泥岩高填方地基强夯设计及现场试验分析

何 勇， 贺 瑞， 陈建敏， 张朋朋

(1.西南电力设计院有限公司， 成都 610021；2.电力规划设计总院， 北京 100120；3.中国南方电网超高压输电公司， 广州 510530)

引 言

泥岩是由弱固结的黏土经压实、脱水和重结晶等作用形成的沉积岩，其开挖后形成的泥岩碎石土一般属于巨(粗)粒土料，遇水易崩解和软化[1-5]，可能导致填方地基的湿陷沉降变形[6-7]。因此，采用泥岩作为建造高填方地基的填料，在工程界历来存在争议[5,7-9]。例如云南丽江机场采用泥岩填筑填方地基，建成通航后道面最大沉降量达45.4 cm，造成道面道基间严重脱空，道面开裂，严重影响适航性，被迫于2008年停航维修[6]；京珠高速公路长沙至湘潭K18-K19路段，采用泥岩填筑的路堤在未浇筑路面混凝土结构层前经历雨季，13 m高的路基最大沉降量达18 cm，经压浆处理后，一个月内路基再下沉18 cm[10]。

但在我国西南地区，泥岩分布广泛，建造高填方地基时，考虑到地基处理的经济成本和环境保护因素，多数工程，尤其是占地面积较大、土石方量较大的工程，不得不采用泥岩作为填料。有研究表明，压实质量较高的泥岩填筑体发生湿陷沉降变形的几率会有相当程度的降低[6,10]，因此，山西省机械施工公司提出泥岩高填方地基宜采用强夯法处理[11]，张永宏[12]认为采用强夯加固法可有效解决泥岩在路基填筑中的局限性。然而，现行有关设计标准对于泥岩高填方地基的分层强夯设计缺乏有效指导，未提出强夯能级的选用原则和方法；对于夯点间距和满夯击数等重要强夯设计参数规定尚不统一，并且部分研究文献推荐的夯点间距过于偏大。本文依托乌东德直流输电工程±800 kV昆北换流站工程泥岩高填方地基设计，对不同能级分层强夯方案开展了综合比较，提出了技术经济较优的6000 kN·m分层强夯方案，为类似工程的分层强夯设计提供了强夯能级选用的思路；同时，开展了现场试验工作，着重研究了夯点间距和满夯击数等主要强夯设计参数，供工程设计和设计标准制修订工作参考。

1 工程概况

1.1 站址概况

±800 kV昆北换流站为乌东德电站送电广东广西特高压多端直流示范工程的送端换流站，站址位于云南省昆明市禄劝县茂山镇丽山村，南距禄劝县约23 km。站址场地地貌属侵蚀构造地貌之中海拔、中起伏山地地貌，场地主要由近南北向的宽缓山梁和分布于两侧的冲沟组成，自然地面高程在1925 m～2000 m之间，最大高差约75 m，地形坡度约5度～35度。

1.2 地质条件

①1层粉质粘土、粘土：呈灰褐色、灰色，可塑～硬塑状，混岩石风化碎屑，分布在沟谷中土层的中上部，厚度1.00 m～3.20 m。

①2层粉质粘土、粘土：呈灰色、灰黑色，主要为粘土和粉质粘土，软塑。

①3层粉砂：呈灰色，松散～稍密，在沟谷地段零星分布。

②1层粉质粘土：呈红褐色、褐色，可塑～硬塑状，混岩石风化碎屑，广泛分布于山梁及斜坡地段，厚度为0.50 m～2.60 m。

②2层块石：杂色，呈稍密状，骨架成分一般多以强风化泥岩、砂岩为主，块石粒径一般200 mm～300 mm，充填可塑状粘土。

③1层泥岩、粉砂岩全风化层，呈红褐色、褐色，全风化，呈土状，主要分布于山梁及斜坡中上部，厚度0.40 m～6.90 m。

③层基岩，主要为泥岩，呈紫红色、棕红色；次为紫红色、棕红色粉砂岩，浅灰色砂岩及泥质砂岩。基岩强风化层厚度约为0.40 m～3.90 m。

1.3 站区竖向布置

根据技术经济综合比较，站区采用平坡式竖向布置。场地平整以土石方挖填自平衡为原则，初平设计标高1969.30 m，挖方量约220×104m3，填方量约225×104m3。场平后，500 kV交流滤波器场大部、±800 kV直流场大部位于填方区，站区围墙内最大填方高度大约35 m，是目前国内特高压换流站工程的第一高填方。

2 强夯方案设计与优化

根据场平方案和勘察资料，估算的场地挖方土石比例约为2∶8，因此，填方填料以泥岩碎石土为主，而泥岩高填方地基要解决的核心问题主要是湿陷沉降变形问题。在建造大面积填方地基主流的几种压(夯)实工艺中，强夯法具有较大的单位压实功[13]，可以提高压实质量，减少泥岩填方地基发生湿陷沉降变形的几率。同时，结合昆明新机场建造泥岩高填方地基的成功经验[14]，为了减少填方地基的工后沉降，站区高填方地基处理采用分层强夯方案。

