強(qiáng)夯法在重慶市戶外變電站地基處理中的應(yīng)用

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

1 背景

重慶市位于四川盆地東部與盆周山地地貌區(qū)，區(qū)域地貌形態(tài)明顯受地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制，北有大巴山，南靠大婁山，處于川東弧形褶皺帶與大巴山、大婁山褶皺帶的接合部位，以山地丘陵為主。重慶市郊區(qū)變電站多為戶外變電站，選址在相對高差不大的地方，豎向布置設(shè)計(jì)采用平坡式。目前重慶市戶外變電站廣泛采用人工挖孔灌注樁和鉆孔灌注樁等基礎(chǔ)處理方案，但是大量的變電構(gòu)架使樁用量過多，導(dǎo)致地基處理不是十分經(jīng)濟(jì)。

利用碎、塊石及爆破開采的巖石碎屑作填料，采用強(qiáng)夯法對戶外變電站進(jìn)行地基處理，既經(jīng)濟(jì)，又省工、省時，符合因地制宜、就地取材和多快好省的建設(shè)原則。但是爆破開采的部分巖石直徑超過1 m，碎屑的粒徑也大小不均，需要對巖石碎屑進(jìn)行處理后才能回填，重慶地區(qū)僅少量民用建筑采用強(qiáng)夯法對巖石地基進(jìn)行處理［1-3］，可借鑒的經(jīng)驗(yàn)不多。目前，尚未見到重慶變電站使用強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理的報(bào)道。

本文將深入研究強(qiáng)夯的機(jī)理，并參考用強(qiáng)夯法處理山區(qū)塊石回填地基的相關(guān)工程實(shí)例，探討能否使用強(qiáng)夯法對山區(qū)變電站進(jìn)行地基處理。

2 山區(qū)填土地基的強(qiáng)夯機(jī)理

強(qiáng)夯是反復(fù)將夯錘提到高處使其自由落下，給地基以沖擊和振動能量，將地基土夯實(shí)的地基處理方法。振動能量以夯坑為中心沿地表通過夯擊產(chǎn)生的面波向四周傳播、沿深度通過體波向下傳播。面波分瑞利波和樂甫波，其中瑞利波攜帶了約2/3的振動能量，使周圍物體產(chǎn)生振動，對地基壓密效果不大，可以通過設(shè)抗震溝來減小瑞利波對周圍建筑物的影響;體波包括縱波和橫波，縱波先到達(dá)，使地基土骨架解體，隨后橫波通過液相運(yùn)動使因骨架解體而疏松的土顆粒變得比解體前更加密實(shí)。

山區(qū)填土的不均質(zhì)性使得夯擊產(chǎn)生的沖擊波會頻繁的發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，導(dǎo)致波能量損失，對強(qiáng)夯的加固深度起限制作用，對淺層加固起強(qiáng)化作用。強(qiáng)夯夯擊過程分為沖剪破壞階段、加固區(qū)形成及增長階段、能量飽和階段、過應(yīng)力消除及地基性能改善階段。沖剪破壞階段主要發(fā)生在每遍的前幾擊。此時，夯擊產(chǎn)生的瑞利波使夯錘周圍土體松動，主要起破壞作用。在波的強(qiáng)擴(kuò)散區(qū)，由于夯錘沖擊應(yīng)力、縱波的推拉與橫波壓實(shí)作用，使夯錘下部土體密實(shí);瑞利波隨著填土深度的增大，開始對地基加固效果起到有利作用。在瑞利波、縱波、橫波和夯錘沖擊應(yīng)力等共同作用下，強(qiáng)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的填土變得更加密實(shí)。隨著波能量逐漸損失，最終回填土加固區(qū)范圍趨于穩(wěn)定，這個階段為加固區(qū)形成及增長階段;繼續(xù)夯擊，波的能量損失隨著回填土密實(shí)度的提高而減小。當(dāng)波的能量完全消失時在回填土中的傳播距離與回填土加固深度剛好相等時，繼續(xù)增加夯擊次數(shù)加固深度基本不再變化，這個階段為能量飽和階段;經(jīng)強(qiáng)夯處理后，局部加固地過于密實(shí)、有超應(yīng)力現(xiàn)象，地基土由欠固結(jié)轉(zhuǎn)化成超固結(jié)?？紫兜木植肯鄬Ρ∪酰霈F(xiàn)所謂的過應(yīng)力現(xiàn)象，這個階段為過應(yīng)力消除階段。通過強(qiáng)夯對地基進(jìn)行處理后，地基承載力隨時間增長而增大。

