濕陷性黃土地區高填方強夯案例——延安煤油氣資源綜合利用項目場地形成與地基處理工程

延安煤油氣資源綜合利用項目場地形成與地基處理工程

陳 學1   張馨怡1  水偉厚2

(1.上海申元土工程有限公司,上海200040;2.中化巖土集團股份有限公司, 北京 102600)

摘要:場區位于濕陷性黃土地區, 場地由削峰填谷形成,地形復雜,山大溝深,設計采用多層多工藝高能級強夯法地基處理成套方案, 依據強夯試驗成果進行設計方案優化,結合現場施工資料,對施工期沉降及工后沉降實測數據進行總結分析, 形成一套完備的高填方地基處理技術, 為今后濕陷性黃土地區高填方工程的設計,施工、監測及檢測提供參考。

關鍵詞:強夯法地基處理成套技術;黃土濕陷性;檢測;監測

1  工程概況

陜西延長石油 (集團) 延安煤油氣資源綜合利用項目場平地基處理工程, 本項目廠址坐落于延安市富縣境內,項目建設用地坐落在洛河兩岸,由于受地形限制,洛河把工廠分成四大部分:東區, 西區, 南區 (污水處理廠), 北區 (綜合行政管理區). 因其他區地勢平坦,填方高度小,而西區場地的填方高度大,且場平設計,實驗區試驗情況、檢測、監測等資料情況較為完備,故在本文中主要針對項目西區加以論述說明。

該項目西區地形復雜, 山大溝深, 為典型的 “削峰填谷” 工程. 西區南北向長約1.4km, 東西向寬約0.7km, 西區場地將原有的花旗溝 (東西向), 大塔溝 (南北向) 回填形成廠區,花旗溝溝口位置回填高度達到70m,整個廠區挖填土石方量約3000萬m3填料主要為黃土, 采用分層回填＋強夯的方法進行處理。

西區各主要分部分項工程開工,完工時間表見表3.17-1。

西區主要分部分項工程開工, 完工時間表

2  工程、水文地質概況

2.1地形、 地貌及地層情況

擬建場地西區位于段家莊村的扶塔山,花渠山及菜子梁上,地形起伏較大.扶塔山地面高程為890.00~1080.0m,相對高差為190.0m;花渠山地而高程為883.00~1030.0m,相對高差為147.0m;萊子梁地面高程為890.00~1020.0m,相對高差為130.0m. 場地局部地段為 20.0~40.0m 的陡坎, 場地最高點在扶塔山梁頂, 高程約為1080.0m。地貌單元屬黃土粱峁。據勘探揭露,場地地層自上而下依次為:耕植土,第四紀全新世坡洪積黃土狀土;第四紀晚更新世風積黃土,殘積古土壤;第四紀中更世風積黃土,殘積古土壤,三疊系下統瓦窯堡組砂巖及砂、頁巖互層體,西區場地原始地形地貌、地層情況分別見圖3.17-1,圖3.17-2。

2.2 水文地質條件

(1)地表水

建設場地內的大塔溝與花渠溝,有季節性流水,枯水期斷流,雨期為洪水排泄通道.在場地挖填整平過程中,應注意地表水,特別是季節性暴雨洪水對其的不利影響。

(2)地下水

擬建場地淺部土層中的地下水屬暫時性上層滯水,其水位動態變化主要受控于地表水體,大氣降水、地面蒸發和滑坡堆積層中的裂隙、隔水層等多種因素的影響,并隨氣候的變化而變化,此外,擬建場區下伏基巖中還存在基巖裂隙水.地下水在部分地方從基巖面與第四系覆益層接觸而或基巖出露的地方以下降泉的形式排泄,設計及施工過程時應考慮地下水對其的不利影響。

3  地基處理設計方案

3.1 設計標準

(1)分層強夯地基土壓實系數不小于0.95;

(2)地基承載力特征值不小于200kPa;

(3) 地基處理后的填土地基壓縮模量Esl-2不小于 10MPa;

(4) 分層強夯地基處理有效加固深度不小于分層回填土厚度;

