湿陷性黄土地区高填方强夯案例——延安煤油气资源综合利用项目场地形成与地基处理工程

延安煤油气资源综合利用项目场地形成与地基处理工程

陈 学¹   张馨怡¹  水伟厚²

(1.上海申元土工程有限公司,上海200040;2.中化岩土集团股份有限公司, 北京 102600)

摘要:场区位于湿陷性黄土地区, 场地由削峰填谷形成,地形复杂,山大沟深,设计采用多层多工艺高能级强夯法地基处理成套方案, 依据强夯试验成果进行设计方案优化,结合现场施工资料,对施工期沉降及工后沉降实测数据进行总结分析, 形成一套完备的高填方地基处理技术, 为今后湿陷性黄土地区高填方工程的设计,施工、监测及检测提供参考。

关键词:强夯法地基处理成套技术;黄土湿陷性;检测;监测

1  工程概况

陕西延长石油 (集团) 延安煤油气资源综合利用项目场平地基处理工程, 本项目厂址坐落于延安市富县境内,项目建设用地坐落在洛河两岸,由于受地形限制,洛河把工厂分成四大部分:东区, 西区, 南区 (污水处理厂), 北区 (综合行政管理区). 因其他区地势平坦,填方高度小,而西区场地的填方高度大,且场平设计,实验区试验情况、检测、监测等资料情况较为完备,故在本文中主要针对项目西区加以论述说明。

该项目西区地形复杂, 山大沟深, 为典型的 “削峰填谷” 工程. 西区南北向长约1.4km, 东西向宽约0.7km, 西区场地将原有的花旗沟 (东西向), 大塔沟 (南北向) 回填形成厂区,花旗沟沟口位置回填高度达到70m,整个厂区挖填土石方量约3000万m³填料主要为黄土, 采用分层回填＋强夯的方法进行处理。

西区各主要分部分项工程开工,完工时间表见表3.17-1。

西区主要分部分项工程开工, 完工时间表

2  工程、水文地质概况

2.1地形、 地貌及地层情况

拟建场地西区位于段家庄村的扶塔山,花渠山及菜子梁上,地形起伏较大.扶塔山地面高程为890.00~1080.0m,相对高差为190.0m;花渠山地而高程为883.00~1030.0m,相对高差为147.0m;莱子梁地面高程为890.00~1020.0m,相对高差为130.0m. 场地局部地段为 20.0~40.0m 的陡坎, 场地最高点在扶塔山梁顶, 高程约为1080.0m。地貌单元属黄土粱峁。据勘探揭露,场地地层自上而下依次为:耕植土,第四纪全新世坡洪积黄土状土;第四纪晚更新世风积黄土,残积古土壤;第四纪中更世风积黄土,残积古土壤,三叠系下统瓦窑堡组砂岩及砂、页岩互层体,西区场地原始地形地貌、地层情况分別见图3.17-1,图3.17-2。

2.2 水文地质条件

(1)地表水

建设场地内的大塔沟与花渠沟,有季节性流水,枯水期断流,雨期为洪水排泄通道.在场地挖填整平过程中,应注意地表水,特别是季节性暴雨洪水对其的不利影响。

(2)地下水

拟建场地浅部土层中的地下水属暂时性上层滞水,其水位动态变化主要受控于地表水体,大气降水、地面蒸发和滑坡堆积层中的裂隙、隔水层等多种因素的影响,并随气候的变化而变化,此外,拟建场区下伏基岩中还存在基岩裂隙水.地下水在部分地方从基岩面与第四系覆益层接触而或基岩出露的地方以下降泉的形式排泄,设计及施工过程时应考虑地下水对其的不利影响。

3  地基处理设计方案

3.1 设计标准

(1)分层强夯地基土压实系数不小于0.95;

(2)地基承载力特征值不小于200kPa;

(3) 地基处理后的填土地基压缩模量Esl-2不小于 10MPa;

(4) 分层强夯地基处理有效加固深度不小于分层回填土厚度;

