超高能级强夯在风电项目巨厚层回填土地基处理中的应用研究

2020-03-27王健铭中煤平朔工业集团风电项目部山西朔州036006

工程建设与设计 2020年4期

王健铭（中煤平朔工业集团风电项目部，山西朔州036006）

1 引言

强夯法被称为动力固结法或压实法，通常将一定质量的夯锤提升到一定高度，然后自由落体，进而给地基一定的振动和冲击能量，提高土体的密实度，从而提高地基土的强度，降低其压缩性。在高能级强夯的研究中，国内研究学者王建平等人采用原位测试法对8000kN·m 能级的强夯方法进行了填土地基处理效果检测，表明该能级的强夯法可以实现10m 的加固深度[1]。通过近年来的多项研究表明，国内首次碎石土回填地基能达到10 000kN·m 高能级强夯实验，进而为高能级强夯孔压变化以及相应的施工设计参数提供重要的经验借鉴。孙田磊等人通过某碎石土回填工程，采用深层水平位移监测以及相应的数据分析，研究了在检测范围内采用10 000kN·m 能级强夯设计提供重要参考依据。刘天杰等人采用动力触探法、瞬态面波法、平板荷载试验等多种方法分析了18 000kN·m 高能级强夯振动影响距离，为高能级强夯的应用提供了重要的参考经验。但是，由于回填土成分、力学性质相对复杂，而且国内对于高能级强夯施工设计理论和实践经验比较缺乏，还需进一步研究。因此，本研究针对巨厚层回填土工程超高能级强夯地基的处理效果进行深入研究具有较强的实践价值。

2 场地地质概况

某场地为露天煤矿采煤回填区，场区地势平坦，主要由新近人工填土组成，填土成分较为复杂，主要由粉土、粉质黏土等细粒土和碎石、块石等粗粒土组成，粒径变化范围较大。抛填不均匀，横向及竖向差异性均较大。

3 超高能级强夯方案设计

根据设计要求，强夯处理面积为1962.5m2，强夯地基处理均采用点夯+满夯施工工艺，同时，采用不同能级进行强夯，最大强夯能级达20 000kN·m，主要目的是对回填土进行加固，满足设计要求地基土有效加固深度，降低地基土的孔隙比，提高地基土的承载力，密实度，增大压缩模量，降低其压缩性，消除有效加固深度土的欠固结性，提高地基土的均匀性，夯点布置如图1 所示。最后，以能级2000kN·m 满夯，采用轻锤多次夯击，满夯夯印会搭接在1/4 垂径，且满夯基数高于3 击，满夯夯点布置如图2 所示。

图1 20 000kN·m点夯夯点大样图

图2 满夯夯点大样图（1∶200）

4 强夯的检测

针对超高能级强夯区域地层岩性特点，拟采用平板载荷试验，重型动力触探，标准贯入及室内土工试验等方法对超高能级强夯加固效果进行检测，以验证超高能级强夯施工的实际加固效果。

强夯区域共布置6 个检测钻孔，在每个钻孔中根据土的性质进行标准贯入试验和重型动力触探试验，同时，在钻孔中取代表性土样进行室内土工试验。通过对强夯前后重型动力触探试验和标准贯入试验的对比分析，检测超高能级强夯法加固效果。通过研究发现，强夯前标贯击数为5～11 击，经过强夯之后标贯击数显著提高约2～3 倍，强夯之前重型动力大多处于10 击/10cm，而经过强夯之后重型动力触探的击数能提升约2～3 倍以上，同时，土体的均匀性得到了一定的提高。

通过超高能级强夯前后土工实验数据对比发现，经过强夯之后压缩模量、内摩擦角等有显著提升，在强夯影响深度范围内，压实度从强夯前的53%～70%提高到强夯后的110%～130%，满足相应的规范要求。依据国家建筑地基基础设计规范有关要求进行平板载荷试验，经过强夯之后，承载力特征值≥320MPa，变形模量≥12MPa，符合设计要求。

5 强夯效果分析

从地表变形测量上来看，在强夯第一和第二次时，选取一个夯点完成地表变形测量，第1 次夯击数高于20 击后，夯坑深度为5m，地表下沉数值为200mm，说明未能完全饱和夯击能。在第2 次夯击过程中，地表稍微隆起，夯击数高于20 击时可满足深度高于5m 的要求，说明此时能够接近饱和夯击能。第3 次夯坑存在一定坍塌，无法进行地表变形监测，说明在夯击过程中夯坑深度为4m，相比第1 次，第2 次夯击时有显著改变，说明此时夯击能达到饱和状态。钻孔取样和土工分析于满夯两周之后在试验区域内进行，设置1 个夯点和3 个夯间，能够从夯后地面开始达到16m 的钻探深度，对场地土湿陷性进行评价，经过强夯后，对16m 深度的场地土，在200kPa、300kPa、600kPa 的压力下，相对应的湿陷系数低于0.015，表明完全消除了土层的湿陷性。对场地土干密度评价过程中，将夯点、夯间之间的干密度在16m 范围内与夯击之前数据进行比较，结果发现，夯点干密度高于1.58g/cm3，其深度为11m，相对应地下深度为16m；当夯击影响深度为9m 时，其对应的原地面为14m，夯点和夯间均值为11m，相比原地面为16m，结合二者的对比分析可知，加固深度达到16m 时，强夯能够从一定程度上增强加固深度，进而影响深度评价。

从上述几点发现，在本次研究中当强夯影响深度达到16m 时，夯后场地土在16m 范围内从孔隙比，干密度，湿陷系数等多个参数来看相比夯击之前，本次强夯影响深度可达到16m，从场地土渗透性分析，上述所选土样在渗透实验中，水平和垂直渗透系数均属于10-7～10-5cm/s 级别，具有较小的渗透性，说明强夯无论在垂直或水平方向可形成良好隔水层，能够有效解决工程渗漏问题。对于场区周边产生的裂缝，由于受到强夯因素的影响，在试验区东、西2 个层面产生试验区边沿方向纵向裂纹，为进一步探明裂纹的走向以及形成深度，可以向裂缝灌注中石灰水，进行再次开展挖掘，所有结果发现所有的裂缝呈现沿试验区域的南北边缘发展，且存在不连续的间断，上宽下窄，宽幅度达10mm，深度达2.67m，产生这一裂缝主要是由于随着强夯之后夯坑的深度加深，坑侧土体出现临空，在强夯的条件下坑侧土体向坑内倾斜，土体承受主动土压力形成滑动开裂，这种裂纹深度相对较浅，经过满夯处理之后可消除且不会影响土体的稳定性，安全性[2]。