(5) 消除原狀濕陷性黃土地基的濕陷性。

3.2 場地形成設計方案

(1) 場地原狀濕陷性黃土強夯處理方案

根據原狀濕陷性黃土層的分布區域及分布厚度,依據現行《建筑地基處理技術規范>,<濕陷性黃土地區建筑規范> 及現場試驗結果, 采用不同能級和工藝的強夯法處理黃土地基的濕陷性,滿足原狀土地基承載力和變形、濕陷性等要求,強夯處理能級為4000~12000kN·m。挖方區土層含水量較高區域,采用強夯置換工藝進行處理,強夯置換能級為2000~12000kN.m。

(2) 填筑體分層回填與地基處理方案

場地各區為厚度不等的深厚填土,最深處為西區70m,根據上述規范和近十年強夯法的發展,為保證填土壓實效果和縮短工期,通過工期、質量和經濟性比較,根據不同的分層回填厚度,采用不同能級,不同施工工藝的分層強夯方案,回填區域土方回填和強夯分8層進行,第一層為沖溝回填碎石滲層,回填至該層頂后,統一采用8000kN·m高能級強夯一次性加固處理;自895m至952.0m,黃土填土最大厚度為57m,分為七層回填和強夯施工,第二~第四層每層回填厚度為12m,采用12000kN·m高能級強夯處理,第五,六層回填厚度為8m,采用8000kN.m能級強夯處理;第七、八層回填厚度為4.5~6.5m,采用4000kN·m能級強夯處理.西區場地強夯分層示意圖見圖3.17-3。

(3)沖溝排滲處理方案

為了確保填土的工程性狀不受到地下水破壞,并消除地下水對場地穩定性的影響,在進行回填的溝道內布設排水盲溝和滲溝,在填方區底部形成完善的地下排水系統。

沖溝底部采用盲溝形式進行處理,盲溝施工前,首先進行基底清理工作,清除表層軟弱覆蓋層至基巖面,沿沖溝底部鋪設2m厚的卵礫石,粒徑要求是5~40cm,中等風化巖石。宜溝保持自然地形排水坡度,縱坡坡度不小于2%.盲溝頂部鋪設>300g/m2的滲水土工布。

沖溝溝口處由于洛河水位的影響,其50年一遇洪水水位為891.54m,100年一遇洪水位為893.04m,為保證沖溝回填土不受水位的影響,895m標高以下均采用級配良好的砂碎石回填。

4  強夯試驗研究

4.1 試驗區施工目標

考慮本工程的特點, 在正式施工以前要求進行強夯試驗, 進一步驗證方案的可行性、確定施工工藝參數, 強夯試驗的目標如下：

(1) 判斷各種工藝和能級的強夯地基處理方案在本場地的適宜性;

(2) 評價地基處理的效果, 包括強夯處理范圍和有效加固深度, 場地經強夯處理后,地基土的承載力、壓縮模量等指標是否滿足設計要求;

(3) 校核強夯后場地的平均沉降量或抬升量;

(4) 對不同能級強夯振動影響進行試驗測試,.評價強夯振動對周圍環境的影響, 確定與周邊工程的安全施工最小距離;

(5) 通過試驗, 獲得土方自然方與壓實方之間的最終松散系數實測值;

(6) 進行試驗性施工, 預知施工中可能出現的各類問題, 及早提出相應解決措施, 使大面積施工工期,成本和質量處于可控狀態。

4.2 試驗區施工參數

本場地采用的主要強夯能級為 12000kN.m,8000kN.m,4000kN·m,其加固深度分別為12m,8m,6m,由于西區分為2個標段,在I,II標段分別選取了3個試驗區進行了施工前的強夯試驗工作,施工參數均相同。但后期經檢測發現,在IB試驗區填筑體檢測結果中, 其輕擊壓實系數不能達到0.95, 對夯點進行補夯后重新檢測, 其土層平均壓縮模量和壓實系數均有一定的提高,根據施工過程中的情況調整了12000kN.m能級的強夯參數, 并重新選擇IA試驗區進行了試夯工作。 各強夯能級的設計參數見表3.17-2。

由于12000kN·m在濕陷性黃土地區采用較少,且能級高,較典型,可為后續類似工程提供經驗, 下面進行詳細說明.

