嚴寒地區(qū)大面積深厚回填土地基處理關(guān)鍵技術(shù)

高 闊

（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

0 引言

近年來隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)政策的落實，特別是我國北方地區(qū)，由于其良好的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)，大量現(xiàn)代農(nóng)業(yè)配套廠房開始建設(shè)。與此同時，我國出臺法律限制了農(nóng)業(yè)耕地占用，可直接用作建筑基礎(chǔ)的建設(shè)用地越來越少，通常需要對地基進行處理。回填土加固是地基處理最常見的形式，而碾壓和強夯是回填土加固普遍采用的方法，由于我國北方地區(qū)冬季氣溫低且持續(xù)時間長，氣候溫度對碾壓和強夯處理回填土處理質(zhì)量影響大，措施不當容易導(dǎo)致加固地基承載力不足、不均勻沉降等問題，影響建筑物正常使用功能和結(jié)構(gòu)安全性［1］。本文基于工程實例，開展了嚴寒地區(qū)回填土地基處理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究，通過采取一系列針對性措施，解決了嚴寒地區(qū)回填土施工質(zhì)量、施工效率等問題，以期為類似工程實施提供參考。

1 工程概況

1.1 項目基本概況

東豐縣鄉(xiāng)村振興食用菌三產(chǎn)融合示范園區(qū) EPC 項目（見圖1），占地面積約 20 萬 m2，總建筑面積約14.5 萬 m2，包括標準化生產(chǎn)廠房、冷鏈倉儲中心、發(fā)酵槽及配套設(shè)施等。場地南側(cè)為拉拉河，建筑紅線距河道最近距離 20 m，東西兩側(cè)緊鄰廠區(qū)及村民住宅。場地現(xiàn)狀標高低于設(shè)計值，使用粉質(zhì)黏土整體回填，回填高度 2.0～5.5 m，總回填土方量約 74 萬 m3。回填土作為建筑地面和設(shè)備基礎(chǔ)的主要持力層，對沉降和不均勻沉降要求高，設(shè)計采用強夯法保證其變形和承載力滿足使用要求，結(jié)構(gòu)柱下獨立基礎(chǔ)采用 HPC 管樁。

圖1 項目鳥瞰圖

1.2 區(qū)域氣候條件

東豐縣年平均氣溫為 5.1 ℃，1 月份平均氣溫為零下 16.4 ℃，極端最低氣溫為零下 38.4 ℃。年平均降水量 701 mm，5～9 月平均降水量 571.1 mm，占全年降水量的 72 %。冬期平均凍土深度 1.6 m，每年表層凍土在 11 月份，深層凍土在 1 月份，表層融化在 3 月末，深層融化在 5 月初，凍融周期較長。

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

原場地標高總體北高南低，勘探深度范圍的地基土按地層巖性及其物理力學(xué)數(shù)據(jù)指標，劃分為 5 個大層。按照自上而下的順序分別為：素填土、粉質(zhì)黏土、粗砂（松散）、粗砂（密實）、強風(fēng)化凝灰?guī)r。

場地地下水類型為潛水，潛水天然動態(tài)類型屬滲入～蒸發(fā)、徑流型，主要接受大氣降水入滲、地下水側(cè)向徑流及河流補給等方式補給，以蒸發(fā)及地下水側(cè)向徑流為主要排泄方式。在一個水文年中，一般 6～9 月份（汛期）受集中降水影響，地下水水位較高，其它月份水位較低，實測到的地下水初見水位 1.60～7.80 m。

2 土方回填施工

項目需回填土方量近 70 萬 m3，周邊符合回填要求的土源緊張，回填時經(jīng)歷了雨季和冬季，對回填作業(yè)影響較大，結(jié)合當?shù)毓こ探?jīng)驗，針對冬期施工采取了針對性措施，以保證回填施工質(zhì)量。

2.1 基本要求

2.1.1 回填土質(zhì)要求

填土土質(zhì)是影響回填質(zhì)量的決定性因素。正式回填前對擬回填土料取樣試驗，測定其最大干密度和最優(yōu)含水量，作為現(xiàn)場控制回填土質(zhì)量的依據(jù)。試驗測得的干密度與含水量關(guān)系曲線如圖2 所示。試樣最大干密度為 1.73 g/cm3，最優(yōu)含水率為 17.8 %。