(5) 消除原状湿陷性黄土地基的湿陷性。

3.2 场地形成设计方案

(1) 场地原状湿陷性黄土强夯处理方案

根据原状湿陷性黄土层的分布区域及分布厚度,依据现行《建筑地基处理技术规范>,<湿陷性黄土地区建筑规范> 及现场试验结果, 采用不同能级和工艺的强夯法处理黄土地基的湿陷性,满足原状土地基承载力和变形、湿陷性等要求,强夯处理能级为4000~12000kN·m。挖方区土层含水量较高区域,采用强夯置换工艺进行处理,强夯置换能级为2000~12000kN.m。

(2) 填筑体分层回填与地基处理方案

场地各区为厚度不等的深厚填土,最深处为西区70m,根据上述规范和近十年强夯法的发展,为保证填土压实效果和缩短工期,通过工期、质量和经济性比较,根据不同的分层回填厚度,采用不同能级,不同施工工艺的分层强夯方案,回填区域土方回填和强夯分8层进行,第一层为冲沟回填碎石渗层,回填至该层顶后,统一采用8000kN·m高能级强夯一次性加固处理;自895m至952.0m,黄土填土最大厚度为57m,分为七层回填和强夯施工,第二~第四层每层回填厚度为12m,采用12000kN·m高能级强夯处理,第五,六层回填厚度为8m,采用8000kN.m能级强夯处理;第七、八层回填厚度为4.5~6.5m,采用4000kN·m能级强夯处理.西区场地强夯分层示意图见图3.17-3。

(3)冲沟排渗处理方案

为了确保填土的工程性状不受到地下水破坏,并消除地下水对场地稳定性的影响,在进行回填的沟道内布设排水盲沟和渗沟,在填方区底部形成完善的地下排水系统。

冲沟底部采用盲沟形式进行处理,盲沟施工前,首先进行基底清理工作,清除表层软弱覆盖层至基岩面,沿冲沟底部铺设2m厚的卵砾石,粒径要求是5~40cm,中等风化岩石。宜沟保持自然地形排水坡度,纵坡坡度不小于2%.盲沟顶部铺设>300g/m2的渗水土工布。

冲沟沟口处由于洛河水位的影响,其50年一遇洪水水位为891.54m,100年一遇洪水位为893.04m,为保证冲沟回填土不受水位的影响,895m标高以下均采用级配良好的砂碎石回填。

4  强夯试验研究

4.1 试验区施工目标

考虑本工程的特点, 在正式施工以前要求进行强夯试验, 进一步验证方案的可行性、确定施工工艺参数, 强夯试验的目标如下：

(1) 判断各种工艺和能级的强夯地基处理方案在本场地的适宜性;

(2) 评价地基处理的效果, 包括强夯处理范围和有效加固深度, 场地经强夯处理后,地基土的承载力、压缩模量等指标是否满足设计要求;

(3) 校核强夯后场地的平均沉降量或抬升量;

(4) 对不同能级强夯振动影响进行试验测试,.评价强夯振动对周围环境的影响, 确定与周边工程的安全施工最小距离;

(5) 通过试验, 获得土方自然方与压实方之间的最终松散系数实测值;

(6) 进行试验性施工, 预知施工中可能出现的各类问题, 及早提出相应解决措施, 使大面积施工工期,成本和质量处于可控状态。

4.2 试验区施工参数

本场地采用的主要强夯能级为 12000kN.m,8000kN.m,4000kN·m,其加固深度分别为12m,8m,6m,由于西区分为2个标段,在I,II标段分别选取了3个试验区进行了施工前的强夯试验工作,施工参数均相同。但后期经检测发现,在IB试验区填筑体检测结果中, 其轻击压实系数不能达到0.95, 对夯点进行补夯后重新检测, 其土层平均压缩模量和压实系数均有一定的提高,根据施工过程中的情况调整了12000kN.m能级的强夯参数, 并重新选择IA试验区进行了试夯工作。 各强夯能级的设计参数见表3.17-2。

由于12000kN·m在湿陷性黄土地区采用较少,且能级高,较典型,可为后续类似工程提供经验, 下面进行详细说明.

