强夯法加固浙北1000kV变电站碎石土地基施工参数优化研究

黄磊+++龚晓南+++俞建霖+陈若曦

摘 要：运用多种手段对浙北1000kV特高压变电站回填碎石土地基进行了不同强夯施工参数情况下加固效果的现场试验研究，介绍了三个不同试夯区的施工参数以及现场检测的结果。对高填方地基，选择合适的夯能和施工工艺对地基加固效果有重大影响，通过对三个强夯施工参数不同的试夯区的加固效果检测，最后确定大面积强夯施工时采用5000kN.m夯能，正三角形布置，5.0m夯点间距，按不跳点强夯和满夯的施工工艺进行。

关键词：变电站；高填方；强夯法；现场试验；加固效果

1.引言

随着工程建设规模的不断扩大，越来越多的工程尤其是电厂、变电站、石化和机场等工程的选址都会选在山地或丘陵地带，以保护环境和节约用地，因此，这些工程的地基大部分都为高填方地基。而强夯法，又称动力密实法，是用起重机器将质量为10吨～40吨的夯锤起吊到6～30m的高度后自由下落，产生强大的冲击能量，对地基进行强力夯实，从而提高地基承载力降低其压缩性的地基处理方法。浙北1000kV变电站场地受山区丘陵控制，地形起伏较大，地表高程变化的范围一般在36.30～93.72m之间，如果场地平整后最终标高按67m考虑，则最大回填高度达26m左右。而强夯法在处理回填土地基方面得到了广泛的应用，但对于不同场地结合不同的地质条件，强夯工艺及施工参数存在较大差异[1]。为了确定强夯法处理浙北1000kV变电站回填土地基的可行性，检测经强夯处理后地基加固效果是否满足超高压变电站场地的要求；为了取得大面积强夯施工时的强夯控制参数及指标，现场进行了强夯试验，分别设置了三个不同的试夯区，本文着重介绍通过三个试夯区的强夯试验优化大面积强夯施工参数的问题。

2.试夯区概况

2.1 工程地质条件

站址区内地貌为构造低山剥蚀丘陵区，地貌主要为浑圆状的低山，地形起伏较大，地表高程变化的范围一般在36.30m～93.72m之间。根据前期勘测资料[2]，站址区第四系地层为粘性土、碎石及全风化粉砂岩，下伏强风化、中等风化粉砂岩。其岩性自上至下分别为：

（1）素填土：黄褐色，主要由粘性土组成，厚度4.20m。

（2）粉质粘土：灰黄、黄褐色，可塑，含少量铁质结核，无摇震反应，稍有光滑，干强度中等、韧性中等，以粉质粘土为主，局部相变为粘土，分布于丘陵山坡的表层，厚度一般为0.40m～5.30m。

（3）碎石（中密）

杂色，母岩成分为粉砂岩，颗粒级配差，呈棱角状，磨圆差，排列无序，中等风化，混多量粘性土，厚度一般为1.30m～6.90m。

（4）粉砂岩（全风化）

灰黄色，主要矿物成分为石英、长石，散体结构，全风化，岩石结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，岩体呈砂状，厚度一般为0.40m～4.00m。

（5）粉砂岩（强风化）

灰黄色，主要矿物成分为石英、长石，泥质胶结，细粒结构，中厚层构造，呈碎块状，强风化，岩石结构大部分破坏，厚度一般为0.60m～4.90m。

（6）粉砂岩（中等风化）

黄褐色、灰色，主要矿物成分为石英、长石，泥质胶结，钙质胶结，细粒结构，中厚层构造，呈块状，中等风化，结构大部分完好。

2.2 试夯区强夯参数的设置

本场地原土层较厚，因此在原土层进行强夯置换之后再进行回填土强夯施工。由于回填厚度大，采用分层回填强夯施工的方法，每层回填土厚度4m，回填料就地取自山体开挖的碎石料，夹杂少量粘土。三个试夯区的大小均为27m*27m，各试夯区强夯参数设置如下表所示：