(1)12000kN·m能級試驗區土體填筑施工工藝

試驗區填筑體處理面積不小于36mX36m (試驗區面積最終以實測為準), 填筑體邊坡1: 1.5放坡, 夯點距邊界安全距離不小于3m. 填料宜選取西區挖方區的土料, 施工方應對填料的來源性狀等進行記錄及描述。回填厚度為12m,每次攤鋪厚度為1m,攤鋪完成后進行初步碾壓,其壓實度不宜小于0.90(采用環刀法測試,每層按每1000m2取3點的密度隨機選取), 填筑體強夯試驗主能級為12000kN·m。

(2)12000kN·m能級試驗區強夯施工工藝

本能級強夯共分5遍進行,第一遍強夯能級為12000kN·m,夯點間距10.Om,正方形布置,收錘標準按最后兩擊平均沉降量不大于 20cm 控制,且擊數不少于20擊控制,強夯結束后將夯坑推平;第二遍強夯能級為12000kN·m,夯點間距為10m,為第一遍夯點中間插點, 收錘標準按最后兩擊平均沉降量不大于 20cm 控制, 且擊數不少于20擊控制,強夯結束后將夯坑夯坑推平;第三遍強夯能級10000kN.m,在第一、二遍之間插點, 收錘標準按最后兩擊平均沉降量不大于15cm 控制, 且擊數不少于15擊, 強夯結束后將夯坑推平; 第四遍強夯能級為 6000kN ·m, 夯點位于第一, 二, 三遍夯點中心, 收錘標準按最后兩擊平均沉降量不大于10cm 控制,且擊數不少于10擊,強夯結束后將夯城推平;第五遇為強務能級2000kN·m的滿夯,要求夯印1/3搭接,每點夯3擊,滿夯結東后將夯坑推平,整平場地。

4.3 試驗區強夯施工檢測

(1)檢測目的

地基強夯處理完成后, 在滿足相關規范規定的間隔期后, 應對地基處理效果進行檢測。

①對原場地滑坡體處理效果的檢測

本試夯場地位于西區滑坡體上, 必須先對滑坡體進行強夯處理, 因此對滑坡體的處理效果進行檢測,合格后方可進行土體填筑, 并進行填筑體的強夯施工和檢測; 如果不合格,需進行補夯直至檢測合格為止。 檢測內容包括黃土濕陷性, 壓實度、 承載力檢測等。

②對填方體處理效果的檢測

為達到設計要求, 對填筑施工參數進行檢查和檢測, 包括濕陷性黃土處理的效果, 每層填筑厚度、 含水量控制、 夯實程度等。通過檢測確定施工過程中的填土壓實度、 承載力、 變形等指標是否達到設計要求,如未達到設計要求需要繼續進行夯實處理或晾曬或經加濕處理后繼續夯實處理,如達到設計要求可以進行下一層鋪設填土和夯實處理。

(2) 檢測方法及原理

①淺層平板載荷試驗

填筑體表層地基土強夯后的地基承載力檢測利用淺層平板載荷試驗進行檢測。 平板靜載荷試驗原理是保持強夯后填筑體地基土的天然狀態,模擬設計要求的200kPa的荷載條件,通過一定面積(面積1m2)的承壓板向地基施加豎向荷載,根據荷載大小與沉降量的關系, 分析判定強夯處理后填筑體地基的承載力特征值。

②靜力觸探試驗

靜力觸探試驗是用靜力將探頭以一定的速率壓人土中, 利用探頭內的力傳感器, 通過電子量測器將探頭受到的貫入阻力記錄下來。由于貫入阻力的大小與土層的性質有關, 因此通過貫人阻力的變化情況, 可以達到了解土層工程性質的目的。

按照設計試驗方案要求,本項目采用靜力觸探試驗主要用于評價原狀地基土及填筑價的深層地基土承載力,因此,采用單橋靜力觸探試驗。 利用靜力觸探評價地基土的承哉力, 主要靠巖土工程師的工程經驗, 地區經驗并與載荷試驗成果比對, 是一種經驗意義上的承載力評價方式。

③探井開挖及室內土工試驗

濕陷性黃土地基強夯及分層填土地基強夯處理效果的檢測采用開挖探井采取土試樣講行土工試驗.室內土工試驗提供的參數包括含水量,比重,天然密度,干密度,孔隙比飽和度、 液限、塑限, 壓縮系數,壓縮模量,濕陷系數, 自重濕陷系數等常規物理力學參數,對處理后的黃土進行濕陷性評價,通過物理力學參數對比,判定強夯處理加固效果。

