基于强夯与强夯置换法的电厂地基处理

郑卫锋，吴尚林，张伟，冯自霞

(1.中国电力科学研究院，北京市，100055;2.华润电力湖北有限公司，湖北省 赤壁市，437300)

0 引言

强夯法是20世纪60年代法国Menard技术公司首创的一种地基加固方法，利用巨锤高落对地基施加强大的冲击能，强制压实地基［1-4］。强夯置换法是在强夯法基础上发展起来的，是通过在夯坑中填料形成硬壳层，坑内填料经过强夯，逐步扩大夯点直径后与周围土体形成复合地基，从而提高地基承载力［5-9］。针对某电厂特殊的回填土(主要为饱和软粘土)地质条件，分别进行了强夯与强夯置换法的设计、施工，通过试验检测得到各自的适用条件，对类似工程具有一定的参考意义。

1 工程地质概况

华润电力湖北蒲圻电厂二期工程计划建设2×1000 MW超超临界机组，配套建设2座冷却塔。其中冷却塔区域属于回填区域，冷却塔的淋水面积超过10000 m2，要求地基承载不小于220 kPa，变形模量不小于12 MPa。

1.1 工程地质条件

工程原始场地属低丘地貌单元，冷却塔区域主要为填方区，途经改造后的干渠，主要由2条冲沟及2座低丘组成，冲沟发育，底部基岩上覆地层在分布上具有不均匀性、不连续性的特点。

冷却塔区域的地层特征及其分布规律自上而下分述如下:

(1)素填土。褐黄、青灰色等，杂色，一般呈松散～稍密状态，混有部分粘性土，粘性土含量10% ～20%。层厚随原始地形的变化而变，约2 m左右，其湿密度19.8 kN/m3，承载力特征值为100 kPa。具有高压缩性、不均匀性等特点，不能作为重要建(构)筑物天然地基持力层和下卧层。

(2)粉质粘土。灰色，灰黄色，灰褐色，上部见植物根须及腐植物，夹少许砂粒，结构不均;很湿，呈软塑状态(局部呈流塑状态)，具有高压缩性、低强度等特点，厚度为6 m左右，处于地形相对较低的冲沟上部。其湿密度为18.0 kN/m3，孔隙比为0.91，压缩系数为 0.48 Mp－1，承载力特征值为 120 kPa。当选用此层作为天然地基持力层和下卧层时，应进行必要的夯实处理。

1.2 水文条件

冷却塔区域地下水有上层滞水、第四系孔隙水和基岩裂隙水。上层滞水主要存在于原始地面标高较低的沟谷地带粘性土以上，贮存于新近堆积的填土层孔隙之内，没有稳定的水位，受地表水及降雨的影响极大;孔隙水广泛分布于松散地层的孔隙之中，厂址区含碎石的粉质粘土层内的水为此类型水。地下水受地表水、降雨及季节性的影响较大，排泄方式主要是渗出地表流向更低洼地带。

2 强夯设计与试验检测

2.1 强夯设计与处理方案

结合以往工程经验，对冷却塔区域选择采用强夯技术加固地基。强夯施工工艺采用多遍夯击，夯击次序为主夯—次夯—插夯—满夯，能级依次减小，每遍夯完后用同类土料回填夯坑并整平。每2遍夯击之间，应有一定的时间间隔，单击夯击能级包括:主夯4000 kN·m、次夯 4000 kN·m、插夯与满夯2000 kN·m。强夯夯点布置按正方形布置，第1、2遍采用跳夯，夯点间距第2遍夯击点间距为10 m;第2遍夯击点位于第1遍夯击点间;第3遍先夯第1、2遍主次夯坑，然后再夯其4个夯点之间的中点;第4遍采用满夯，分2次夯，第1次各夯点紧挨相切，呈正三角形布置，第2次夯点为第1次三角形夯点的中心。

若逢雨季施工时，应采取必要的地面排水措施和塑料薄膜覆盖夯区，同时控制好夯坑回填料及含水量，及时回填夯坑。

2.2 强夯试验检测结果

强夯施工后进行了原位测试和室内土工试验，主要包括平板载荷试验、超重型动力触探和密实度试验，以确定加固处理效果。针对近10000 m2的冷却塔强夯区域，试验检测共进行了3组平板载荷试验、6组超重型动力触探试验、3组密实度试验。