说明：Ⅰ区按三遍跳点夯完成夯点，收锤标准点夯按最后两击夯沉量第一遍≤7cm，第二遍≤5cm，第三遍≤3cm；Ⅱ区按不跳点强夯法施工，收锤标准为最后两击平均夯沉量≤30mm，点夯完成后进行一遍夯能1500kN.m的满夯，每点四击，1/3夯锤直径搭接；Ⅲ区的夯击遍数和控制指标同Ⅱ区，只是夯点间距和布置形式不同。

3.现场强夯试验结果

3.1 平均累计夯沉量与夯击次数的关系

在Ⅰ区的三遍强夯过程中选9个有代表性的夯点（每遍选3个），在Ⅱ、Ⅲ区选取9个有代表性的夯点进行分析，如图1所示。

由图1可看出，当夯击能量分别为4200kN.m和5000kN.m时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的平均累计夯沉量分别为115.2cm、162.1cm和162.8cm。在不同的夯击次数下Ⅲ区的夯沉量稍大于Ⅱ区对应夯击次数下的夯沉量，但总体二者曲线几乎重合，而随着夯能的增加可以看出Ⅱ区和Ⅲ区的最终夯沉量明显大于Ⅰ区的累计夯沉量，说明平均累计夯沉量受夯点间距和夯点布置形式的影响较小于夯能的影响。至于夯点间距对夯坑沉降变形的影响杨建国[3]等认为在同样夯能下夯点间距越大则夯坑沉降变形越大。由于本工程夯点间距只有4.2m和5.0m，二者只相差了0.8m，所以在同样夯能的情况下Ⅲ区的平均累计夯沉量只是稍大于Ⅱ区，从某种程度上也验证了文献三中论点的正确性。从上图还可以看出，随着夯击次数的增加夯坑深度的增加逐渐减少，到最后曲线近似呈水平，所以不能为了追求地基加固效果而盲目增加夯击次数从而导致夯击能的浪费。

3.2 超重型动力触探试验

在Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区夯前、夯后分别进行超重型动力触探，根据打入的难易程度来判断地基在夯前夯后的工程特性。分别将夯前和夯后同一动力触探孔位的数据绘成曲线图如下（图中动力触探击数为现场实测未经修正）。

从图2可以看出，强夯之后动力触探击数有了较高程度的提高。在Ⅰ区内，深度5.4m以上动力触探击数较夯前有所增加而5.4m以下基本无增加，且地表以下1.0m范围内动探击数在7击以下，说明在4200kN.m夯能正方形布置作用下该地基的有效加固深度大概为5.4m，但表层加固效果较差，有效深度范围内动力触探击数平均值由3.7增加到8.9，增幅243%左右；在Ⅱ区内，深度6.0m以上动力触探击数较夯前有所增加而6.0m以下基本无增加，有效加固深度大概为6.0m，且在满夯作用下表层土的加固效果好于Ⅰ区，有效深度范围内动力触探击数平均值由4.9增加到15.2，增幅310%左右；在Ⅲ区内，深度6.2m以上动力触探击数较夯前有所增加而6.2m以下基本无增加，有效加固深度大概为6.2m，且表层土加固效果也好于Ⅰ、Ⅱ区，有效深度范围内动力触探击数平均值由5.0增加到17.1，增幅340%左右；经上述分析，在采用梅纳公式[4]计算有效加固深度时，建议对碎石土回填强夯地基采用0.26～0.28的修正系数。夯能越大动力触探击数越高、有效加固深度越大，土体越密实；采用一遍不跳点强夯加一遍满夯的方式对表层土的加固效果好于采用三遍跳点强夯的方式；5000kN.m正三角形布置区的动力触探增加幅度和有效加固深度稍高于正方形布置区域。

