强夯法在重庆市户外变电站地基处理中的应用

2012-08-15

山西建筑 2012年22期

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

1 背景

重庆市位于四川盆地东部与盆周山地地貌区，区域地貌形态明显受地质构造与岩性控制，北有大巴山，南靠大娄山，处于川东弧形褶皱带与大巴山、大娄山褶皱带的接合部位，以山地丘陵为主。重庆市郊区变电站多为户外变电站，选址在相对高差不大的地方，竖向布置设计采用平坡式。目前重庆市户外变电站广泛采用人工挖孔灌注桩和钻孔灌注桩等基础处理方案，但是大量的变电构架使桩用量过多，导致地基处理不是十分经济。

利用碎、块石及爆破开采的岩石碎屑作填料，采用强夯法对户外变电站进行地基处理，既经济，又省工、省时，符合因地制宜、就地取材和多快好省的建设原则。但是爆破开采的部分岩石直径超过1 m，碎屑的粒径也大小不均，需要对岩石碎屑进行处理后才能回填，重庆地区仅少量民用建筑采用强夯法对岩石地基进行处理［1-3］，可借鉴的经验不多。目前，尚未见到重庆变电站使用强夯法进行地基处理的报道。

本文将深入研究强夯的机理，并参考用强夯法处理山区块石回填地基的相关工程实例，探讨能否使用强夯法对山区变电站进行地基处理。

2 山区填土地基的强夯机理

强夯是反复将夯锤提到高处使其自由落下，给地基以冲击和振动能量，将地基土夯实的地基处理方法。振动能量以夯坑为中心沿地表通过夯击产生的面波向四周传播、沿深度通过体波向下传播。面波分瑞利波和乐甫波，其中瑞利波携带了约2/3的振动能量，使周围物体产生振动，对地基压密效果不大，可以通过设抗震沟来减小瑞利波对周围建筑物的影响;体波包括纵波和横波，纵波先到达，使地基土骨架解体，随后横波通过液相运动使因骨架解体而疏松的土颗粒变得比解体前更加密实。

山区填土的不均质性使得夯击产生的冲击波会频繁的发生反射和折射现象，导致波能量损失，对强夯的加固深度起限制作用，对浅层加固起强化作用。强夯夯击过程分为冲剪破坏阶段、加固区形成及增长阶段、能量饱和阶段、过应力消除及地基性能改善阶段。冲剪破坏阶段主要发生在每遍的前几击。此时，夯击产生的瑞利波使夯锤周围土体松动，主要起破坏作用。在波的强扩散区，由于夯锤冲击应力、纵波的推拉与横波压实作用，使夯锤下部土体密实;瑞利波随着填土深度的增大，开始对地基加固效果起到有利作用。在瑞利波、纵波、横波和夯锤冲击应力等共同作用下，强扩散区内的填土变得更加密实。随着波能量逐渐损失，最终回填土加固区范围趋于稳定，这个阶段为加固区形成及增长阶段;继续夯击，波的能量损失随着回填土密实度的提高而减小。当波的能量完全消失时在回填土中的传播距离与回填土加固深度刚好相等时，继续增加夯击次数加固深度基本不再变化，这个阶段为能量饱和阶段;经强夯处理后，局部加固地过于密实、有超应力现象，地基土由欠固结转化成超固结。孔隙的局部相对薄弱，出现所谓的过应力现象，这个阶段为过应力消除阶段。通过强夯对地基进行处理后，地基承载力随时间增长而增大。