平板载荷试验采用1 m×1 m的方形承压板，最大加载压力为440 kN，加荷等级分8级。根据相关规范的规定［10-11］，取s/d(s为载荷试验承压板的沉降量，d为承压板的宽度)等于0.015所对应的压力作为复合地基承载力特征值，且按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的1/2，试验结果如图1所示。强夯后地基承载力特征值分别为203、182、220 kPa，复合地基承载力平均值为 202 kPa，不满足设计要求。

超重型动力触探试验［12－13］采用 120 kg 重锤，经杆长修正后得到每米贯入指标平均值，共进行了6组试验，试验结果如表1所示，每米锤击数基本一致，均在3击左右，可见强夯技术对地基的加固效果不显著。

图1 平板载荷试验的荷载位移曲线Fig.1 Curves of load versus displacement for plate loading test

表1 超重型动力触探试验结果Tab.1 Results of super-heavy dynamic penetration test

密实度试验过程中，首先选择代表性土体进行了室内击实试验，得到回填土的现场最大干密度为2.16 g/cm3;通过坑探、灌水法与含水率得到强夯土体的现场干密度，最终得到强夯后土体的密实度，共进行3组密实度试验，试验结果如表2所示。密实度平均值在86%左右，不满足压实标准，可见强夯技术加固效果不显著。

综合判定强夯后的冷却塔区域承载力不能满足设计要求，试验检测不合格。

表2 密实度试验结果Tab.2 Results of density test

3 强夯置换设计与试验检测

3.1 取土及含水率试验

针对强夯施工后冷却塔试验检测不合格区域，进行了取土与含水率试验。含水率试验结果如表3所示，其中1组2 m见水、2组2 m见水、3组8 m见水、4组8 m见水、5组6 m见岩、6组8 m见水。试验结果表明:(1)距离地表2 m处含水率偏大(为17.4%)，且部分孔位存在明显的上层滞水，原因在于受到强夯施工过程中暴雨影响，且未按照设计要求进行必要的地面排水措施和塑料薄膜覆盖夯区;(2)离地表7～8 m处存在淤泥质土，且含水率也明显偏高，原因在于此深度为老干渠河底部位，在最初回填时老干渠底部的淤泥质土未及时清理干净，且受到回填期间雨季的影响。

表3 含水率试验结果Tab.3 Results of moisture content test

上述试验结果表明，土体表层范围内存在的上层滞水使得土体含水率明显高于最佳含水率，使得表层土体难以夯实，其平板载荷试验结果难以满足设计要求;同时土体深部范围内存在的饱和淤泥质土，使得底部土体在强夯作用下成为“橡皮土”，此深度范围内的超重型动力触探锤击数也明显偏小。

3.2 强夯置换处理方案

结合现场具体施工条件与施工工期的要求，最终选择采用强夯置换方法对不合格区域重新进行加固处理。首先，开挖基坑形成墩坑，坑深6 m，坑间距5 m，开挖宽度不小于夯锤直径，坑内积水随时抽干抽净，在自然状态下暴晒2天。然后，在坑内填入硬质散体粒料，主要为经爆破后的岩体碎石骨料，只在主夯点填料，满夯点、拍夯点不填料。最后，重新按照强夯设计标准进行施工。

3.3 强夯置换试验检测结果

强夯置换结束后同样进行了3组平板载荷试验、6组超重型动力触探试验、3组密实度试验，试验点位与强夯试验点位基本一致。平板载荷试验的荷载位移曲线如图2所示，超重型动力触探试验的每米贯入指数均值如表4所示，密实度试验结果如表5所示。

根据图2可得，复合地基承载力平均值大于220 kPa。根据表4可得，超重型动力触探锤击数均大于3击，尤其是1～3 m深度范围内显著大于其他深度范围内的锤击数，反映出强夯置换加固效果主要体现在1～3 m深度范围内的土体。根据表5可知，密实度均显著提高。综合判定强夯置换后复合地基的承载力能满足设计要求。

图2 强夯置换后的平板载荷试验曲线Fig.2 Curves of load versus displacement for plate loading test after dynamic replacement

表4 强夯置换后超重型动力触探试验结果Tab.4 Results of super-heavy dynamic penetration test after dynamic replacement

表5 强夯置换后的密实度试验结果Tab.5 Results of density test after dynamic replacement

4 结论

(1)针对饱和软粘土地基，应首先选择强夯置换进行加固处理，且应根据现场具体条件采取必要的排水措施与恰当的置换填料。

(2)强夯法施工前应进行试夯，确定工艺的可行性;施工过程中要密切注意雨季的地面排水措施，施工后要及时回填夯坑。

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