④填土初步碾壓跟蹤試驗

填土初步碾壓壓實系數試驗采用環刀取樣法, 待每層土鋪設壓實之后, 每層采取環刀試樣進行密度試驗,測求所鋪設的填土的壓實系數。

⑤填土擊實試驗

擊實試驗是在一定的擊實功作用下, 能使填筑土達到最大密度所需的含水量稱為最優含水量, 與其對應的干密度稱為最大干密度。 主要與土的可塑性及夯實功有關. 擬建廠區位于山區,其土性差異較大,因此,當填料變化時,擊實標準必然會發生變化。

⑥重型圓錐動力觸探試驗

重型圓錐動力觸探試驗是巖土工程中常規的原位測試方法之一, 它是利用一定質量的落錘(63.5kg),以一定高度的自由落距(76cm)將標準規格的探頭(直徑74mm,錐角60) 打人土層中, 讀取每貫人10cm 的讀數N63.5, 根據探頭貫人的難易程度評價土層的性質。

(3) 檢測成果的分析評價

①壓實度

強夯施工完成后,進行探井取樣,進行室內土工試驗,填筑體夯實后的壓實度檢測成果見表3.17-3,經檢測符合設計要求。

從各個試驗區填筑體的靜力觸探試驗和土工試驗結果看,夯點和夯間的檢測結果并無明顯差異,對應的填筑體下部均能被有效加固。值得一提的是,在IB試驗區填筑體的檢測結果中,其輕擊壓實系效不能達到0.95,對夯點進行補夯后爪新檢測,其土層平均壓宿模量和壓實系數均有一定提高,根據施工過程中的情況,在IB試驗區主分過程中,務坑深度最大達7m之多,之后的低能級滿夯并不能有效加固該部分土層。

②靜力觸探

6處靜力觸探的試驗深度為11.0m,各處的比貫人阻力平均值見表3.17-4。

由上述表中數據可知,各處的比貫人阻力平均值介于10.4~13.3MPa之間。單橋靜ヵ觸探試驗是一種經驗意義上的深層地基土承載力評價手段,由于其不直接測定變形指標,因此,若當變形滿足要求時,根據在濕陷性黃土地區的經驗,本次靜力觸探試驗范圍內的地基土承載力特征值均能滿足 200kPa 的設計要求。

③靜載試驗

靜載試驗用于判定承壓板影響范圍內淺層地基土的承載力特征值,3處靜載試驗數據及地基承載力特征值判定結果見表3.17-5。

由表3.17-5中的數據及靜載試驗曲線分析,淺層地基土的承載力特征值滿足設計要求。

結合試驗區的檢測資料可知, 強夯試驗的最終檢測結果基本滿足了設計要求. 從試夯施工過程來看, 動態設計和信息化施工非常必要。

5  高填方場地沉降計算與分析

5.1 高填方地基變形分析的方法

高填方地基沉降變形包括下部軟弱土層的固結沉降和上部非飽和填土的自重壓密沉降. 文中施工期沉降是指土方工程填筑期間所發生的高填方地基沉降, 工后沉降是指土方工程完工之后的高填方地基沉降。

關于高填方地基沉降的理論計算,通常由附加應力引起的土基沉降,可由分層總和法來計算壓縮層范圍內的總沉降量,用太沙基固結理論來計算不同時間的沉降量。但是對于填筑體的自身瞬時壓縮變形和不同時間的壓縮變形計算,目前還沒有通行的方法。國內對此主要有以下幾種方法探索:

①采用改進的分層總和法來分析高填方的沉降, 一般應用于路堤的沉降;

②采用非線性有限元法或其他數值分析方法分析填筑體的變形;

③利用類似高填方工程長期現場監測經驗公式進行工程類比分析;

④基于工程實測資料的反分析和預測。

其中,有限元的方法, 由于科學發展水平有限,目前人們對土體固結壓縮過程,尤其是對于重塑土的壓縮和固結的微觀認識仍不充分和完全,基于固結理論建立的本構模型存在著理論基礎上無法克服的缺陷。 同時, 有限單元法和其他數值方法都依賴于計算參數的準確性, 這些參數需要借助室內試驗獲得。由于室內試驗參數與現場實際值的差異, 導致理 論方法計算的沉降值往往與實測值出人較大。因此, 工程上, 往往采取經驗類比等方法,同時最直接的是基于工程實測資料進行反分析和預測。