(1)12000kN·m能级试验区土体填筑施工工艺

试验区填筑体处理面积不小于36mX36m (试验区面积最终以实测为准), 填筑体边坡1: 1.5放坡, 夯点距边界安全距离不小于3m. 填料宜选取西区挖方区的土料, 施工方应对填料的来源性状等进行记录及描述。回填厚度为12m,每次摊铺厚度为1m,摊铺完成后进行初步碾压,其压实度不宜小于0.90(采用环刀法测试,每层按每1000m2取3点的密度随机选取), 填筑体强夯试验主能级为12000kN·m。

(2)12000kN·m能级试验区强夯施工工艺

本能级强夯共分5遍进行,第一遍强夯能级为12000kN·m,夯点间距10.Om,正方形布置,收锤标准按最后两击平均沉降量不大于 20cm 控制,且击数不少于20击控制,强夯结束后将夯坑推平;第二遍强夯能级为12000kN·m,夯点间距为10m,为第一遍夯点中间插点, 收锤标准按最后两击平均沉降量不大于 20cm 控制, 且击数不少于20击控制,强夯结束后将夯坑夯坑推平;第三遍强夯能级10000kN.m,在第一、二遍之间插点, 收锤标准按最后两击平均沉降量不大于15cm 控制, 且击数不少于15击, 强夯结束后将夯坑推平; 第四遍强夯能级为 6000kN ·m, 夯点位于第一, 二, 三遍夯点中心, 收锤标准按最后两击平均沉降量不大于10cm 控制,且击数不少于10击,强夯结束后将夯城推平;第五遇为强务能级2000kN·m的满夯,要求夯印1/3搭接,每点夯3击,满夯结東后将夯坑推平,整平场地。

4.3 试验区强夯施工检测

(1)检测目的

地基强夯处理完成后, 在满足相关规范规定的间隔期后, 应对地基处理效果进行检测。

①对原场地滑坡体处理效果的检测

本试夯场地位于西区滑坡体上, 必须先对滑坡体进行强夯处理, 因此对滑坡体的处理效果进行检测,合格后方可进行土体填筑, 并进行填筑体的强夯施工和检测; 如果不合格,需进行补夯直至检测合格为止。 检测内容包括黄土湿陷性, 压实度、 承载力检测等。

②对填方体处理效果的检测

为达到设计要求, 对填筑施工参数进行检查和检测, 包括湿陷性黄土处理的效果, 每层填筑厚度、 含水量控制、 夯实程度等。通过检测确定施工过程中的填土压实度、 承载力、 变形等指标是否达到设计要求,如未达到设计要求需要继续进行夯实处理或晾晒或经加湿处理后继续夯实处理,如达到设计要求可以进行下一层铺设填土和夯实处理。

(2) 检测方法及原理

①浅层平板载荷试验

填筑体表层地基土强夯后的地基承载力检测利用浅层平板载荷试验进行检测。 平板静载荷试验原理是保持强夯后填筑体地基土的天然状态,模拟设计要求的200kPa的荷载条件,通过一定面积(面积1m2)的承压板向地基施加竖向荷载,根据荷载大小与沉降量的关系, 分析判定强夯处理后填筑体地基的承载力特征值。

②静力触探试验

静力触探试验是用静力将探头以一定的速率压人土中, 利用探头内的力传感器, 通过电子量测器将探头受到的贯入阻力记录下来。由于贯入阻力的大小与土层的性质有关, 因此通过贯人阻力的变化情况, 可以达到了解土层工程性质的目的。

按照设计试验方案要求,本项目采用静力触探试验主要用于评价原状地基土及填筑价的深层地基土承载力,因此,采用单桥静力触探试验。 利用静力触探评价地基土的承哉力, 主要靠岩土工程师的工程经验, 地区经验并与载荷试验成果比对, 是一种经验意义上的承载力评价方式。

③探井开挖及室内土工试验

湿陷性黄土地基强夯及分层填土地基强夯处理效果的检测采用开挖探井采取土试样讲行土工试验.室内土工试验提供的参数包括含水量,比重,天然密度,干密度,孔隙比饱和度、 液限、塑限, 压缩系数,压缩模量,湿陷系数, 自重湿陷系数等常规物理力学参数,对处理后的黄土进行湿陷性评价,通过物理力学参数对比,判定强夯处理加固效果。