3 相關(guān)工程實(shí)例

強(qiáng)夯法是近幾十年發(fā)展起來的地基處理新工藝，目前在山區(qū)機(jī)場、小高層的建設(shè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［4-9］。

貴陽龍洞堡機(jī)場位于起伏較大的山區(qū)，最大填方厚度為54 m左右，是國內(nèi)外較早對大塊石、高填方山區(qū)地基進(jìn)行強(qiáng)夯法處理的工程［7］。作者通過大量的試驗(yàn)，解決了強(qiáng)夯法處理塊石回填地基的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，并采用實(shí)驗(yàn)成果對一試點(diǎn)工程進(jìn)行了塊石回填地基強(qiáng)夯處理。結(jié)果表明采用分層填筑的大塊石地基，其加固后的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值大于700 kPa，地基回彈模量為400 kPa～500 kPa，地基變形模量大于400 MPa。地基累計(jì)沉降量小于2 mm，地基差異沉降量小于2 mm，地面平均夯沉量為50 cm～60 cm。作者認(rèn)為單擊夯擊能量3000 kN·m，夯擊12次～16次，地基(ρd≥2.0 g/cm3)有效加固深度為 4.0 m ～4.2 m。

重慶市同景國際城有18棟5+1F的多層建筑［1］，上部結(jié)構(gòu)采用磚混結(jié)構(gòu)，場地高差約14.0 m。結(jié)合工程的特點(diǎn)，作者對碾壓加固、沉管灌注樁、挖孔樁、強(qiáng)夯法加固四種地基處理方案做了比較，最終選用最經(jīng)濟(jì)的強(qiáng)夯法處理填筑體地基。山區(qū)填土的填料多為碎石填土，石塊大小不一，有的直徑甚至達(dá)幾米。填土地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后，采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。作者認(rèn)為采用3000 kN·m的夯擊能有效加固深度在5 m～6 m左右，單點(diǎn)夯擊區(qū)在深度接近6 m處的變形值達(dá)到了1.8 cm。

重慶某住宅小區(qū)有27棟12層小高層住宅樓［8］，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系。場地為山區(qū)無序拋填地基，填土厚度為7 m～45 m，平均厚度約為30 m。作者對鉆孔灌注樁、人工挖孔灌注樁、經(jīng)強(qiáng)夯處理后采用筏板基礎(chǔ)三種方案進(jìn)行了比選。最后采用了進(jìn)行強(qiáng)夯處理并采用筏板基礎(chǔ)方案。場區(qū)強(qiáng)夯處理地基分層進(jìn)行，回填材料來自于挖方區(qū)，應(yīng)級配良好，塊石含量不宜大于30%，采用4000 kN·m的單擊夯擊能，兩次夯后總影響深度大于25 m。強(qiáng)夯處理后，地基承載力特征值fa≥250 kPa，地基的壓縮模量Es≥20 MPa，建筑基礎(chǔ)的平均沉降量不大于200 mm。

某一層輕鋼廠房位于重慶九龍坡區(qū)［2］，占地約2萬m2，填方深度最大在8 m左右，填料為碎石、拋石回填，經(jīng)強(qiáng)夯處理后采用獨(dú)立基礎(chǔ)。選用主夯能級為2000 kN·m，強(qiáng)夯影響深度大于7 m。經(jīng)強(qiáng)夯處理后，地基承載力特征值達(dá)到265 kPa，變形模量為26.4 MPa，累計(jì)下沉量為6 mm。

4 采用強(qiáng)夯法應(yīng)注意的問題

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］6.3.6 條條文說明指出:“利用碎、塊石及爆破開采的巖石碎屑作填料時，為保證夯壓密實(shí)，應(yīng)限制其最大粒徑，當(dāng)采用強(qiáng)夯方法進(jìn)行處理時，其最大粒徑可根據(jù)夯實(shí)能量和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)適當(dāng)加大”。爆破時應(yīng)選擇合適的爆破能級，使爆破開采的巖石碎屑顆粒級配盡量能夠滿足強(qiáng)夯的要求。在回填前，應(yīng)將粒徑大于800的大直徑石塊進(jìn)行破碎。如果沒有條件破碎大塊石時，應(yīng)盡量將大塊石與砂土一起填在地基的深處，使得回填材料顆粒級配相對均勻，便于控制回填土強(qiáng)夯的質(zhì)量和效果。