結合本項目,高填方地基沉降變形的計算方法主要參考以下幾種方法:

(1) 改進的分層總和法

高填方地基沉降仍可采用分層總和法, 但考慮到隨著填土的逐漸增加, 填土的壓縮指標也在不斷變化. 為此,必須對分層總和法做些適當的修正。 應用一般的分層總和法, 將高填方土體分成n層進行計算。考慮到填土過程中填土荷載是逐級施加的,施工到某一層時它所引起的壓縮變形是由每層填土荷載作用于其下各層填土所產生變形的總和,涉及分級沉降量疊加的問題. 為了方便計算及符合實際作如下的假定:

①每級填方荷載增量引起的固結過程是單獨進行的,和上一級或下一級荷載增量所引起的固結無關;

②每級荷載是一次瞬時施加的.即不考慮每層填土的施工時間,認為是在很短的時間內施加的;

③某一時刻的總沉降量等于該時刻各級荷載作用下的沉降量的疊加。

鑒于此假定就可求解出任意級填土所引起的地基變形,如下式所示:

(2) 長期現場監測經驗公式

目前國內外對于類似項目塊碎石為主的非飽和粗粒土和巨粒土變形研究較少, 僅有少數的經驗公式,如德國和日本的工后沉降估算公株式(式3.17-1),勞斯和列斯特公株式(株式3.17-2), 顧慰茲公式 (式3.17-3),戈戈別里德捷公式 (式 3.17-4), 高填方地基工后沉降估算公株式(株式3.17-5).其中s為工后沉降(m),H為填方高度(m),E為地基土變形模量,k,n,m為經驗系數。

由于式(3.17-1)~式(3.17-4) 中僅考慮了填筑高度這一因素, 而未考慮填料的變形模量和工程加載速率等因素,因而其結果是粗略的,式(3.17-5)的適用性還有待工程實踐的進一步驗證。另外 , Sower 等對美國 14 座碎石壩的長期沉降進行了研究, 這些壩的高度從50m到100m不等,填料既包括石灰巖,砂巖,也包括花崗巖等.Sower等發現這些碎石壩的沉降量隨著時間的推移而變緩,但一直在持續著,沉降和竣工后時間的對數之間有大致的線性關系:

(3)已建高填方機場沉降計算經驗

①貴陽龍洞堡機場

貴陽龍洞堡機場為貴州省“八五”重點建設工程,跑道長3200m,道面寬60m(含兩側道肩各7.5m),滑行道長3200m,道面寬38m(含兩側道肩各7.5m)跑滑軸線間距180m.廠區地形條件差,最大削方高度114.67m,最大填方高度54m,挖填土石方量2400萬m3.填料為中風化的石灰巖碎石料,其次為呈粉砂、角礫、碎石松散顆粒狀強風化白云巖.填筑方式為分層填筑十振動碾壓,之后以單擊夯擊能3000kN·m進行強夯。

由于缺乏施工期沉降觀測資料,施工期沉降利用水電部門大壩沉降經驗公式顧慰茲公式計算。

②云南大理機場

大理機場位于云南省大理白族自治州境內。跑道長2600m,寬45m,兩側各設1.5m道肩.機場等級為4C。場區地形條件差,道槽最高填方30.3m。填料為挖方區自然級配石渣,夯實的單擊夯擊能為 2000kN·m。

由于缺乏施工期沉降觀測資料,施工期沉降利用水電部門大壩沉降經驗公式顧慰茲公式計算.

