強夯法在某輸水工程大壩基礎處理中的應用

馬治中

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，蘭州 730000）

1 工程概況

鹽環(huán)定揚黃甘肅專用甜水堡調蓄引水工程主要是解決環(huán)縣北部15 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及縣城用水的一項調蓄引水工程，主要由引水工程、調蓄水庫工程、輸水工程3 部分組成。其中，調蓄水庫修建于甜水堡西南約4 km 處，水庫正常高水位1 554.00 m，最大壩高28 m，主壩長902.98 m，副壩長505.06 m，壩頂寬7 m，壩頂高程1 555.00 m，壩體上游壩面設一級2.0 m 寬馬道，馬道高程1 545.00 m。從上至下上游壩坡分別為1∶2.75、1∶3.0。下游壩面壩坡為1∶2.75，距離壩頂10.00 m 處設一級2 m 寬馬道。壩后設棱體式排水。全水庫采用HDPE 復合土工膜防滲。水庫防洪標準設計為50 年，附屬工程與臨時工程防洪標準設計為20 年，抗震設防烈度為7 度，工程等別為Ⅳ等，水工建筑物合理使用年限為50 年。

2 強夯法概述

強夯法的基本原理是采用起吊設備將重錘吊至一定高度，然后自然下落，進而產生強大的沖擊波與夯擊能，以達到夯實土層的目的[1]。強夯法最初僅被應用于碎土石與砂土地基的加固處理，具有明顯的局限性，隨著技術發(fā)展更新、施工方法優(yōu)化改進以及排水設施的完善，目前，強夯法已經可以適用于包括碎土石、砂土、黏性土、素填土、礫石以及雜填土等在內的多種軟弱地基處理。

強夯法的優(yōu)勢主要表現在以下幾方面：（1）施工工藝簡單，施工所需設備多為工地常用設備，操作比較簡單；（2）適用范圍廣，可適用于不同類型的工程項目及不同土質；（3）處理效果顯著，可有效提升地基承載力，地基強度可提升2～5倍，地基壓縮性可降低2～10 倍，具體取決于工程實際情況[2]；（4）施工效率高，周期短，正常情況下單臺夯機每月可處理50 000～65 000 m2，相較于傳統(tǒng)樁基與回填處理可縮短工期的1/2；（5）節(jié)省施工材料，可降低工程施工成本，相較于換土回填可以節(jié)省約50%的費用；相較于預制樁基可以節(jié)省60%以上的施工費用。

3 強夯施工方案設計

3.1 夯擊能及有效加固深度計算

有效加固深度指的是經過強夯處理后，地基土層變形、強度等指標符合工程設計要求的土層范圍。夯擊能指的是重錘落下時對土層造成的沖擊，單擊夯擊能為夯錘重量和自由下落高度的乘積，有效加固深度計算公式為：

式中，H 為有效加固深度，m；h 為重錘自由下落高度，m；M 為重錘的質量，kg；a 為修正系數，一般取0.4～0.5。在本項目中，經計算單擊夯擊能Mh=2 550 kN·m，有效加固深度H=6.0 m。

3.2 現場測試方案

在正式進行強夯施工前，采用“一夯一平”“兩夯一平”2 種方案進行測試，每種測試方案選擇2 塊具有代表性的區(qū)域，從而獲取各項相關數據，以便調整優(yōu)化強夯施工方案，確保夯擊效果。本項目中，強夯施工測試方案見表1。

表1 本項目強夯施工測試方案參數設計表

3.3 試夯檢測

采用探井取原狀樣進行檢測，檢測數量為每塊試夯區(qū)2個點（1 個布置在夯間土上，1 個布置在夯點中心部位）。檢測深度為6 m，取樣間距為1.0 m。

3.4 夯擊方案設計

3.4.1 設計標準

要求經過強夯處理后，施工區(qū)域內土層的濕陷性完全消除，濕陷系數不超過0.015；要求施工區(qū)域內土層干密度不低于1.6 g/cm3；要求施工區(qū)域土層滲透系數不超過1.0×10-5cm/s。

3.4.2 施工參數設計

經過在水庫大壩施工區(qū)域選擇具有代表性的區(qū)域按照夯擊施工測試方案設計進行測試，確定夯擊正式施工參數設計如下：（1）單擊夯擊能。本項目設計的夯擊深度為3～5 m，結合水庫基礎標高設計，要求將有效加固深度控制在4～6 m，由此確定單擊夯擊能為1 800 kN·m。（2）夯擊方案設計。經過對方案一和方案二進行比對分析，最終確定采用方案二。首次夯擊采用點夯，夯點間距控制在6 m，夯擊次數控制在10～13 次，夯點布置為正方形；次夯擊采用點夯，夯點間距控制在6 m，夯擊次數控制在8～10 次，夯點布置在首次夯點中間位置。終夯擊采用滿夯，夯擊次數控制在2～3 次，單擊夯擊能控制在1 000 kN·m，錘印要求搭接約30 cm。（3）3 遍夯擊的間隔時間。根據強夯法施工規(guī)范，一般首次夯擊與次夯擊間隔時間至少14 d，在本項目中，根據項目施工進度計劃以及夯擊效果測試，適當縮短首次夯擊與次夯擊的間隔時間，最終確定為7d。（4）點夯的收錘標準。夯坑周圍地面未發(fā)現較大隆起；最后2 擊的平均夯沉量不超過5 cm；夯坑深度不會導致提錘困難。