④填土初步碾压跟踪试验

填土初步碾压压实系数试验采用环刀取样法, 待每层土铺设压实之后, 每层采取环刀试样进行密度试验,测求所铺设的填土的压实系数。

⑤填土击实试验

击实试验是在一定的击实功作用下, 能使填筑土达到最大密度所需的含水量称为最优含水量, 与其对应的干密度称为最大干密度。 主要与土的可塑性及夯实功有关. 拟建厂区位于山区,其土性差异较大,因此,当填料变化时,击实标准必然会发生变化。

⑥重型圆锥动力触探试验

重型圆锥动力触探试验是岩土工程中常规的原位测试方法之一, 它是利用一定质量的落锤(63.5kg),以一定高度的自由落距(76cm)将标准规格的探头(直径74mm,锥角60) 打人土层中, 读取每贯人10cm 的读数N63.5, 根据探头贯人的难易程度评价土层的性质。

(3) 检测成果的分析评价

①压实度

强夯施工完成后,进行探井取样,进行室内土工试验,填筑体夯实后的压实度检测成果见表3.17-3,经检测符合设计要求。

从各个试验区填筑体的静力触探试验和土工试验结果看,夯点和夯间的检测结果并无明显差异,对应的填筑体下部均能被有效加固。值得一提的是,在IB试验区填筑体的检测结果中,其轻击压实系效不能达到0.95,对夯点进行补夯后爪新检测,其土层平均压宿模量和压实系数均有一定提高,根据施工过程中的情况,在IB试验区主分过程中,务坑深度最大达7m之多,之后的低能级满夯并不能有效加固该部分土层。

②静力触探

6处静力触探的试验深度为11.0m,各处的比贯人阻力平均值见表3.17-4。

由上述表中数据可知,各处的比贯人阻力平均值介于10.4~13.3MPa之间。单桥静ヵ触探试验是一种经验意义上的深层地基土承载力评价手段,由于其不直接测定变形指标,因此,若当变形满足要求时,根据在湿陷性黄土地区的经验,本次静力触探试验范围内的地基土承载力特征值均能满足 200kPa 的设计要求。

③静载试验

静载试验用于判定承压板影响范围内浅层地基土的承载力特征值,3处静载试验数据及地基承载力特征值判定结果见表3.17-5。

由表3.17-5中的数据及静载试验曲线分析,浅层地基土的承载力特征值满足设计要求。

结合试验区的检测资料可知, 强夯试验的最终检测结果基本满足了设计要求. 从试夯施工过程来看, 动态设计和信息化施工非常必要。

5  高填方场地沉降计算与分析

5.1 高填方地基变形分析的方法

高填方地基沉降变形包括下部软弱土层的固结沉降和上部非饱和填土的自重压密沉降. 文中施工期沉降是指土方工程填筑期间所发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。

关于高填方地基沉降的理论计算,通常由附加应力引起的土基沉降,可由分层总和法来计算压缩层范围内的总沉降量,用太沙基固结理论来计算不同时间的沉降量。但是对于填筑体的自身瞬时压缩变形和不同时间的压缩变形计算,目前还没有通行的方法。国内对此主要有以下几种方法探索:

①采用改进的分层总和法来分析高填方的沉降, 一般应用于路堤的沉降;

②采用非线性有限元法或其他数值分析方法分析填筑体的变形;

③利用类似高填方工程长期现场监测经验公式进行工程类比分析;

④基于工程实测资料的反分析和预测。

其中,有限元的方法, 由于科学发展水平有限,目前人们对土体固结压缩过程,尤其是对于重塑土的压缩和固结的微观认识仍不充分和完全,基于固结理论建立的本构模型存在着理论基础上无法克服的缺陷。 同时, 有限单元法和其他数值方法都依赖于计算参数的准确性, 这些参数需要借助室内试验获得。由于室内试验参数与现场实际值的差异, 导致理 论方法计算的沉降值往往与实测值出人较大。因此, 工程上, 往往采取经验类比等方法,同时最直接的是基于工程实测资料进行反分析和预测。