2.1 强夯能级

由于高能级、超高能级强夯设备体积较大、移动笨拙，同时，强夯加固深度并不随着能级的增高而成比例增长，因此，高填方地基不宜采用高能级、超高能级强夯。下面对6000 kN·m、4000 kN·m两个中等能级分层强夯方案开展比选。

2.1.1 6000 kN·m方案

点夯能级6000 kN·m，最大分层堆填厚度8 m；满夯能级2000 kN·m。预估的强夯分层情况见表1，相应的工期、投资估算分别见表2、表3。

表1 6000 kN·m方案分层一览表

表2 6000 kN·m方案工期估算

注：1.6000 kN·m点夯效率按500 m2/d，2000 kN·m满夯效率按500 m2/d考虑。

2.泥岩碎石土强夯时可以连续夯击，因此表中未计各遍夯击的间隔时间。

表3 6000 kN·m方案投资估算

注：1.点夯单点击数按12击考虑。

2.仅计直接工程费。

2.1.2 4000 kN·m方案

点夯能级4000 kN·m，最大分层堆填厚度6 m；满夯能级2000 kN·m。预估的强夯分层情况见表4，相应的工期、投资估算分别见表5、表6。

表4 4000 kN·m方案分层一览表

注：1.4000 kN·m点夯效率按700 m2/d，2000 kN·m满夯效率按500 m2/d考虑。

表6 4000 kN·m方案投资估算

注：1.点夯单点击数按15击考虑。

2.1.3 方案比选

表7 方案比较表

根据比较，以直接工程费口径计算的投资，6000 kN·m方案节省大约270万元，节省幅度11%；同时，节省工期大约20 d，节省幅度19%。

技术方面，由于泥岩碎石土在分层堆填时不可避免的存在块石架空现象，而这正是泥岩高填方地基发生湿陷沉降变形的重要原因[10]，因此，强夯时宜适当提高夯击能将大颗粒击碎。

综合考虑，推荐采用技术经济更优的6000 kN·m分层强夯方案。

2.2 填料组织

填料主要来源于场平挖方区开挖出的土石方，包括②1层粉质粘土、②2层块石和③层基岩。细粒土填料的含水量应按最优含水量±2%控制，其中，最优含水量采用重型击实试验确定。为了减小泥岩地基发生湿陷沉降变形的几率，开挖出的泥岩块石最大粒径按300 mm控制。

3 现场试验设计与分析

自20世纪70年代引起国内以来，强夯法已在地基处理领域得到广泛应用，有关强夯的加固机理研究也在不断深入，但目前尚未形成一套成熟、系统的设计理论，仍然属于工程实践领先于理论研究的地基处理方式。因此，采用强夯法处理的地基，应进行试验，确定适用性和处理效果，以及合适的强夯设计和施工参数。

3.1 试验方案设计

考虑试验对比分析、强夯设计优化的需要，设置A、B两个试验区，各区场地尺寸约为20 m×20 m。

3.1.1 变量设计

夯点间距直接影响有效加固深度和加固效果，因此，在强夯能级一定时，夯点间距是最有意义的试验变量。对于6000 kN·m能级的夯点间距，目前工程界的认识并不统一，《强夯地基处理技术规程》CECS 279∶2010的规定为5.5 m～6.0 m，而《高填方地基技术规范》GB 51254-2017的规定则为5 m，也有研究提出为8 m[15]。因此，试验将夯点间距作为主要变量，A区采用5 m，B区采用6 m。

满夯是加固强夯地基扰动层的重要手段，满夯击数直接决定了地基强度，即适当提高满夯击数对加固效果有利；但考虑到施工效率，满夯击数也不宜过高。因此，将满夯击数作为变量之一，A区每点5击，B区每点3击。

综上，现场试验的研究变量分别是夯点间距和满夯击数。

3.1.2 设计参数

结合强夯方案设计和试验变量设计，提出现场试验的主要设计参数见表8：

表8 主要设计参数

3.1.3 施工参数

结合主流强夯设备的起吊能力，试验选择锤底直径2.5 m、质量35 t的夯锤，相应的施工参数见表9。

表9 主要施工参数

3.1.4 填筑方式

根据《强夯地基处理技术规程》CECS 279∶2010的规定，人工填土强夯地基分层堆填的亚层厚度可取0.8 m～1.2 m。但根据滇西北直流输电工程±800 kV新松换流站的工程经验，亚层厚度过大时，填料粒径无法控制，极易形成块石架空，显著减小强夯的有效加固深度，同时，为泥岩发生湿陷沉降变形提供了可能。因此，将堆填的亚层厚度由规范规定的0.8 m～1.2 m改为0.4 m。每堆填约400 mm时，采用推土机推平处理，再用18 t振动碾压机械碾压2遍，通过开挖-装车-卸车堆填-大颗粒二次破碎-推土机推平-碾压-第2亚层回填，直至完成该层预定的堆填厚度。