圖2 土干密度與含水率關(guān)系曲線

回填過程專人負責(zé)進場土質(zhì)檢查，不得選用淤泥、淤泥質(zhì)土、有機質(zhì)＞8 % 的土，同時填土中不得含有雜草、樹根等雜物，對于凍土、膨脹性土嚴禁用于回填。嚴格控制土體的含水率，含水率以接近最佳含水量為宜，以獲得最佳的壓實效果。

2.1.2 回填場地基底處理

建設(shè)場地內(nèi)雜草叢生，局部存在水塘，土方回填前對場地基礎(chǔ)采用推土機平整，表層土及植被清理外運；水塘存水抽排后，機械挖除淤泥，采用回填土分層換填、壓實。

2.2 回填施工組織

大面積場地回填采取分段施工有利于施工平面組織，避免資源投入強度過大，造成浪費；深厚回填土分層回填，逐層壓實，保證了回填質(zhì)量。綜合施工組織和回填深度特點，將整個場地劃分為六個區(qū)域。平整后場地高程總體為北高南低，回填線路遵循先低后高的原則，即南北方向由南向北回填，東西方向由兩側(cè)向中間進行。依據(jù)深度分布圖科學(xué)調(diào)配土方量、卸土點和土方車輛路線，避免重復(fù)倒運。

根據(jù)回填厚度采用自卸汽車順次堆填，平土機跟進推平。分層回填厚度不超過 1 m，分段之間采用臺階式搭接形式，臺階高度≤500 mm，寬度≥800 mm，層間錯縫，間距≥1.5 m，分層回填時禁止拋填，防止回填土粗細顆粒分化，影響壓實效果。采用 12 t 壓路機平碾兩遍，輪跡重疊 1/3，對于邊角等局部壓路機無法作業(yè)的地方，采用小型機具輔助壓實。

2.3 回填土冬期施工

為保證來年凍土層解凍后大規(guī)模組織強夯施工，需在冬期組織土方回填作業(yè)。按照凍土深度和處理凍土方式分為兩階段：第一階段為表層凍土，凍土深度較淺，施工階段為 11～12 月份；第二階段為深層凍土，表層凍土開始融化，深層凍土未完全解凍，施工階段為3～4 月份。針對兩個階段回填土凍土基層采取不同的技術(shù)措施。

第一階段：清除表層凍土，采用未凍土層隨挖隨填，嚴格控制土方運距，土方車輛上部采用保溫布覆蓋，土方車輛到達現(xiàn)場后立即進行回填，單層回填厚度比常溫施工減少 20 %～25 %，預(yù)留沉陷量較常溫施工時增加，平土機、碾壓機緊跟攤平壓實，碾壓完成后立即進行上一層土方回填作業(yè)，分層間回填間隔時間過長時，采用保溫苫布覆蓋，避免分層之間形成凍夾層。

第二階段：回填前在擬回填區(qū)域選擇若干點開展凍土深度、凍結(jié)情況及含水率等調(diào)查，確定翻曬開挖深度、翻曬時長。施工前清除表層冰雪，現(xiàn)場翻土深度 1.2～1.6 m，翻曬時間 3～5 d，晾曬完成后對翻土壓實，按照前述分層回填壓實的原則施工（見圖3）。

圖3 凍土翻曬

圖4 點夯夯點布置示意（單位：mm）

3 強夯加固

3.1 凍土調(diào)查

回填土施工歷經(jīng)冬期，凍土夾層可能存在于回填土中，由于表層土的保溫作用，雖然表層凍土已經(jīng)解凍，但深層凍土消融時間滯后，如果凍土未全部解凍即組織強夯，一方面凍夾層阻礙強夯深度傳遞，影響強夯效果；其次凍土?xí)趦鋈诤笮纬删植寇浫鯇樱菀滓鸩痪鶆虺两怠?/p>

為調(diào)查凍土凍融情況，分別在 3 月底、4 月中旬和 5 月初采取坑探形式對 6 個不同回填深度的區(qū)域進行了開挖觀測，每區(qū)取兩個點，調(diào)查結(jié)果如表1 所示。