為提高山區(qū)變電站塊石回填地基的強(qiáng)夯效果和增加強(qiáng)夯影響深度，應(yīng)采用堆填法而非拋填法對回填土進(jìn)行分層砌筑。建議每層填筑深度為1 m左右，填筑5 m后進(jìn)行強(qiáng)夯。

山區(qū)變電站場地如果坡度較大，將造成不同區(qū)域的填土深度相差較大。此時，可以將填土深度分成幾個區(qū)段，將它們在變電站的平面上進(jìn)行分區(qū)，并根據(jù)回填深度選擇相應(yīng)合適的強(qiáng)夯夯擊能量，使得變電站各區(qū)域的地基經(jīng)強(qiáng)夯處理后，承載力和彈性模量相差不大。如果變電站某一棟建筑物恰好既處于挖方區(qū)又處于填方區(qū)時，為使建筑下地基的沉降性能趨于均勻，填方區(qū)應(yīng)采用較大的夯擊能量，使經(jīng)過強(qiáng)夯處理后的地基彈性模量與挖方區(qū)的差距不大。挖方區(qū)應(yīng)超挖后采用砂石料進(jìn)行回填。

總之，強(qiáng)夯法的實(shí)踐運(yùn)用發(fā)展遠(yuǎn)超前于基礎(chǔ)理論的研究。采用該技術(shù)時，應(yīng)認(rèn)真做好強(qiáng)夯法的施工方案、夯擊設(shè)備的選擇、夯擊能的選擇、填料和堆填的控制方法、雨季施工排水問題，并根據(jù)各種檢測結(jié)果對強(qiáng)夯法效果進(jìn)行綜合評價(jià)。

5 結(jié)語

通過對強(qiáng)夯機(jī)理和用強(qiáng)夯法處理山區(qū)塊石回填地基的相關(guān)工程實(shí)例進(jìn)行深入研究后認(rèn)為:

1)爆破時應(yīng)選擇合適的爆破能級，來控制巖石碎屑顆粒級配和塊石的最大粒徑。

2)為提高地基加固效果和增加地基加固深度，宜用堆填法進(jìn)行分層填筑。粒徑大的巖石盡量放在下面，每次填筑深度為1 m左右，填筑5 m后進(jìn)行強(qiáng)夯。

3)重慶地區(qū)戶外變電站當(dāng)填筑厚度不超過5 m時，合理選擇強(qiáng)夯參數(shù)和施工工藝，可以對爆破后的山區(qū)塊石與土料進(jìn)行強(qiáng)夯處理。

［1］阮 維.強(qiáng)夯法在山區(qū)塊石填方工程中的應(yīng)用［D］.重慶:重慶大學(xué)，2007.

［2］付 燁，孟國民，孔凡林，等.重慶某工程地基基礎(chǔ)強(qiáng)夯工藝設(shè)計(jì)與評價(jià)［J］.重慶建筑，2006(4):57-59.

［3］術(shù)向東，徐 革.深回填區(qū)域強(qiáng)夯地基上的小高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.重慶建筑，2009(7):4-8.

［4］徐至鈞，張亦農(nóng).強(qiáng)夯和強(qiáng)夯置換法加固地基［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］丁振洲，陸 新，鄭穎人.山區(qū)地基強(qiáng)夯加固機(jī)理探討［A］.全國第九屆土力學(xué)與巖土工程會議論文集［C］.2003.

［6］高大釗.巖土工程的回顧與前瞻［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［7］甘厚義，焦景有.貴陽龍洞堡機(jī)場大塊石填筑地基的強(qiáng)夯處理技術(shù)［J］.建筑科學(xué)，1995(1):17-26.

［8］生志勇，王 濤.深填方區(qū)地基強(qiáng)夯及褥墊層施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2010(5):50-52.

［9］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.