強夯法處理某變電站紅砂巖填土地基的試驗研究

黃興懷，方玉友，吳志海

(安徽省電力設計院，安徽合肥 230601)

強夯法處理某變電站紅砂巖填土地基的試驗研究

黃興懷，方玉友，吳志海

(安徽省電力設計院，安徽合肥 230601)

通過對某變電站紅砂巖填土地基的強夯試驗研究，驗證了強夯設計參數(shù)，為基礎設計提供了依據(jù)，并對紅砂巖地區(qū)采用強夯地基處理技術(shù)進行了探討，供類似工程的設計、施工及檢測借鑒參考。

紅砂巖;強夯;靜載荷試驗;重型動力觸探

強夯法因其經(jīng)濟易行、效果顯著、設備簡單、施工便捷、節(jié)省材料、適用范圍廣、施工周期短等突出優(yōu)點，自20世紀70年代引入我國，得到了廣泛應用。國內(nèi)外對強夯加固碎石土、雜填土、粘性土等進行了大量試驗和理論研究，但由于各類土物理力學特性的差異，對不同性質(zhì)土的強夯具有不同的加固效果，難以形成統(tǒng)一的施工方案。

某500 kV變電站部分地段地勢低洼，且分布有一面積達3400 m2的水塘，局部回填土厚度較大，填料主要為紅砂巖與粉質(zhì)粘土等。擬采用強夯技術(shù)對填土地基進行處理，以滿足建(構(gòu))筑物強度及變形要求。為了對紅砂巖填土地基的強夯效果進行檢測以及對施工設計參數(shù)進行驗證，進一步優(yōu)化強夯施工設計和提出更加合理的施工設計參數(shù)，我們進行了相關(guān)試驗工作，并對結(jié)果進行了深入研究與分析，以對強夯技術(shù)在類似場地的應用提供借鑒。

1 場地巖土工程條件

1.1 地形地貌

該變電站為一個新建變電站。站址區(qū)地貌為低山，站內(nèi)220 kV構(gòu)架及電容器場地地形起伏較大，呈北高南低，內(nèi)有1條崗間凹地(小型沖溝)并含有1個水塘和取土坑。根據(jù)場地設計標高推算，該地段填土層厚度在4.00～6.45 m之間。1.2 地層結(jié)構(gòu)

220 kV構(gòu)架場地巖土層下伏基巖為侏羅系細砂巖和泥巖，上覆蓋層為第四系上更新統(tǒng)殘坡積、全新統(tǒng)殘坡積和沖積層，零星分布填土，部分地段基巖出露。強夯區(qū)地層結(jié)構(gòu)為:

①層填土(Q4ml)，灰褐、灰黃、棕黃色，稍密，稍濕，該層在220 kV構(gòu)架場地內(nèi)僅分布于水塘塘埂和田埂，一般層厚0.30～0.60 m，局部層厚1.80～2.30 m。

③層粉質(zhì)粘土(Q4el+pl)，灰褐、褐黃、棕黃色，局部為粘土，含少量氧化鐵和鐵錳銹斑，有光澤，干強度高，韌性高，無搖震反應，結(jié)構(gòu)稍松散，稍濕，可塑，局部可塑偏硬或可塑偏軟狀態(tài)，層厚0.50～2.80 m。

④層粉質(zhì)粘土(Q3el+pl)，褐黃、棕黃、棕紅色，局部為粘土，含少量氧化鐵、鐵錳銹斑(結(jié)核)，局部含少量高嶺土團條，結(jié)構(gòu)稍松散，稍濕，可塑偏硬～硬塑狀態(tài)，層厚0.80～4.90 m。

⑤層紅砂巖(J)，灰黃、褐黃色，細砂巖與泥巖互層，表層全風化成中細砂混粘性土。下部強風化～中風化，在站區(qū)均有分布，地勢較高處出露。

1.3 巖土工程分析及評價

根據(jù)變電站內(nèi)場地土方平衡原則而確定的場地設計標高估算，220 kV構(gòu)架場地區(qū)填土厚度一般在之間;設計在可研階段考慮了深基礎和強夯地基處理2種方案，經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)方案比較，采用強夯處理技術(shù)上可行，也更為經(jīng)濟，因此，最終決定采用強夯技術(shù)處理220 kV構(gòu)架場地區(qū)的深厚填土。

2 試夯設計

2.1 試夯區(qū)選擇

變電站需要采用強夯處理區(qū)域中，水塘區(qū)為填土厚度最大處，塘底呈平鍋底形，因此試夯區(qū)就選擇在水塘最深處。如果經(jīng)試驗和檢測，試夯區(qū)地基強夯效果能滿足淺基礎設計要求，則整個強夯區(qū)地基強夯效果都能滿足設計要求。

2.2 試夯區(qū)強夯處理厚度及強夯參數(shù)選擇

考慮到強夯處理一般厚度在4.00～5.00 m，最大處理厚度約6.50 m，因此在選擇試夯參數(shù)時，要按強夯處理最大厚度為6.50 m考慮，整個強夯區(qū)一次強夯完成。參考施工單位機械，采用圓形底面直徑2.2 m、質(zhì)量13.7 t夯錘，2遍點夯，2遍滿夯，試夯有效影響深度估算參數(shù)見表1。