3.3瑞雷波测试

由于瑞雷波具有频率弥散特性，利用其弥散特性能初步地反分析地基分层剪切波速度。瑞利波波速VR代表1/2～1/3波长处土的动力特性，根据瑞利波波速VR和剪切波速Vs之间的关系，因此可以推算深度为1/2～1/3波长处土层的平均剪切波速[5]。通过不断改变激振器频率，波长就随着变化，从而可以获得不同深度处土层的剪切波速值。在三个试夯区强夯结束后，分别进行瑞雷波测试，绘出各个试夯区瑞雷波频散曲线如图3所示。

从上图可以看出，瑞雷波频散曲线大致呈“之”字型，在深度3m以上范围内，Ⅱ区和Ⅲ区的剪切波速明显高于Ⅰ区，主要原因是Ⅰ区采用的夯能较Ⅱ区和Ⅲ区低，而且Ⅰ区采用三遍点夯的形式而没有采取满夯处理导致Ⅰ区表层土体相对比较松散。从Ⅰ区曲线来看，在深度4.5m处波速突然增大，而Ⅱ区和Ⅲ区均在6.0m左右波速有突变，说明Ⅰ区的有效加固深度在4.5m左右而Ⅱ区和Ⅲ区有效加固深度在6.0m左右。与根据动力触探判断有效加固深度的结果相对比，Ⅰ区稍有差别，Ⅱ区和Ⅲ区的结果大致相同。

取一定深度（有效加固深度）范围内的剪切波速做对比，如表2。

从表2可以看出，夯能越大，有效加固深度范围内土体剪切波速平均值越大；而夯点间距4.2m方形布置的Ⅰ、Ⅱ试夯区内波速标准差和变异系数大于夯点间距5.0m三角形布置的Ⅲ试夯区，说明Ⅲ区的强夯加固地基的均匀性比Ⅰ、Ⅱ区要好。

3.4 密实度和固体体积率

为进一步评价不同试夯区强夯后地基的均匀性击压实度，采用灌水法对地基土进行密实度和固体体积率检测，各试夯区检测结果见表3、4。从表中可以看出，Ⅰ区的密实度和固体体积率都达不到设计要求值0.97/0.82，而Ⅱ、Ⅲ区能达到设计要求。

3.5静载荷试验

本工程的静载荷试验采用浅层平板载荷试验，承压板边长为2.0m，面积为4m2。静载荷试验的主要目的是检测强夯处理之后地基承载力特征值是否满足设计标准，各个试夯区的Q～s曲线如下图4所示。地基承载力特征值采用相对变形法选择[6]，取s/b等于0.01～0.015所对应的压力为地基承载力特征值（s为载荷试验承压板的沉降量，b为承压板的宽度）。按照弹性理论公式[7]可以通过载荷试验间接推算地基土变形模量。

式中：沉降影响系数，对于方形板取0.89； 为土体泊松比，取0.25；P施加的压力；S为P对应的沉降量；b 为荷载板的边长。

当取s/b=0.01所对应的压力为地基承载力特征值时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试夯区地基承载力特征值分别为250kPa，303 kPa，476 kPa，均满足设计要求值，对应的变形模量分别为21Mpa，24Mpa，40Mpa；当取s/b=0.015所对应的压力为地基承载力特征值时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试夯区地基承载力特征值分别为312kPa， 383kPa，576kPa，均满足设计要求值，对应的变形模量分别为17Mpa，21Mpa，32Mpa；从静载荷试验结果来看，碎石土地基强夯后承载力均较高，全部满足设计要求。

4.结语

通过对本工程试夯区强夯试验的检测可得出以下几条结论：

（1） 夯坑夯沉量随着夯击能量和夯点间距的增大而增大，同时也受夯点布置形式的影响；随着夯击次数的增加，每击产生的夯沉量逐渐减少，不能为了追求地基加固效果而盲目增加夯击次数从而导致夯击能的浪费。