表1 凍土凍融調(diào)查統(tǒng)計 mm

由表1 可知，至 5 月初凍土層全部融化，具備大面積強夯作業(yè)條件。進一步驗證了表層凍土融化不能認定凍深范圍土體全部融化，強夯前需要現(xiàn)場勘驗。

3.2 試夯

結(jié)合地區(qū)強夯工程經(jīng)驗，初步選定強夯施工技術(shù)參數(shù)如下。

1）夯擊遍數(shù)。兩遍點夯加一遍滿夯，夯點為梅花型布置，布點間距為 6 m×6 m。點夯加固處理后整個場地滿夯，錘印重疊 1/3D（D表示錘徑）（見圖1）。

2）夯擊能選用 2 000 kN·m能級組合，夯錘重量 20 t，落距 10 m；滿夯采用 1 000 kN·m 能級組合，夯錘重量 10 t，落距 10 m；采用錘徑 2.5 m 的圓柱錘。

3）單點夯擊次數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)N與沉降量S的關(guān)系曲線確定。試夯收集每次單擊夯沉量，并繪制了單擊夯沉量與夯擊數(shù)的關(guān)系曲線如圖5 所示。對夯沉數(shù)據(jù)分析表明隨夯擊次數(shù)增加，單擊夯沉量減少，第 6 次、7 次兩次的平均夯沉量＜50 mm，單點夯擊 7 次滿足要求。試夯結(jié)束 10 d 后對試夯場地進行檢測，實驗測得強夯后的地基承載力特征值和變形均滿足設(shè)計要求，驗證了擬選定的強夯參數(shù)滿足要求。

圖5 夯擊次數(shù) N 與沉降量 S 的關(guān)系曲線

3.3 強夯施工

3.3.1 強夯參數(shù)（見表2）

表2 強夯施工參數(shù)

3.3.2 強夯施工流程

強夯施工工藝流程如圖6 所示。

圖6 強夯施工流程

3.3.3 關(guān)鍵部位強夯施工措施

為減少強夯作業(yè)對周圍建（構(gòu)）筑物的影響，分別在場地西側(cè)、北靠、東側(cè)開挖隔振溝，隔振溝底寬 2.0 m，深度 2.5 m，自然放坡，并沿建筑物墻體方向設(shè)監(jiān)測點，定期對建筑物變形監(jiān)測。采用小直徑柱形錘，起到進一步減小橫向擠壓的作用，對局部因安全距離導(dǎo)致無法強夯區(qū)域全部采用山皮石回填，采用蛙式打夯機及平板式振動器進行夯實，并嚴格按照每 250 mm厚度一次回填碾壓。

整體強夯完成后，將排水深溝淤泥清除后回填，采用低夯機能滿夯加固處理；南側(cè)近河區(qū)域為確保強夯施工紅線范圍內(nèi)的回填土全部進行強夯加固處理，在強夯施工區(qū)域以外多回填 3 m，起到護夯的作用。

3.4 強夯施工要點

1）強夯施工宜避開雨季，雨后坑內(nèi)或場地的積水應(yīng)及時排出，并自然晾曬干燥后再強夯，且地下水位應(yīng)控制在夯坑面以下 2.0 m。

2）兩遍夯擊之間應(yīng)有一定的時間間隔，按超靜孔隙水壓力消散 70 % 或以上所需時間。

3）夯坑周圍地面發(fā)生過大隆起或夯坑過深提錘困難時，停止強夯作業(yè)，分析原因，調(diào)整強夯參數(shù)后再施工。

4）試夯施工結(jié)束兩周后進行檢測試驗。

4 強夯智能化控制技術(shù)

常規(guī)強夯施工需要專人在現(xiàn)場對強夯過程全程監(jiān)督，質(zhì)量和安全管理風(fēng)險隱患難以根本解決，基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、IoT、云計算等技術(shù)，在強夯機械上加裝物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備，對強夯機械進行智慧化改造，解決強夯施工放樣費時費力、過程管控、質(zhì)量追溯等問題，提升強夯智能化管理水平（見圖7）。

圖7 強夯智能監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 強夯智能監(jiān)測系統(tǒng)特點