表1 試夯有效影響深度估算參數(shù)

2.3 試夯區(qū)填料粒徑控制

試夯區(qū)回填土料為挖方區(qū)土石料，考慮到地勢較高處③層、④層粉質(zhì)粘土較薄，回填土成分主要以⑤層紅砂巖為主，要求強風化及以上紅砂巖填料粒徑控制在200～500 mm，粒徑＞300 mm的填料含量不宜超過全重的10%，粉粒含量宜小于全重的10%，對于粒徑500 mm細砂巖填料應破碎?；靥钋翱汕宄恋总浲梁捅韺痈?。

2.4 夯點布置

試夯區(qū)面積為23 m×23 m，以水塘最深處為中心點。夯點采用梅花形布置，夯點間距4 m，試夯區(qū)夯點布置如圖1所示。

圖1 試夯區(qū)夯點布置

2.5 強夯工藝

(1)對1、3、5、7、9、11夯線依次進行第1遍強夯;對2、4、6、8、10夯線依次進行第2遍強夯;第3遍為置換夯，夯點位置為220 kV構(gòu)架、隔離開關(guān)基礎;第4、5遍為滿夯。

(2)點夯和置換夯收錘標準為10擊且最后2擊平均夯沉量≤60 mm，在達到收錘標準時，夯坑底標高應≥－1.0 m。

(3)滿夯夯點錘印應搭接10～20 cm。

(4)點夯前應進行第一次場地整平，置換夯前應進行第二次場地整平，滿夯前應進行第三次場地整平，三次整平的標高均應為25.80 m。

3 試驗手段與試驗成果分析

3.1 靜載荷試驗成果分析

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求及上部建(構(gòu))筑物的特點綜合考慮，強夯地基檢測采用淺層靜載荷試驗，實際共進行淺層平板載荷試驗3個，考慮到工期等因素，試夯區(qū)在強夯完成15天后進行試驗檢測，試驗坑底標高按設計地面高程取不同深度進行試驗。

按《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007－2002)附錄C的有關(guān)規(guī)定，采用慢速法加載，最大加載值為360 kPa。試驗結(jié)果表明，終止加載后，承壓板四周均未出現(xiàn)裂縫或隆起現(xiàn)象，從p－s曲線(圖2)看，曲線比較平滑，呈緩變型，與常規(guī)靜載荷試驗p－s相比，其前幾級加載下沉降量較大，曲線不僅沒有向下加速沉降之勢，反而在尾部有向上翹起，這說明了隨著加載的增大，淺層得到了進一步的壓實。考慮到變形及p－s、s－lgt曲線上沒有明顯的拐點，s－lgp曲線上沒有明顯的第二拐點，因此在p－s曲線上按s/d=0.01取值，取沉降量為8.00 mm對應的p值分別為200、153及185 kPa，平均為180 kPa，取地基承載力特征值為160 kPa，地基變形模量值為11.50 MPa。由于強夯地基為人工回填土，回填土料為挖方區(qū)土石料，回填土料具有不均性，點夯雖達到收錘標準，其強度和密實度也存在差異，從p－s曲線也可見，曲線的曲率變化較大，同為360 kPa的荷載，沉降變化較大，最小為12.91 mm，最大達到18.93 mm，說明紅砂巖填土地基經(jīng)強夯加固后地基土具有一定的不均勻性。

圖2 靜荷載試驗p－s曲線

3.2 動力觸探檢測

為直接檢測試夯效果，我們在試夯區(qū)布置多個鉆孔，進行夯前與夯后重型動力觸探試驗。動探測試自1 m以下連續(xù)測試至原狀土層。其中SQ1、SH3及SQ2、SH4夯前與夯后動探測試對比曲線見圖3、圖4。

在間歇期為7～15天時，通過重型動探N63.5夯前夯后測試擊數(shù)及對比，并通過鉆探取心鑒定:填料主要為粉質(zhì)粘土的，夯前動探擊數(shù)一般在0.5～2.0擊之間，夯后動探擊數(shù)一般在3～5擊，部分大于5擊;夯后擊數(shù)比夯前擊數(shù)總體提高3～6倍，局部提高更多。填料主要為全～強風化巖石的，夯前動探擊數(shù)一般在3～6擊，少量大于6擊，夯后動探擊數(shù)一般在6～12擊，部分大于12擊或更高;夯后比夯前擊數(shù)總體提高2～3倍，碎石層較厚處提高更大?？紤]到填料的不均勻性，不能給一個定量提高值，但總體趨勢是夯后的密實度有較大程度的提高。

圖3 SQ1與SH3強夯前后N63.5擊數(shù)曲線對比

圖4 SQ2與SH4強夯前后N63.5擊數(shù)曲線對比

3.3 振動檢測

本強夯場地臨近建筑物為居民民房，主要為2～3層樓房，少量土坯房，強夯場地邊界距民房最近距離約110 m。強夯施工所產(chǎn)生的振動及噪聲，對臨近建筑物是否會產(chǎn)生有害的影響?是否需要采取防振或隔振措施?等等這些是評價強夯地基處理技術(shù)是否適用的一個重要參數(shù)。因此在試夯時布置了2個測試點以評估其可能對臨近建筑物產(chǎn)生的不利影響，試驗數(shù)據(jù)如表2。