结合本项目,高填方地基沉降变形的计算方法主要参考以下几种方法:

(1) 改进的分层总和法

高填方地基沉降仍可采用分层总和法, 但考虑到随着填土的逐渐增加, 填土的压缩指标也在不断变化. 为此,必须对分层总和法做些适当的修正。 应用一般的分层总和法, 将高填方土体分成n层进行计算。考虑到填土过程中填土荷载是逐级施加的,施工到某一层时它所引起的压缩变形是由每层填土荷载作用于其下各层填土所产生变形的总和,涉及分级沉降量叠加的问题. 为了方便计算及符合实际作如下的假定:

①每级填方荷载增量引起的固结过程是单独进行的,和上一级或下一级荷载增量所引起的固结无关;

②每级荷载是一次瞬时施加的.即不考虑每层填土的施工时间,认为是在很短的时间内施加的;

③某一时刻的总沉降量等于该时刻各级荷载作用下的沉降量的叠加。

鉴于此假定就可求解出任意级填土所引起的地基变形,如下式所示:

(2) 长期现场监测经验公式

目前国内外对于类似项目块碎石为主的非饱和粗粒土和巨粒土变形研究较少, 仅有少数的经验公式,如德国和日本的工后沉降估算公株式(式3.17-1),劳斯和列斯特公株式(株式3.17-2), 顾慰兹公式 (式3.17-3),戈戈别里德捷公式 (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为工后沉降(m),H为填方高度(m),E为地基土变形模量,k,n,m为经验系数。

由于式(3.17-1)~式(3.17-4) 中仅考慮了填筑高度这一因素, 而未考虑填料的变形模量和工程加载速率等因素,因而其结果是粗略的,式(3.17-5)的适用性还有待工程实践的进一步验证。另外 , Sower 等对美国 14 座碎石坝的长期沉降进行了研究, 这些坝的高度从50m到100m不等,填料既包括石灰岩,砂岩,也包括花岗岩等.Sower等发现这些碎石坝的沉降量随着时间的推移而变缓,但一直在持续着,沉降和竣工后时间的对数之间有大致的线性关系:

(3)已建高填方机场沉降计算经验

①贵阳龙洞堡机场

贵阳龙洞堡机场为贵州省“八五”重点建设工程,跑道长3200m,道面宽60m(含两侧道肩各7.5m),滑行道长3200m,道面宽38m(含两侧道肩各7.5m)跑滑轴线间距180m.厂区地形条件差,最大削方高度114.67m,最大填方高度54m,挖填土石方量2400万m3.填料为中风化的石灰岩碎石料,其次为呈粉砂、角砾、碎石松散颗粒状强风化白云岩.填筑方式为分层填筑十振动碾压,之后以单击夯击能3000kN·m进行强夯。

由于缺乏施工期沉降观测资料,施工期沉降利用水电部门大坝沉降经验公式顾慰兹公式计算。

②云南大理机场

大理机场位于云南省大理白族自治州境内。跑道长2600m,宽45m,两侧各设1.5m道肩.机场等级为4C。场区地形条件差,道槽最高填方30.3m。填料为挖方区自然级配石渣,夯实的单击夯击能为 2000kN·m。

由于缺乏施工期沉降观测资料,施工期沉降利用水电部门大坝沉降经验公式顾慰兹公式计算.

④公路路基规范估算方法

公路设计手册 <路基>(第二版)中之处:“黄土高路堤自身工后下沉量与填土高度有直接关系,根据铁路、公路的少量观测资料,对压实较好的高路堤,可按填土高度的1%~2%估计”。

我国铁道科学研究院西北研究所和第一设计院对黄土高路堤下沉的观测研究表明当压实系数K>0.85时,路基顶面以下填土核心部位竣工后下沉量约为路堤高度的0.7%~1%,边坡部位的下沉还要大.根据统计分析,竣工后的下沉量可按下株式估算:

