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深层搅拌法最适宜于加固各种成因的饱和软粘土。国外使用深层搅拌法加固的土质有新吹填的超软土、沼泽地带的泥炭土、沉积的粉土和淤泥质土等。目前国内常用于加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水率较高且地基承载力标准值不大的粘性土[1]。建筑地基处理规范[2]规定搅拌法用于处理：正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、素填土、粘性土、饱和黄土以及无流动地下水的饱和砂土等地基。迄今为止，水泥土搅拌技术在一般砂性土和碎石土地基加固中应用很少，且设计上只考虑加固后的复合地基的承载力和变形模量等静态性能指标的要求，没有对其复合地基动态性能指标进行限制[2-3]；而对于抗震性能要求较高的场地，尤其在核电中的Ⅰ、Ⅱ类物项需进行地基的抗震等安全性评价[4-6]，同时在《核电厂抗震设计规范》中对剪切波速等动态指标也提出了要求，即核电中Ⅰ、Ⅱ物项的地基处理除了地基承载力和变形模量满足设计及规范要求外，同时动态指标-剪切波速也需满足抗震验算及规范要求[4]；根据设计及规范要求，核电抗震一类物项对于剪切波速的要求不小于500 m/s。因此，在核电Ⅰ、Ⅱ物项地基处理中，剪切波速能否达到要求是需要解决的技术难题。
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某核电厂HCO排水廊道位于HPX循环水泵房、HPI重要水泵房及HCA虹吸井周边，连接HCP与HCQ消能池，并与HCP、HCQ消能池共同组成SEC排水系统，廊道底宽度为5.5 m，埋深3.0 m，其下部及周边廊道交错复杂。由于HCO廊道相对位置较高，待其下部廊道施工完成后再进行施工。HCO排水廊道的抗震等级被定为SC2级，属于抗震I类物项，根据《核电厂抗震设计规范》(GB 50267-97)的规定，应同时采用运行安全地震震动(SL-1)和极限安全地震震动(SL-2)进行抗震设计。根据规范和设计要求，处理后的地基剪切波速不得小于500 m/s。
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∇0 m地面以下15 m范围内为虚填砂石料(未经碾压)，HCO排水管廊边距离HPX(循环水泵房)北侧约为1.05 m，其基底埋深为3 m; HPX的基底埋深约为-29 m，在HPX负挖施工时，同时将HCO区域挖至地面以下约29 m，形成厂区最深的基坑；在HPX每层结构施工完成后，为避免形成较大的汇水坑，及时对该基坑采用砂石料进行虚填(未碾压)，砂石料粒级配通过现场取样筛分试验得出，见表1，颗粒级配分配曲线见图1，CU＝210，CC＝1.3。埋深29 m以下的土层为微风化岩，施工期间无地下水。
图 1 颗粒级配分配图
Figure 1. Particle size distribution
表 1 土粒组成表
Table 1.
Composition of soil particles 天然状态指标 粒径大小的百分比/% 含水率w0/% 土粒比重Gs>60 60～40 40～20 20～10 10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 0.075～0.005 <0.005 平均粒径/mmd50 3.2 2.68 9.4 2.3 18.7 27.1 9.4 3.9 9.0 20.2 2.7 表 2 地基处理前不同深度的剪切波速汇总表
Table 2.