（2）夯能越大动力触探击数越高、有效加固深度越大，土体越密实；采用一遍不跳点强夯加一遍满夯的方式对表层土

3.3瑞雷波测试

由于瑞雷波具有频率弥散特性，利用其弥散特性能初步地反分析地基分层剪切波速度。瑞利波波速VR代表1/2～1/3波长处土的动力特性，根据瑞利波波速VR和剪切波速Vs之间的关系，因此可以推算深度为1/2～1/3波长处土层的平均剪切波速[5]。通过不断改变激振器频率，波长就随着变化，从而可以获得不同深度处土层的剪切波速值。在三个试夯区强夯结束后，分别进行瑞雷波测试，绘出各个试夯区瑞雷波频散曲线如图3所示。

从上图可以看出，瑞雷波频散曲线大致呈“之”字型，在深度3m以上范围内，Ⅱ区和Ⅲ区的剪切波速明显高于Ⅰ区，主要原因是Ⅰ区采用的夯能较Ⅱ区和Ⅲ区低，而且Ⅰ区采用三遍点夯的形式而没有采取满夯处理导致Ⅰ区表层土体相对比较松散。从Ⅰ区曲线来看，在深度4.5m处波速突然增大，而Ⅱ区和Ⅲ区均在6.0m左右波速有突变，说明Ⅰ区的有效加固深度在4.5m左右而Ⅱ区和Ⅲ区有效加固深度在6.0m左右。与根据动力触探判断有效加固深度的结果相对比，Ⅰ区稍有差别，Ⅱ区和Ⅲ区的结果大致相同。

取一定深度（有效加固深度）范围内的剪切波速做对比，如表2。

从表2可以看出，夯能越大，有效加固深度范围内土体剪切波速平均值越大；而夯点间距4.2m方形布置的Ⅰ、Ⅱ试夯区内波速标准差和变异系数大于夯点间距5.0m三角形布置的Ⅲ试夯区，说明Ⅲ区的强夯加固地基的均匀性比Ⅰ、Ⅱ区要好。

3.4 密实度和固体体积率

为进一步评价不同试夯区强夯后地基的均匀性击压实度，采用灌水法对地基土进行密实度和固体体积率检测，各试夯区检测结果见表3、4。从表中可以看出，Ⅰ区的密实度和固体体积率都达不到设计要求值0.97/0.82，而Ⅱ、Ⅲ区能达到设计要求。

3.5静载荷试验

本工程的静载荷试验采用浅层平板载荷试验，承压板边长为2.0m，面积为4m2。静载荷试验的主要目的是检测强夯处理之后地基承载力特征值是否满足设计标准，各个试夯区的Q～s曲线如下图4所示。地基承载力特征值采用相对变形法选择[6]，取s/b等于0.01～0.015所对应的压力为地基承载力特征值（s为载荷试验承压板的沉降量，b为承压板的宽度）。按照弹性理论公式[7]可以通过载荷试验间接推算地基土变形模量。

式中：沉降影响系数，对于方形板取0.89； 为土体泊松比，取0.25；P施加的压力；S为P对应的沉降量；b 为荷载板的边长。

当取s/b=0.01所对应的压力为地基承载力特征值时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试夯区地基承载力特征值分别为250kPa，303 kPa，476 kPa，均满足设计要求值，对应的变形模量分别为21Mpa，24Mpa，40Mpa；当取s/b=0.015所对应的压力为地基承载力特征值时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试夯区地基承载力特征值分别为312kPa， 383kPa，576kPa，均满足设计要求值，对应的变形模量分别为17Mpa，21Mpa，32Mpa；从静载荷试验结果来看，碎石土地基强夯后承载力均较高，全部满足设计要求。

4.结语

通过对本工程试夯区强夯试验的检测可得出以下几条结论：

（1） 夯坑夯沉量随着夯击能量和夯点间距的增大而增大，同时也受夯点布置形式的影响；随着夯击次数的增加，每击产生的夯沉量逐渐减少，不能为了追求地基加固效果而盲目增加夯击次数从而导致夯击能的浪费。