④公路路基規范估算方法

公路設計手冊 <路基>(第二版)中之處:“黃土高路堤自身工后下沉量與填土高度有直接關系,根據鐵路、公路的少量觀測資料,對壓實較好的高路堤,可按填土高度的1%~2%估計”。

我國鐵道科學研究院西北研究所和第一設計院對黃土高路堤下沉的觀測研究表明當壓實系數K>0.85時,路基頂面以下填土核心部位竣工后下沉量約為路堤高度的0.7%~1%,邊坡部位的下沉還要大.根據統計分析,竣工后的下沉量可按下株式估算:

5.2 施工期沉降監測實測資料與理論計算的對比分析

針對本項目的特點,在初步設計階段,填筑體施工期沉降主要采用 Sower 經驗公株式和顧慰茲公式來進行分析計算,Sower經驗公式中參數a值取0.5進行計算。假定場平工程施工期為2年,采用上述兩種方法以及實測數據,針對不同填筑體高度的施工期沉降進行分析,填筑體施工期沉降計算結果見圖3.17-6。

   根據顧慰茲公式和實測數據,對不同填筑體高度的沉降計算結果分析可知,填筑體施工期的沉降量隨填筑體高度的增加而增大, 符合地基土沉降變形的規律。顧慰茲公式是基于水利水電大壩(面板堆石壩)的經驗公式,在填料,地基土性質,施工工藝等方面都與本工程差別較大,因此,類似經驗公式的參考價值不大,主要還是依靠實測來了解施工期的地基沉降.而施工期的沉降監測,一般僅作為了解場地形成的過程,不作為工后沉降預測和判定地基穩定的條件。因此, 在此不作進一步的分析和探討。

   監測單位在施工期間完成的監測成果, 在宏觀上反映了施工階段填筑體處理的效果,施工期累積沉降量指標反映的是施工過程中高填方地基的壓縮變形,包含了分層回填過程中各分層土的累積壓縮量, 也包含了施工過程中各種工況的影響, 是場平施工情況的綜合反映,與工后變形無直接關系, 工后沉降監測數據及沉降速率變化趨勢才是設計及預測依據。

5.3 西區高填方場地工后沉降分析

從規范建議, 到類似工程的經驗, 高填方場地的工后沉降分析預測都是基于工后一定時間的監測成果基礎上進行。

目前,由于工后沉降監測工作的滯后,未獲得場平竣工后的沉降監測數據,因此,無法進行基于實測的沉降預測, 應業主的要求, 對西區高填方工后沉降的預測, 只能依靠理論計算和類似工程經驗的類比分析, 因此, 分析的結果僅供參考, 不能作為后期工程建設的依據。

下表為不同厚度填筑體采用改進分層總和法、 Sower公株式、貴陽龍洞堡機場、 云南大理機場等沉降經驗公式以及呂梁機場沉降擬合公式, 公路路基規范建議及鐵科西 北院經驗公式計算的結果對比。

上述經驗方法中,呂梁機場經驗公式是基于工后340天的實測擬合獲得的,因此,僅能對工后第一年的沉降量作為參考, 參考Sower 公式工后沉降曲線的特點, 工后第一年沉降約占總沉降量的40%,可以估計總工后沉降量約為工后第一年沉降量的2.5倍,以H=68m為例,預估30年內的工后沉降量約為55cm。

從上述估算方法結果對比可以看出, 不同的經驗公式計算結果差異較大, 工后沉降量在17~136cm范圍內,相差近一個數量級, 反映出不同項目工后沉降的差異性很顯著。因此,不能簡單地用已有的模型或經驗公式去估算本項目的工后沉降量, 必須采取結合工后沉降實測的,基于工后變形數據,進行回歸分析,建立適合本場地特點的預測模型,反演相關的模型參數,進而對工后較長時間的變形作出相對合理的分析和預測,以此作為工后建設的決策和參考依據。

6 結論

(1) 本項目占地面積較大, 處理范圍廣, 場地地質條件較為復雜,在對地基處理進行多種方案對比分析后,認為強夯施工的方案是適合板工程的最理想方案,節省了大量的工程費用.

(2) 大面積強夯施工采用不同能級、不同夯間距、 不同施工工藝的設計方案準確。 強夯施工后土體密實, 壓縮性降低,均勻性有所改善, 承載力提高。

(3) 通過對試驗段強夯施工的檢測和西區大面積填方區域工后的沉降監測等相關實測數據分析, 原設計所選擇的參數恰當, 相關施工工藝控制合理, 強夯的施工效果理想, 均滿足原設計的要求.

(4) 高填方工程是一個系統性的工程, 環環相扣, 施工過程中應重視檢測監測數據的實時分析, 及時跟進調整優化設計方案, 實施動態化設計和信息化施工, 確保工程進度及質量, 同時節約造價。