5.2 施工期沉降监测实测资料与理论计算的对比分析

针对本项目的特点,在初步设计阶段,填筑体施工期沉降主要采用 Sower 经验公株式和顾慰兹公式来进行分析计算,Sower经验公式中参数a值取0.5进行计算。假定场平工程施工期为2年,采用上述两种方法以及实测数据,针对不同填筑体高度的施工期沉降进行分析,填筑体施工期沉降计算结果见图3.17-6。

   根据顾慰兹公式和实测数据,对不同填筑体高度的沉降计算结果分析可知,填筑体施工期的沉降量随填筑体高度的增加而增大, 符合地基土沉降变形的规律。顾慰兹公式是基于水利水电大坝(面板堆石坝)的经验公式,在填料,地基土性质,施工工艺等方面都与本工程差别较大,因此,类似经验公式的参考价值不大,主要还是依靠实测来了解施工期的地基沉降.而施工期的沉降监测,一般仅作为了解场地形成的过程,不作为工后沉降预测和判定地基稳定的条件。因此, 在此不作进一步的分析和探讨。

   监测单位在施工期间完成的监测成果, 在宏观上反映了施工阶段填筑体处理的效果,施工期累积沉降量指标反映的是施工过程中高填方地基的压缩变形,包含了分层回填过程中各分层土的累积压缩量, 也包含了施工过程中各种工况的影响, 是场平施工情况的综合反映,与工后变形无直接关系, 工后沉降监测数据及沉降速率变化趋势才是设计及预测依据。

5.3 西区高填方场地工后沉降分析

从规范建议, 到类似工程的经验, 高填方场地的工后沉降分析预测都是基于工后一定时间的监测成果基础上进行。

目前,由于工后沉降监测工作的滞后,未获得场平竣工后的沉降监测数据,因此,无法进行基于实测的沉降预测, 应业主的要求, 对西区高填方工后沉降的预测, 只能依靠理论计算和类似工程经验的类比分析, 因此, 分析的结果仅供参考, 不能作为后期工程建设的依据。

下表为不同厚度填筑体采用改进分层总和法、 Sower公株式、贵阳龙洞堡机场、 云南大理机场等沉降经验公式以及吕梁机场沉降拟合公式, 公路路基规范建议及铁科西 北院经验公式计算的结果对比。

上述经验方法中,吕梁机场经验公式是基于工后340天的实测拟合获得的,因此,仅能对工后第一年的沉降量作为参考, 参考Sower 公式工后沉降曲线的特点, 工后第一年沉降约占总沉降量的40%,可以估计总工后沉降量约为工后第一年沉降量的2.5倍,以H=68m为例,预估30年内的工后沉降量约为55cm。

从上述估算方法结果对比可以看出, 不同的经验公式计算结果差异较大, 工后沉降量在17~136cm范围内,相差近一个数量级, 反映出不同项目工后沉降的差异性很显著。因此,不能简单地用已有的模型或经验公式去估算本项目的工后沉降量, 必须采取结合工后沉降实测的,基于工后变形数据,进行回归分析,建立适合本场地特点的预测模型,反演相关的模型参数,进而对工后较长时间的变形作出相对合理的分析和预测,以此作为工后建设的决策和参考依据。

6 结论

(1) 本项目占地面积较大, 处理范围广, 场地地质条件较为复杂,在对地基处理进行多种方案对比分析后,认为强夯施工的方案是适合板工程的最理想方案,节省了大量的工程费用.

(2) 大面积强夯施工采用不同能级、不同夯间距、 不同施工工艺的设计方案准确。 强夯施工后土体密实, 压缩性降低,均匀性有所改善, 承载力提高。

(3) 通过对试验段强夯施工的检测和西区大面积填方区域工后的沉降监测等相关实测数据分析, 原设计所选择的参数恰当, 相关施工工艺控制合理, 强夯的施工效果理想, 均满足原设计的要求.

(4) 高填方工程是一个系统性的工程, 环环相扣, 施工过程中应重视检测监测数据的实时分析, 及时跟进调整优化设计方案, 实施动态化设计和信息化施工, 确保工程进度及质量, 同时节约造价。