強夯在特高壓換流站塊石回填地基處理中的應(yīng)用

雷曉標(biāo)，張玉明

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2. 中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

隨著特高壓工程的建設(shè)，換流站的站址不可避免會選在高差較大的地區(qū)，需進行大面積的挖高填低并進行地基處理。選擇一種能滿足設(shè)計要求、施工周期短和經(jīng)濟效果好的地基處理方式對換流站的建設(shè)十分重要。

強夯法是用重錘自一定高度下落夯擊土層，給地基以沖擊和振動能量，使地基迅速固結(jié),以提高地基的承載力。其適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土地基等，具有加固效果顯著、施工簡單、質(zhì)量易控、工程造價較低等特點。

本文根據(jù)工程實例綜合考慮場地地基處理的適用性及其成效等因素，站區(qū)地基處理選取強夯法，并結(jié)合場地平整同時進行。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某換流站地處鄂爾多斯臺地西緣，屬緩坡丘陵地貌。地形總體呈東高西低之勢，局部起伏較大，地面高程1 310.10～1 337.80 m，最大高差約27.70 m。

站址地層上部為第四系風(fēng)積砂，下覆侏羅系砂巖。地層由上至下為0.30～4.00 m厚的①粉砂(Q4eol)和厚度大于50 m的②砂巖(J2)，各層土地基承載力特征值見表1所列。

表1 地基承載力特征值

站址占地27.5萬m2，場平土石方挖方45萬m3，土石比2∶8，巖石抗壓強度平均值為58.3 MPa。

1.2 站址豎向布置

站址區(qū)內(nèi)有一條沖溝從中部自東南向西北呈倒“L”形狀穿過，地面具有二梁夾二谷的地形特點，填方區(qū)域如圖1(a)所示，陰影部分填方厚度0～9 m。結(jié)合站址地形地貌，為減少土石方工程量，本工程采用階梯式布置，如圖1(b)所示，陰影區(qū)域比其它區(qū)域低2.5 m，兩區(qū)域的設(shè)計初平標(biāo)高分別為1 316.42 m和1 318.92 m，場地內(nèi)各自采用平坡布置。根據(jù)場地土方施工圖和地質(zhì)剖面、回填土厚度和原場地①粉砂厚度之和即填方區(qū)處理厚度，共約0～10.5 m。

圖1 平面布置圖

1.3 填料控制

由于巖石強度較高，機械開挖困難，現(xiàn)場采用爆破工藝，如圖2(a)所示。為保證填料滿足強夯要求，填料粒徑超過30 cm的采用夯錘拍砸、機械破碎錘和顎式破碎機進行二次破碎。破碎后分層堆填至強夯設(shè)計標(biāo)高后進行強夯，每層鋪設(shè)厚度50 cm，鋪填過程中采用人工灑水，含水量控制在5%左右，每層均需常規(guī)碾壓。通過機械開挖—裝車—堆卸—灑水—機械二次破碎—灑水—推土機推平—機械碾壓等工序，使開挖出的①層粉砂與破碎后砂巖的混合回填料得到充分拌合，達(dá)到較好級配，保證填土含水率。

圖2 巖石爆破及破碎

考慮場平時填方區(qū)①層粉砂厚度平均為1.5 m，將其挖出后與開挖的砂巖混合比較困難，后續(xù)僅清除填方區(qū)地表耕植土，直接在①層粉砂上回填到強夯標(biāo)高后進行強夯一并處理。

2 試夯

因站址區(qū)兩部分2.5 m的高差和0～10.5 m的回填土處理深度，為了確定整個站區(qū)采用一層強夯或兩層強夯的處理方案及相關(guān)的參數(shù)，選取3種主夯夯擊能及對應(yīng)的滿夯夯擊能進行了試夯。

2.1 試夯參數(shù)

試夯參數(shù)根據(jù)強夯的有效加固深度確定，選取8 000 kN·m、6 000 kN·m和2 000 kN·m主夯夯擊能，分別對應(yīng)3 000 kN·m、2 000 kN·m和1 000 kN·m滿夯夯擊能。夯錘直徑均為2 500 mm。

為了爭取施工時間，在未大面積場平填土前單獨試夯。在站址填方區(qū)堆填3個試夯區(qū)孤島，為保證試夯和工程夯的土體約束條件一致，孤島頂面和底面尺寸分別為50 m×50 m和90 m×90 m，四周自然放坡，中間設(shè)置馬道。

試夯主夯為兩遍，等邊三角形布置，夯間距均采用5 m。主夯夯擊能的擊數(shù)13擊。滿夯為一遍，采用1/4錘印搭接，擊數(shù)為5擊，最終以最后兩擊夯沉量平均值不大于50 mm控制。

2.2 試夯結(jié)果

通過試夯確定8 000 kN·m主夯兩遍和6 000 kN·m主夯兩遍的夯擊擊數(shù)均為13擊，2 000 kN·m主夯的夯擊擊數(shù)為10擊，滿夯擊數(shù)均為5擊。對單點累計夯沉量(夯坑深度)大于1.0 m的主夯點，采取虛填料進行主夯加固，加固擊數(shù)為3～6擊，最大累計夯沉量小于1.0 m。

試夯檢測顯示，地基承載力特征值fak≥250 kPa，變形模量平均值31.4 MPa，強夯后干密度為2.22～2.29 t/m3。8 000 kN·m、6 000 kN·m和2 000 kN·m主夯及對應(yīng)滿夯夯擊能的平均夯沉量分別為39.0 cm、29.3 cm和8.7 cm，有效影響深度分別為8.3 m、6.9 m和3.8 m。夯前和夯后的其它參數(shù)對比見表2所列。