4 輸水工程大壩基礎強夯法施工

4.1 機械設備選擇

在鹽環(huán)定揚黃甘肅專用甜水堡調蓄引水工程項目中，強夯施工采用的起吊設備為W-1001 型履帶式起重機；夯錘采用的是圓柱形夯錘，質量為20 000 kg，起重機配備自動脫鉤裝置，夯錘起吊到一定高度后可實現自動化脫鉤，然后自由下落。

4.2 施工流程

在本項目中，水庫大壩基礎強夯施工流程如下：（1）清理施工場地雜物并進行平整處理；（2）起重機、夯錘等機械設備入場；（3）標注首次夯擊的夯點位置，測量施工場地高程；（4）起重機起吊夯錘，注意夯錘要與夯點位置對準；（5）測量夯前錘頂高度；（6）起吊夯錘至設計高度，控制自動脫鉤裝置脫鉤，讓夯錘自由下落，然后落下吊鉤并再次測量錘頂高度；需要注意的是，若因坑底不平造成夯錘傾斜，起吊夯錘后要及時平整坑底，避免影響夯擊效果；（7）重復步驟（4），直到按照施工方案設計完成單個夯點夯擊任務；（8）重復步驟（1）～（4），直到完成所有標注夯點的首次夯擊任務；（9）采用推土機回填夯坑，測量施工場地高程；（10）根據夯擊施工測試方案確定的間隔時間，逐步完成3 遍夯擊，最后2～3 次夯擊要進行低能量滿夯，確保施工場地表層土完全夯實，測量施工場地高程。

4.3 強夯質量保證措施

在本項目強夯施工過程中，為保證強夯質量，采取以下措施：（1）準確測量并標注夯點，要求放線誤差控制在5 cm 以內，夯點以木樁標注，要求醒目、突出，所有夯點均執(zhí)行此要求，不得遺漏；（2）強夯施工過程中要求全程記錄施工各項參數，若出現異常情況也要全過程記錄，以備查詢；（3）確認夯坑周圍土層沒有發(fā)生過較大隆起，否則應考慮更改夯點位置或采用其他方式處理；（4）夯錘自由下落后要求中心位置偏移不超過15 cm，若偏移較大則需要重新校對夯錘位置，確保夯錘與夯點對準；（5）夯擊過程中，如果出現夯錘傾斜的情況，要及時分析原因，以便及時進行調整，若是因坑底不平所致，則必須對坑底進行平整后才能繼續(xù)夯擊；（6）夯擊過程中要及時排出夯坑內以及施工場地的積水，避免影響夯擊效果。（7）點夯與滿夯完成后，應按照20 m×20 m 的方格網測量推平地面高程。

4.4 夯擊效果分析

4.4.1 濕陷系數

在本項目中，水庫大壩基礎施工區(qū)域在夯擊前，土層濕陷系數為0.012～0.042 不等，屬于中等偏輕濕陷性土層。經過強夯處理后，土層測試結果顯示水庫大壩基礎區(qū)域土層在4～6 m深度范圍內，完全消除了濕陷性，符合本項目設計標準，并且在夯擊效果檢測過程中發(fā)現超過90%以上的取樣點濕陷系數在0.004 以下。單從濕陷系數指標來看，經過強夯法對水庫大壩基礎進行處理后，實際效果良好，完全符合項目設計要求，可以進行后續(xù)施工活動。

4.4.2 干密度

在本項目中，水庫大壩基礎施工區(qū)域在夯擊前，土層干密度從1.3～1.6 g/cm3不等，經過強夯處理后，對水庫大壩基礎土層進行取樣測試，測試結果顯示水庫大壩基礎在4～6 m 深度范圍內，土層干密度均超過1.7 g/cm3，符合項目施工方案設計中土層干密度不低于1.6 g/cm3的要求。通過對土層干密度與土層含水量之間的二次趨勢進行分析，若水庫大壩基礎含水量在10%～15%，則土層干密度均在1.7 g/cm3以上；若水庫大壩基礎含水量超過18%或低于8%時，土層干密度快速下降至1.6g/cm3以下，因此，確定水庫大壩基礎含水量應控制在約14%，如圖1 所示。

圖1 土層干密度與含水量二次趨勢分析

4.4.3 滲透系數

在本項目中，經過強夯處理后，對水庫大壩基礎土層進行取樣測試，測試結果顯示水庫大壩基礎滲透系數為1.25×10-7cm/s，符合項目施工方案設計中土層滲透系數不超過1.0×10-5cm/s 的要求。

5 結語

綜上所述，強夯法在處理加固軟弱地基方面具有突出優(yōu)勢，在輸水工程水庫大壩基礎處理中采用強夯法可以顯著提高大壩基礎強度，提高基礎承載力，具有較高的實用價值。