表2 振動檢測試驗

因此，無論是實測振動速度還是振動加速度都遠小于安全評估規(guī)定。不需要采取相應的防振或隔振措施。

4 結(jié)語

本工程已建成安全運行近2年，從沉降觀測結(jié)果看，本工程采用強夯地基處理技術(shù)取得了成功;該技術(shù)也得到了推廣應用。但在個別工程中，強夯技術(shù)加固紅砂巖填土地基也暴露出一些問題，需要在將來的工作中做進一步的研究與探討。

(1)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79－2002)對強夯處理碎石土，碎石含量并未做明確的限制與規(guī)定，從經(jīng)驗與定性上看，應該說土石結(jié)合的填土地基強夯加固效果比純粹的素土回填或純粹的碎石土回填地基好，粒徑級配良好的填料比粒徑均勻的填料加固效果好。從山區(qū)工程來看，可能回填的絕大部分為開方的碎石，強夯的效果及應用條件需要做進一步的研究。有資料提出對紅砂巖采用預處理的方式，從而減少其水活性，并形成一定的級配，在工程工期要求不緊、有一定堆放場地的工程可考慮采用。

(2)強夯填料級配、最大限制粒徑問題，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范僅對強夯置換墩體最大粒徑有限制，要求大于300 mm的塊石總量不超出填料總量的30%，以免因級配不良或塊石過多過大，易造成墩中留下孔隙，在后續(xù)施工及建(構(gòu))筑物使用中使墩間土擠入孔隙，造成下沉的增加。以此類推，強夯加固碎石土更應對級配及塊石最大粒徑進行限制。因此需對爆破石料進行二次破碎，考慮到現(xiàn)場施工條件，如何控制填料級配及最大限制粒徑是個問題。

(3)如何考慮雨水的入滲對強夯后地基的影響問題。對于紅砂巖強夯后地基而言，由于級配不良、存在大粒徑塊石的情況，會造成2種不良狀況:①局部積水情況，考慮到紅砂巖具有遇水軟化的特點，會造成地基強度的下降;②雨水的入滲，會帶走一些細顆粒，時間長了，會否形成滲流通道?兩種狀況均可能造成地基不均勻沉降。有資料認為只要施工質(zhì)量達到設計要求，表層會形成隔水層。筆者認為，隔水層應與紅砂巖的成分相關(guān)，泥質(zhì)膠結(jié)可以形成隔水層，砂巖則可能很難以形成這種隔水層。在降水豐富地區(qū)是否需采用粘性土覆蓋尚需要研究。

(4)對紅砂巖強夯地基的試驗檢測問題。我們采取了靜載荷試驗、重型動力觸探等試驗檢測手段，由于靜載荷試驗僅能反映淺層地基的強度變形情況，而重型動力觸探手段由于填料的不均勻，造成數(shù)據(jù)離差較大，因此只能定性評價總體比夯前擊數(shù)有提高，但難以定量分析。文獻［3］提出采用剪切波檢測方法，需要進行進一步總結(jié)。總體感覺沒有較好的試驗檢測手段，特別是涉及到強夯地基的不均勻性檢測問題。

［1］羅恒，等.紅砂巖碎石土高填方路基強夯加固時的動應力擴散及土體變形試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26 (S1).

［2］謝海濤.紅砂巖碎石土填料室內(nèi)強夯模型試驗［J］.湖南交通科技，2010，36(2).

［3］段仲沅，等.強夯處理紅砂巖碎(塊)石填土地基檢測方法探討［J］.土工基礎，2009，23(1).

［4］楊建華，等.紅砂巖填石路基強夯處理的試驗研究［J］.武漢理工大學學報，2008，30(3).

［5］曾中林，李亮.紅砂巖強夯特性試驗研究［J］.路基工程，2007，(2).

Experiment Study on Dynamic Compaction Treatment to Red Sandstone Fill Foundation in a Substation

HUANG Xing-huai，F(xiàn)ANG Yu-you，WU Zhi-hai(Anhui Electric Power Design Institute，Hefei Anhui 230601，China)

The dynamic compaction design parameters were verified by the study on dynamic compaction test of red sandstone fill foundation in a substation，which provided the basis to foundation design.And the study was also made on dynamic compaction treatment applied in red sandstone area，which can be reference to design，construction and test of similar projects.

red sandstone;dynamic compaction;static loading test;heavy dynamic penetration test

TU472

A

1672－7428(2012)03－0047－04

2011－08－31

黃興懷(1973－)，男(漢族)，安徽安慶人，安徽省電力設計院勘測工程部首席專工(巖土)、高級工程師、土木工程注冊師(巖土)，巖土工程專業(yè)，碩士，從事巖土工程工作，安徽省合肥市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)繁華大道369號，hxh@ahedi.com.cn。