嚴寒地區大面積深厚回填土地基處理關鍵技術

高 闊

（上海建工五建集團有限公司，上海 200063）

0 引言

近年來隨著我國現代農業政策的落實，特別是我國北方地區，由于其良好的農業基礎，大量現代農業配套廠房開始建設。與此同時，我國出臺法律限制了農業耕地占用，可直接用作建筑基礎的建設用地越來越少，通常需要對地基進行處理?；靥钔良庸淌堑鼗幚碜畛Ｒ姷男问?，而碾壓和強夯是回填土加固普遍采用的方法，由于我國北方地區冬季氣溫低且持續時間長，氣候溫度對碾壓和強夯處理回填土處理質量影響大，措施不當容易導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構安全性［1］。本文基于工程實例，開展了嚴寒地區回填土地基處理關鍵技術應用研究，通過采取一系列針對性措施，解決了嚴寒地區回填土施工質量、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

東豐縣鄉村振興食用菌三產融合示范園區 EPC 項目（見圖1），占地面積約 20 萬 m2，總建筑面積約14.5 萬 m2，包括標準化生產廠房、冷鏈倉儲中心、發酵槽及配套設施等。場地南側為拉拉河，建筑紅線距河道最近距離 20 m，東西兩側緊鄰廠區及村民住宅。場地現狀標高低于設計值，使用粉質黏土整體回填，回填高度 2.0～5.5 m，總回填土方量約 74 萬 m3?；靥钔磷鳛榻ㄖ孛婧驮O備基礎的主要持力層，對沉降和不均勻沉降要求高，設計采用強夯法保證其變形和承載力滿足使用要求，結構柱下獨立基礎采用 HPC 管樁。

圖1 項目鳥瞰圖

1.2 區域氣候條件

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 工程地質及水文地質條件

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數據指標，劃分為 5 個大層。按照自上而下的順序分別為：素填土、粉質黏土、粗砂（松散）、粗砂（密實）、強風化凝灰巖。

場地地下水類型為潛水，潛水天然動態類型屬滲入～蒸發、徑流型，主要接受大氣降水入滲、地下水側向徑流及河流補給等方式補給，以蒸發及地下水側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，回填時經歷了雨季和冬季，對回填作業影響較大，結合當地工程經驗，針對冬期施工采取了針對性措施，以保證回填施工質量。

2.1 基本要求

2.1.1 回填土質要求

填土土質是影響回填質量的決定性因素。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含水量，作為現場控制回填土質量的依據。試驗測得的干密度與含水量關系曲線如圖2 所示。試樣最大干密度為 1.73 g/cm3，最優含水率為 17.8 %。

圖2 土干密度與含水率關系曲線

回填過程專人負責進場土質檢查，不得選用淤泥、淤泥質土、有機質＞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

建設場地內雜草叢生，局部存在水塘，土方回填前對場地基礎采用推土機平整，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，東西方向由兩側向中間進行。依據深度分布圖科學調配土方量、卸土點和土方車輛路線，避免重復倒運。

根據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模組織強夯施工，需在冬期組織土方回填作業。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，土方車輛到達現場后立即進行回填，單層回填厚度比常溫施工減少 20 %～25 %，預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，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：回填前在擬回填區域選擇若干點開展凍土深度、凍結情況及含水率等調查，確定翻曬開挖深度、翻曬時長。施工前清除表層冰雪，現場翻土深度 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 凍土調查

回填土施工歷經冬期，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；其次凍土會在凍融后形成局部軟弱層，容易引起不均勻沉降。

為調查凍土凍融情況，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域進行了開挖觀測，每區取兩個點，調查結果如表1 所示。

表1 凍土凍融調查統計 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，強夯前需要現場勘驗。

3.2 試夯

結合地區強夯工程經驗，初步選定強夯施工技術參數如下。

1）夯擊遍數。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）單點夯擊次數根據現場試夯得到的夯擊次數N與沉降量S的關系曲線確定。試夯收集每次單擊夯沉量，并繪制了單擊夯沉量與夯擊數的關系曲線如圖5 所示。對夯沉數據分析表明隨夯擊次數增加，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計要求，驗證了擬選定的強夯參數滿足要求。

圖5 夯擊次數 N 與沉降量 S 的關系曲線

3.3 強夯施工

3.3.1 強夯參數（見表2）

表2 強夯施工參數

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 關鍵部位強夯施工措施

為減少強夯作業對周圍建（構）筑物的影響，分別在場地西側、北靠、東側開挖隔振溝，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監測點，定期對建筑物變形監測。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致無法強夯區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；南側近河區域為確保強夯施工紅線范圍內的回填土全部進行強夯加固處理，在強夯施工區域以外多回填 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，雨后坑內或場地的積水應及時排出，并自然晾曬干燥后再強夯，且地下水位應控制在夯坑面以下 2.0 m。

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

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

4）試夯施工結束兩周后進行檢測試驗。

4 強夯智能化控制技術

常規強夯施工需要專人在現場對強夯過程全程監督，質量和安全管理風險隱患難以根本解決，基于北斗衛星定位技術、IoT、云計算等技術，在強夯機械上加裝物聯網傳感設備，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 強夯智能監測系統結構圖

4.1 強夯智能監測系統特點

1）實時遠程監控并預警。實時監測，有問題及時預警，及時糾偏。

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

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

4.2 強夯智能監測系統構成

1）系統硬件。系統硬件包括：主控中心、設備導航平板、測距模塊、車載北斗定位天線等。

2）衛星定位基準站系統。在 RTK 作業模式下，基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站通過數據鏈接收來自基準站的數據，并采集北斗觀測數據，在系統內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果［7-10］。

3）系統數據管控平臺。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主界面，主界面系統包含了導航欄、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過程，并可以查看歷史記錄，實現強夯施工質量追溯；強夯作業司機可借助車載平板，查看作業路徑，可以根據系統設定的路線強夯，并將強夯位置實時反饋在平板顯示器上，避免重復或遺漏。

2）夯擊次數記錄。分區強夯時在系統電腦端設定作業分區，系統實時記錄上傳每個點位的夯擊次數，如圖8 所示。用戶可以設定單點夯擊次數，系統會自動判斷，發出停夯提升。

圖8 強夯現場

3）施工統計。系統設定了強夯各類參數的統計類型，項目管理者可以根據需要選擇，自動計算形成圖表，對強夯數據分析，評價強夯質量。

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場檢測，檢測結果如表3 所示，并計算得出壓縮模量。

表3 淺層平板載荷試驗結果

5.2 壓實度檢測

采用環刀現場取樣實測干密度為 1.65 g/m3，壓實度 95.4 %。

5.3 結果評價

設計強夯技術要求：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≥0.95，對比檢測結果滿足設計要求。

6 結語

1）針對嚴寒凍土地區大面積回填土地基，通過在土方回填和強夯兩個施工過程開展關鍵技術研究應用，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量，特別是強夯智能化控制系統的開發應用，提高了強夯施工效率和安全性，實現了強夯作業遠程監控及強夯數據的自動采集、分析、保存，解決了強夯質量追溯難題，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，觀測數據均滿足設計要求，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量的重要階段，下一步將繼續開展使用階段基礎變形研究。Q