1）實時遠程監(jiān)控并預(yù)警。實時監(jiān)測，有問題及時預(yù)警，及時糾偏。

2）無需測放線，切實指導(dǎo)現(xiàn)場施工。高精度定位，只需導(dǎo)入點位，無需現(xiàn)場放樣節(jié)省測量放樣時間。通過查看駕駛室導(dǎo)航平板展示后臺云圖，駕駛員更便捷、直觀地看到現(xiàn)場夯擊點分布，指導(dǎo)施工。

3）夯擊過程實時監(jiān)測。強夯機械經(jīng)過智能化改造實現(xiàn)了夯擊路徑、夯沉量、夯擊次數(shù)等施工數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸，借助智能監(jiān)測系統(tǒng)用戶終端（電腦及手機端），項目管理者可以遠程查看過程數(shù)據(jù)，對強夯施工過程實時監(jiān)控［2-6］。

4.2 強夯智能監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

1）系統(tǒng)硬件。系統(tǒng)硬件包括：主控中心、設(shè)備導(dǎo)航平板、測距模塊、車載北斗定位天線等。

2）衛(wèi)星定位基準站系統(tǒng)。在 RTK 作業(yè)模式下，基準站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準站的數(shù)據(jù)，并采集北斗觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時處理，瞬時給出夯擊點位厘米級定位結(jié)果［7-10］。

3）系統(tǒng)數(shù)據(jù)管控平臺。在瀏覽器輸入項目登陸地址進入登錄頁面，在此頁面中輸入用戶名與密碼登錄。在登錄成功之后即會進入系統(tǒng)主界面，主界面系統(tǒng)包含了導(dǎo)航欄、功能菜單欄等展示界面，查看強夯施工記錄。

4.3 實施成果

1）夯擊路徑定位記錄。登錄用戶端可以查看強夯實時作業(yè)過程，并可以查看歷史記錄，實現(xiàn)強夯施工質(zhì)量追溯；強夯作業(yè)司機可借助車載平板，查看作業(yè)路徑，可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的路線強夯，并將強夯位置實時反饋在平板顯示器上，避免重復(fù)或遺漏。

2）夯擊次數(shù)記錄。分區(qū)強夯時在系統(tǒng)電腦端設(shè)定作業(yè)分區(qū)，系統(tǒng)實時記錄上傳每個點位的夯擊次數(shù)，如圖8 所示。用戶可以設(shè)定單點夯擊次數(shù)，系統(tǒng)會自動判斷，發(fā)出停夯提升。

圖8 強夯現(xiàn)場

3）施工統(tǒng)計。系統(tǒng)設(shè)定了強夯各類參數(shù)的統(tǒng)計類型，項目管理者可以根據(jù)需要選擇，自動計算形成圖表，對強夯數(shù)據(jù)分析，評價強夯質(zhì)量。

5 強夯試驗

5.1 承載力特征值

采用平板載荷試驗方法，對強夯場地承載力現(xiàn)場檢測，檢測結(jié)果如表3 所示，并計算得出壓縮模量。

表3 淺層平板載荷試驗結(jié)果

5.2 壓實度檢測

采用環(huán)刀現(xiàn)場取樣實測干密度為 1.65 g/m3，壓實度 95.4 %。

5.3 結(jié)果評價

設(shè)計強夯技術(shù)要求：強夯加固后地基土承載力標準值≥150 kPa，壓縮模量≥8 MPa，壓實系數(shù)≥0.95，對比檢測結(jié)果滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

1）針對嚴寒凍土地區(qū)大面積回填土地基，通過在土方回填和強夯兩個施工過程開展關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用，對冬期和雨期施工采取了針對性措施，取得了良好的效果，保證了回填土地基施工質(zhì)量，特別是強夯智能化控制系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，提高了強夯施工效率和安全性，實現(xiàn)了強夯作業(yè)遠程監(jiān)控及強夯數(shù)據(jù)的自動采集、分析、保存，解決了強夯質(zhì)量追溯難題，提升了強夯施工智能化管理水平，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

2）項目在實施過程中對強夯后的地基沉降變形進行了定期觀測，觀測數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求，由于項目仍處于實施階段，而工程竣工交付的工后沉降是驗證回填土地基施工質(zhì)量的重要階段，下一步將繼續(xù)開展使用階段基礎(chǔ)變形研究。Q