3.1.5 验收指标

根据同类地质条件下的工程经验，结合特高压换流站的使用要求，强夯地基的预期设计目标，即质量验收指标见表10。

表10 验收指标表

3.2 试验结果分析

3.2.1 平板载荷试验

A、B区夯后各设3个载荷试验点，其位置均为夯间，深度均为夯后完成面以下1m。试验结果见表11。

表11 平板载荷试验结果

注：试验采用边长1.5 m的方形压板，最大加载量400 kPa。

从试验结果来看，A、B区夯后的地基承载力特征值和变形模量均达到了预期设计目标。其中，就变形模量而言，A、B区的平均值均超过均30 MPa，可判定为低压缩性地基；横向比较，A区较好。

3.2.2 重型动力触探

A、B区夯前各设3个重型动力触探测点，位置均为夯间；夯后各设6个重型动力触探测点，其中3个为夯间对比测点，3个为夯点测点。

A、B区夯间测点夯前、夯后的动力触探试验曲线对比分别如图1、图2所示。

图1 A区重型动力触探试验曲线图

图2 B区重型动力触探试验曲线图

A区夯间在夯前的动探击数平均值约为9.0，处于稍密状态；夯后动探击数平均值约为14.4，处于中密状态。夯后8 m深度范围以内动探击数均有不同程度提高，平均提高大约60%。

B区夯间在夯前的动探击数平均值约为7.6，处于稍密状态；夯后动探击数平均值约为11.3，处于中密状态。夯后8 m深度范围以内动探击数均有不同程度提高，平均提高大约48%。

各区夯点测点夯后的动力触探试验结果见表12。

表12 夯点动力触探试验结果

从试验结果来看，A、B区夯点夯后的动探击数平均值均在15击左右，处于中密状态，部分层位已处于密实状态，加固效果较好。

将夯点与夯间的动力触探试验结果进行对比，可以看出，A区夯点、夯间的动探击数平均值基本接近；而B区的差异则相对较大，反映整体的均匀性较差。

综合来看，A、B区的强夯加固深度均达到8 m。横向比较，不论是以动探击数平均值衡量的地基强度，或者是以动探击数提高值评价的夯实效果，亦或是夯点夯间的均匀性，A区均较B区稍好。

3.2.3 压实系数检测

A、B区分别在平板载荷试验点设置3个压实系数检测点，分别采用了现场环刀法、现场灌砂法以及瑞雷波法在深度上进行了分层检测。其中，瑞雷波法通过建立波速与密度的关系间接计算压实系数，其试验结果见图3。

图3 压实系数图

从图3中可以看出，A、B区3个测点沿深度的压实系数均大于等于0.94，符合设计要求。

3.2.4 综合分析

总体来看，A、B试验区的地基承载力特征值、变形模量和压实系数等试验结果均达到了设计预期，以起夯面计算的有效加固深度达到8 m；表明采用强夯处理泥岩填方地基是合适的，试验方案是基本合理的。

从动力触探试验来看，A、B试验区填土的密实度经强夯后，由稍密状态进入中密～密实状态，地基强度得到大幅提高。但B区夯点、夯间的动探击数平均值差异相对较大，主要是夯间的动探击数相对较低，表明受夯点间距偏大的影响，夯间的夯实加固效果有限，导致地基均匀性较差。

从平板载荷试验来看，A、B试验区的地基承载力特征值均可以达到200 kPa，变形模量平均值超过30 MPa。由于浅层平板载荷试验的影响深度主要是强夯填筑体的上部，而该深度范围是点夯的扰动范围，主要由满夯加固，因此，可以认为满夯击数分别为3击、5击时均能满足设计要求。

4 结 论

(1)泥岩高填方地基设计应着重提高回填压实质量，减少其发生湿陷沉降变形的几率，宜采用中等能级分层强夯，能级选用可根据技术经济比较确定。针对±800 kV昆北换流站，推荐采用技术经济较优的6000 kN·m分层强夯方案。

(2)为了有效控制填料粒径，尽量避免由于泥岩大块石架空可能造成的地基湿陷沉降变形，建议将堆填的亚层厚度由规范规定的0.8 m～1.2 m减小为0.4 m，相应将最大粒径控制在300 mm左右。

(3)在土石比例约2:8，夯点间距分别为5 m、6 m，夯点的单点击数不低于12击时，6000 kN·m的有效加固深度可以达到8 m；地基承载力特征值可达200 kPa，变形模量平均值超过30 MPa；但夯点间距为6 m时夯间、夯点的密实度差异相对较大，地基均匀性较差。

(4)对于±800 kV昆北换流站，大面积强夯施工时的夯点间距推荐采用夯间夯实效果更好、地基均匀性更好的5 m；兼顾考虑施工效率，顶层以下各层的满夯推荐采用一遍3击，顶层满夯推荐采用两遍5击。