表2 參數(shù)對比表

3 工程夯

3.1 工程夯方案

根據(jù)試夯結(jié)果和填方區(qū)“鍋盆槽道”地形以及站址臺階布置的特點，按照先深填方區(qū)后淺填方區(qū)的原則，在淺填方區(qū)和深填方區(qū)分別采用一層和兩層強夯，強夯分區(qū)平面布置圖如圖3所示。工程夯選用試夯的施工參數(shù)，以夯擊次數(shù)與最后兩擊的平均夯沉量雙控制。

圖3 強夯分區(qū)平面布置圖

由此可知，因場地臺階布置、試夯有效影響深度和現(xiàn)場施工進度，最終將最深處理厚度為10.5 m的區(qū)域分為6.5 m和4 m兩層進行強夯，且兩層均采用6 000 kN·m主夯及2 000 kN·m滿夯；將回填土厚度為0～2.5 m的區(qū)域采用2 000 kN·m主夯和1 000 kN·m滿夯；將剩余區(qū)域2.5～6.0 m的采用6 000 kN·m主夯及2 000 kN·m滿夯，強夯分區(qū)剖面如圖4(a)所示。

圖4 強夯豎向布置圖

站區(qū)北側(cè)圍墻處填方邊坡及站區(qū)內(nèi)臺階布置的擋墻處均采用強夯后削坡處理，削坡示意詳如圖4(b)所示。處理范圍超過站區(qū)北側(cè)圍墻基礎(chǔ)或站內(nèi)擋土墻基礎(chǔ)外邊緣，寬度約為處理深度的2/3，并不小于3 m，圍墻外護坡坡腳強夯處理不到的范圍須采用常規(guī)回填碾壓方式處理，擋土墻在強夯施工結(jié)束檢測合格后開挖、砌筑。

3.2 工程夯檢測原則

根據(jù)站區(qū)平面布置，工程夯共分為4個區(qū)：750 kV配電裝置區(qū)、換流變區(qū)、直流場區(qū)和交流濾波器場區(qū)。強夯處理后檢驗點的數(shù)量以建(構(gòu))筑物為單元，每個建(構(gòu))筑物單元不少于3點，每300 m2不少于一個檢驗點。據(jù)此按照現(xiàn)場情況，對密度測試、瑞利波測試、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和動力觸探試驗均按每1 200 m2取一個檢測點。上述4個區(qū)域?qū)?yīng)平板載荷試驗點分別取9點、3點、6點和9點，顆粒分析試驗每區(qū)取3點。

3.3 工程夯檢測結(jié)果

檢測塊石回填土顆粒級配不均勻系數(shù)Cu＞5。采用強夯后的地基承載力特征值fak最小為250 kPa，變形模型最小為31 MPa。回填土動探(N120)平均擊數(shù)為24擊，下臥原粉砂層標(biāo)準(zhǔn)貫入(N63.5)試驗擊數(shù)由10擊提高到了44擊?；靥钔粮擅芏茸钚?.23 t/m3?；靥钔疗骄鶛M波波速比較均勻，為279 m/s左右，下臥粉砂層為454 m/s左右。有代表性的瑞利波測試成果如圖5所示，此時填土厚度7.6 m，填土下覆粉砂層深度在7.6～9.6 m之間。

圖5 代表性的瑞利波測試成果

交流濾波器場局部溝槽邊緣，基本為原狀粉砂層強夯，處理后的地基承載力特征值fak也達(dá)到200 kPa，變形模型15 MPa，干密度1.82 t/m3。

上述檢測數(shù)據(jù)說明強夯對回填土和原狀粉砂都產(chǎn)生了很好的擠密作用。

3.4 場地標(biāo)高復(fù)測

強夯后場地標(biāo)高發(fā)生一定的改變，在強夯全部施工完成、檢驗合格后，對場地進行了復(fù)平，然后對圍墻內(nèi)場地標(biāo)高進行控制性測量，此測量結(jié)果為設(shè)計單位最終場地設(shè)計標(biāo)高的確定提供依據(jù)。

4 有效加固深度分析

關(guān)于強夯法有效加固深度，在資料和經(jīng)驗匱乏時可按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中相關(guān)表格預(yù)估或按照梅納公式估算，也有一些研究者提出了一些經(jīng)驗公式，本文結(jié)合工程實踐經(jīng)驗對比分析的有效加固深度見表3所列。

表3 有效加固深度對比表

從表3可以看出，針對山區(qū)爆破后的碎石回填地基，文獻[4]和本工程的強夯有效加固深度比較接近，但比常用的梅納公式和規(guī)范查表對應(yīng)的值都偏小。

5 結(jié)語

根據(jù)該換流站施工和使用階段共3年多的觀測，主要建(構(gòu))筑物及設(shè)備基礎(chǔ)的沉降均已經(jīng)進入穩(wěn)定階段，全站最大累計沉降量發(fā)生在回填區(qū)荷載較大的極2高端換流變基礎(chǔ)處，為2.62 mm。實踐證明，在以塊石為主的回填土地基中采用強夯地基處理方式是成功的，對特高壓換流站的地基處理具有積極的借鑒作用，對于山區(qū)塊石回填地基的強夯有效加固深度也有一定的參考價值。