（2）夯能越大动力触探击数越高、有效加固深度越大，土体越密实；采用一遍不跳点强夯加一遍满夯的方式对表层土

3.3瑞雷波测试

由于瑞雷波具有频率弥散特性，利用其弥散特性能初步地反分析地基分层剪切波速度。瑞利波波速VR代表1/2～1/3波长处土的动力特性，根据瑞利波波速VR和剪切波速Vs之间的关系，因此可以推算深度为1/2～1/3波长处土层的平均剪切波速[5]。通过不断改变激振器频率，波长就随着变化，从而可以获得不同深度处土层的剪切波速值。在三个试夯区强夯结束后，分别进行瑞雷波测试，绘出各个试夯区瑞雷波频散曲线如图3所示。

从上图可以看出，瑞雷波频散曲线大致呈“之”字型，在深度3m以上范围内，Ⅱ区和Ⅲ区的剪切波速明显高于Ⅰ区，主要原因是Ⅰ区采用的夯能较Ⅱ区和Ⅲ区低，而且Ⅰ区采用三遍点夯的形式而没有采取满夯处理导致Ⅰ区表层土体相对比较松散。从Ⅰ区曲线来看，在深度4.5m处波速突然增大，而Ⅱ区和Ⅲ区均在6.0m左右波速有突变，说明Ⅰ区的有效加固深度在4.5m左右而Ⅱ区和Ⅲ区有效加固深度在6.0m左右。与根据动力触探判断有效加固深度的结果相对比，Ⅰ区稍有差别，Ⅱ区和Ⅲ区的结果大致相同。

取一定深度（有效加固深度）范围内的剪切波速做对比，如表2。

从表2可以看出，夯能越大，有效加固深度范围内土体剪切波速平均值越大；而夯点间距4.2m方形布置的Ⅰ、Ⅱ试夯区内波速标准差和变异系数大于夯点间距5.0m三角形布置的Ⅲ试夯区，说明Ⅲ区的强夯加固地基的均匀性比Ⅰ、Ⅱ区要好。

3.4 密实度和固体体积率

为进一步评价不同试夯区强夯后地基的均匀性击压实度，采用灌水法对地基土进行密实度和固体体积率检测，各试夯区检测结果见表3、4。从表中可以看出，Ⅰ区的密实度和固体体积率都达不到设计要求值0.97/0.82，而Ⅱ、Ⅲ区能达到设计要求。

3.5静载荷试验

本工程的静载荷试验采用浅层平板载荷试验，承压板边长为2.0m，面积为4m2。静载荷试验的主要目的是检测强夯处理之后地基承载力特征值是否满足设计标准，各个试夯区的Q～s曲线如下图4所示。地基承载力特征值采用相对变形法选择[6]，取s/b等于0.01～0.015所对应的压力为地基承载力特征值（s为载荷试验承压板的沉降量，b为承压板的宽度）。按照弹性理论公式[7]可以通过载荷试验间接推算地基土变形模量。

式中：沉降影响系数，对于方形板取0.89； 为土体泊松比，取0.25；P施加的压力；S为P对应的沉降量；b 为荷载板的边长。

当取s/b=0.01所对应的压力为地基承载力特征值时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试夯区地基承载力特征值分别为250kPa，303 kPa，476 kPa，均满足设计要求值，对应的变形模量分别为21Mpa，24Mpa，40Mpa；当取s/b=0.015所对应的压力为地基承载力特征值时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ试夯区地基承载力特征值分别为312kPa， 383kPa，576kPa，均满足设计要求值，对应的变形模量分别为17Mpa，21Mpa，32Mpa；从静载荷试验结果来看，碎石土地基强夯后承载力均较高，全部满足设计要求。

4.结语

通过对本工程试夯区强夯试验的检测可得出以下几条结论：

（1） 夯坑夯沉量随着夯击能量和夯点间距的增大而增大，同时也受夯点布置形式的影响；随着夯击次数的增加，每击产生的夯沉量逐渐减少，不能为了追求地基加固效果而盲目增加夯击次数从而导致夯击能的浪费。

（2）夯能越大动力触探击数越高、有效加固深度越大，土体越密实；采用一遍不跳点强夯加一遍满夯的方式对表层土