果更好、地基均勻性更好的5 m；兼顧考慮施工效率，頂層以下各層的滿夯推薦采用一遍3擊，頂層滿夯推薦采用兩遍5擊。