3 相关工程实例

强夯法是近几十年发展起来的地基处理新工艺，目前在山区机场、小高层的建设中已经得到广泛应用［4-9］。

贵阳龙洞堡机场位于起伏较大的山区，最大填方厚度为54 m左右，是国内外较早对大块石、高填方山区地基进行强夯法处理的工程［7］。作者通过大量的试验，解决了强夯法处理块石回填地基的一些关键技术问题，并采用实验成果对一试点工程进行了块石回填地基强夯处理。结果表明采用分层填筑的大块石地基，其加固后的地基承载力标准值大于700 kPa，地基回弹模量为400 kPa～500 kPa，地基变形模量大于400 MPa。地基累计沉降量小于2 mm，地基差异沉降量小于2 mm，地面平均夯沉量为50 cm～60 cm。作者认为单击夯击能量3000 kN·m，夯击12次～16次，地基(ρd≥2.0 g/cm3)有效加固深度为 4.0 m ～4.2 m。

重庆市同景国际城有18栋5+1F的多层建筑［1］，上部结构采用砖混结构，场地高差约14.0 m。结合工程的特点，作者对碾压加固、沉管灌注桩、挖孔桩、强夯法加固四种地基处理方案做了比较，最终选用最经济的强夯法处理填筑体地基。山区填土的填料多为碎石填土，石块大小不一，有的直径甚至达几米。填土地基经强夯处理后，采用钢筋混凝土条形基础。作者认为采用3000 kN·m的夯击能有效加固深度在5 m～6 m左右，单点夯击区在深度接近6 m处的变形值达到了1.8 cm。

重庆某住宅小区有27栋12层小高层住宅楼［8］，采用现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系。场地为山区无序抛填地基，填土厚度为7 m～45 m，平均厚度约为30 m。作者对钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、经强夯处理后采用筏板基础三种方案进行了比选。最后采用了进行强夯处理并采用筏板基础方案。场区强夯处理地基分层进行，回填材料来自于挖方区，应级配良好，块石含量不宜大于30%，采用4000 kN·m的单击夯击能，两次夯后总影响深度大于25 m。强夯处理后，地基承载力特征值fa≥250 kPa，地基的压缩模量Es≥20 MPa，建筑基础的平均沉降量不大于200 mm。

某一层轻钢厂房位于重庆九龙坡区［2］，占地约2万m2，填方深度最大在8 m左右，填料为碎石、抛石回填，经强夯处理后采用独立基础。选用主夯能级为2000 kN·m，强夯影响深度大于7 m。经强夯处理后，地基承载力特征值达到265 kPa，变形模量为26.4 MPa，累计下沉量为6 mm。

4 采用强夯法应注意的问题

《建筑地基基础设计规范》［9］6.3.6 条条文说明指出:“利用碎、块石及爆破开采的岩石碎屑作填料时，为保证夯压密实，应限制其最大粒径，当采用强夯方法进行处理时，其最大粒径可根据夯实能量和当地经验适当加大”。爆破时应选择合适的爆破能级，使爆破开采的岩石碎屑颗粒级配尽量能够满足强夯的要求。在回填前，应将粒径大于800的大直径石块进行破碎。如果没有条件破碎大块石时，应尽量将大块石与砂土一起填在地基的深处，使得回填材料颗粒级配相对均匀，便于控制回填土强夯的质量和效果。

为提高山区变电站块石回填地基的强夯效果和增加强夯影响深度，应采用堆填法而非抛填法对回填土进行分层砌筑。建议每层填筑深度为1 m左右，填筑5 m后进行强夯。

山区变电站场地如果坡度较大，将造成不同区域的填土深度相差较大。此时，可以将填土深度分成几个区段，将它们在变电站的平面上进行分区，并根据回填深度选择相应合适的强夯夯击能量，使得变电站各区域的地基经强夯处理后，承载力和弹性模量相差不大。如果变电站某一栋建筑物恰好既处于挖方区又处于填方区时，为使建筑下地基的沉降性能趋于均匀，填方区应采用较大的夯击能量，使经过强夯处理后的地基弹性模量与挖方区的差距不大。挖方区应超挖后采用砂石料进行回填。

总之，强夯法的实践运用发展远超前于基础理论的研究。采用该技术时，应认真做好强夯法的施工方案、夯击设备的选择、夯击能的选择、填料和堆填的控制方法、雨季施工排水问题，并根据各种检测结果对强夯法效果进行综合评价。