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强夯法在重庆市户外变电站地基处理中的应用探

时间:2017-03-16 15:35　来源:博途论文网--专业论文发表作者：博途论文

摘要：目前重庆市户外变电站普遍采用人工挖孔灌注桩和钻孔灌注桩等地基处理方案，尚未见使用更为经济、简便的强夯法对地基进行处理。通过深入研究强夯机理，并参考了用强夯法处理山区块石回填地基的相关工程实例后，认为当填筑厚度不超过5m时，合理选择强夯参数和施工工艺，可以对爆破后的山区块石与土料进行强夯处理。

关键词：强夯法；地基处理；户外变电站；山区

中图分类号:TM63 文献标示码:A 文章编号:

APPLICATION OF DYNAMIC COMPACTION IN GROUND TREATMENT OF CHONGQING CITY OUTDOOR SUBSTATION

CHEN Weihong　Fu Wei

（State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing100095，China）

Abstract：Manual digging pile and bored pile are widely used in ground treatment of Chongqing city outdoor substation now. However, the ground treatment of dynamic compaction which is more economic and simple has not been used. The mechanism of dynamic compaction and the relevant projects of treatment of mountain stone backfill with dynamic compaction are studied deeply in this paper. It is can be concluded that dynamic compaction can be used to treat the bursting of rocks and soil of mountain when thickness of filler is not more than five meters. The parameters of dynamic compaction and construction technology should be selected reasonably.

Keywords：Dynamic compaction; Ground treatment; Outdoor substation; Mountain area

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。但是爆破开采的岩石颗粒大小不均，最大粒径可达1～2m，级配差，孔隙大，并且随着开挖深入，土石比不断变化，即使在同一场地填料也很不均匀，导致重庆地区强夯工艺使用较少，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三分之二的振动能量，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，纵波大部分通过液相运动，逐渐使孔隙水压力增加，使土体骨架解体，而随后到达的横波使解体的土颗粒处于更加密实的状态。随着加固深度的增加，纵波强度在衰减，而压密作用也逐渐减少。

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

作者简介：陈伟宏（1980～），男，博士，工程师，主要从事混凝土结构加固和混凝土结构抗火方面研究

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；随着深度的增大和上覆压力的增加，瑞利波对加固作用开始起积极作用。波的强扩散区填土在瑞利波、纵波、横波和夯锤冲击应力作用下进一步压密，波的传播深度增加，加固区逐渐增长，最终趋于稳定，称为加固区形成及增长阶段；土体密实度提高可以减小波在填土中传播时的能量损失，当波衰减到可以忽略不计时所走的路程与已加固区的深度相等时，波能主要消耗在已加固区传播过程中，继续增加夯击次数加固深度基本不再变化，即能量饱和；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“过应力”现象，需进行“时效处理”，以改善地基性能，该阶段即为过应力消除及地基性能改善阶段。强夯处理后，往往随时间增长承载能力有增大趋势。

强夯处理后地基土沿深度分为四层[4]。由面波在地表层传播使土体产生上下运动和与质点振动方向垂直的横波作用使土体松动而形成的松弛区域为第一层；经压缩波反复作用使地下应力超过了地基的破坏强度的区域为第二层，这一层土中吸收纵波放出的能量最多，所以固结效果最好；第三层的土应力急剧下降，冲击产生的应力在土的破坏强度与屈服强度之间，是加固效果迅速下降的区域；土中应力小于屈服应力的区域为第四层，该区基本上没有得到加固。

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[5～9]。

贵阳龙洞堡机场位于起伏较大的山区，最大填方厚度为54m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[5]。作者围绕着强夯法处理大块石填筑地基问题，分别进行了大块石颗粒组成的级配分析试验、填筑施工方法的效果对比、不同能级的单点夯击试验、不同夯击次数的小区试验以及地基有效加固深度的测试、地基回弹模量试验、密度测试、静力载荷试验、地基沉降变形观测等项目的测试，并在此基础上进行了五十多万平方米的地基处理工程实践。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700kPa，地基回弹模量为400~ 500 kPa，地基变形模量大于400MPa。地基累计沉降量小2mm，地基差异沉降量小于2mm，地面平均夯沉量为50~60cm。作者认为单击夯击能量3000kN·m，夯击12～16次，地基(ρd≥2.0g/cm3)有效加固深度为4.0～4.2m。

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14.0m。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3000kN·m的夯击能有效加固深度在5～6m左右，单点夯击区在深度接近6m处的变形值达到了1.8cm。

重庆某住宅小区有27栋12层小高层住宅楼[6]，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7～45m，平均厚度约为30m。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4000kN·m的单击夯击能，两次夯后总影响深度大于25m。强夯处理后，地基承载力特征值fa≥250kPa，地基的压缩模量Es≥20MPa，建筑基础的平均沉降量≤200mm。

某一层轻钢厂房位于重庆九龙坡区[7]，占地约2万平方米，填方深度最大在8m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2000kN·m，强夯影响深度大于7m。经强夯处理后，地基承载力特征值达到265kPa，变形模量为26.4Mpa，累计下沉量为6mm。

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”。为使填筑粒料达到良好的级配和分层填筑厚度所控制的最大粒径，应选择合适的爆破能级进行爆破。在填土前，要将大块石分解，尽量控制最大粒径在500mm以下，粒径大于300mm的颗粒含量不宜超过全重的30%。如果没有条件破碎大块石，尽量将大块石与砂土一起填在地基深处，形成级配较好的地基填料，避免大量块石堆积造成孔隙很大的填土地基。

为提高地基加固效果和增加地基加固深度, 宜用堆填法进行高填方工程的分层填筑[5]。建议每层填筑深度为1m左右，填筑5m后进行强夯。

当山区场地填土深度不均匀时，可以将要处理的地基根据深度在平面上进行分区，不同的加固深度选择不同的夯击能量，并尽量将强夯后的地基承载力和压缩模量相近。当同一栋建筑的一部分基础落在挖方区，另一部分基础落在填方区时，为使建筑下地基的沉降性能趋于均匀，需要对填土地基应采用大的夯击能量，使填土地基弹性模量显著提高，对挖方地基，应该进行超挖2m以上，并回填砂石料。

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。

5.结论

通过对强夯机理和用强夯法处理山区块石回填地基的相关工程实例进行深入研究后认为：

(1)为使填筑粒料达到良好的级配和分层填筑厚度所控制的最大粒径，应对爆破方案进行合理的设计。

(2)为提高地基加固效果和增加地基加固深度, 宜用堆填法进行分层填筑。粒径大的岩石尽量放在下面，每次填筑深度为1m左右，填筑5m后进行强夯。

(3)重庆地区户外变电站当填筑厚度不超过5m时，合理选择强夯参数和施工工艺，可以对爆破后的山区块石与土料进行强夯处理。

参考文献：

[1]阮维.强夯法在山区块石填方工程中的应用[D].重庆:重庆大学,2007,４

[2]徐至钧,张亦农.强夯和强夯置换法加固地基[M].北京：机械工业出版社,2004

[3]丁振洲,陆新,郑颖人.山区地基强夯加固机理探讨[J].全国第九届土力学与岩土工程会议论文集,2003

[4]高大钊.岩土工程的回顾与前瞻[M].北京:人民交通出版社,2001

[5]甘厚义,焦景有.贵阳龙洞堡机场大块石填筑地基的强夯处理技术[J].建筑科学,1995,(1):17-26