Different value of shear wave velocity in different deep positon before treatment 深度/ m 跨孔波速测试(发射：SK02；接收：SK03、SK04) SK2～SK3 SK3～SK4 SK2～SK4 Vs/ (m·s-1) Vp/ (m·s-1) Vs/ (m·s-1) Vp/ (m·s-1) Vs/ (m·s-1) Vp/ (m·s-1) 2 225 399 300 174 257 243 3 172 271 182 210 177 237 4 137 231 166 260 150 245 5 166 250 183 252 174 251 6 154 215 142 297 148 249 7 159 239 148 266 153 252 8 192 259 237 333 212 291 9 180 278 161 299 170 288 10 178 266 165 294 171 279 11 193 300 164 324 178 311 12 185 311 241 364 209 335 13 203 308 169 342 185 324 14 207 301 161 325 181 312 -
地基承载力及压缩模量采用浅层平板试验测得，地基承载力特征值为200 kPa，压缩模量为10 MPa；剪切波速测试孔布置见图2。
图 2 处理前地基剪切波速测试孔位布置图
Figure 2. Plan of shear wave velocity test hole before treatment
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由于设计要求HCO处理后的地基剪切波速不小于500 m/s，地基特性应达到软质岩以上，为了实现这一要求，搅拌桩需采用较高的水泥掺量，并布置合理的桩径桩距，使得桩与桩之间相切[7-8]。现场实际采用的水泥搅拌桩桩径为600 mm，按中心间距600 mm×600 mm的梅花形布置，见图3，水泥掺量约85 kg/m。为使处理后的地基坐落在基岩面上，现场开挖了约14 m深的施工作业面，搅拌桩长度15 m，直达基岩面，搅拌桩施工完成，并检测合格后，采用C15素混凝土回填直至HCO底板底。
图 3 水泥搅拌桩及检测点布置图
Figure 3. Plan of cement mixing pile and check point
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现场选取三点进行了浅层平板载荷试验，各试验点编号及位置见图3。各试验点的最大加载量不应小于设计要求的两倍，即800 kPa，地基承载力特征值采用相对沉降法确定[1]，确定的地基承载力特征值[10]见表3。
表 3 地基承载力特征值取值表
Table 3.
Characteristic value of foundation soil bearing capacity 测点编号 承载力特征值fak取值/ kPa 承载力特征值fak取值方法说明 ZH01 > 400 相对沉降法 ZH02 > 400 相对沉降法 ZH03 > 400 相对沉降法 -
浅层平板载荷试验的变形模量E0(MPa)，根据试验结果按下式计算[1]，计算结果见表4：
表 4 变形模量E0计算成果表
Table 4.
Calculation result of deformation modulus E0 测点编号 承压板形状系数I0 土的波速比μ 承压板直径d/m 压力p/ kPa 相对的沉降s/mm 变形模量计算值E0/MPa ZH01 0.785 0.30 0.8 800 1.18 387 ZH02 0.785 0.30 0.8 800 1.70 269 ZH03 0.785 0.30 0.8 800 2.52 181 ((1)) -
地基处理后的复合地基的波速的检测方法分别采用单孔法和跨孔法进行了测试[1]，检测孔共3个，孔位布置见图3，波速测试成果见表5。
表 5 地基处理后的波速测试成果表
Table 5.
Calculation result of wave velocity after treatment m/s 深度/m 跨孔波速测试 单孔法波速测试 发射孔：ZK01；接收孔：ZK02、ZK03 ZK01 ZK02 ZK01～ZK02 ZK02～ZK03 ZK01～ZK03 Vs VP Vs VP Vs VP Vs VP Vs VP 1 778 6 020 811 3 344 794 4 300 — — — — 2 826 4 426 897 4 426 860 4 426 — — — — 3 901 4 631 1 013 3 583 954 4 040 823 1 478 908 1 632 4 896 5 473 1 027 3 500 957 4 270 1 042 2 024 1 060 1 615 5 1 309 4 934 998 4 123 1 133 4 493 797 2 815 1 227 2 025 6 1 332 5 375 1 627 3 420 1 465 4 181 959 1 862 1 012 1 534 7 919 5 574 884 3 168 901 4 040 1 268 2 806 1 551 2 435 8 1 155 5 017 1 410 3 716 1 270 4 270 899 2 474 1 801 2 097 9 670 4 855 1 211 3 460 862 4 040 869 3 406 1 146 2 811 10 855 5 788 1 265 3 671 1 020 4 493 935 2 426 1 266 4 258 11 855 5 281 794 4 362 824 4 778 838 2 841 900 2 421 12 782 5 679 1 204 3 583 948 4 394 903 2 431 1 280 2 485 13 743 7 000 846 3 541 791 4 703 716 2 846 782 2 120 14 860 4 934 941 4 123 899 4 493 611 1 920 — — -
为了避免激发延时给测试波速计算带来的误差，波速测试采用跨孔法，一孔为振源激发孔，另外两个孔为信号接收孔，三个孔布置在一条直线上。本次波速对比数据采用信号接收孔之间的波速，相对精度较高，详细数据对比见图4、图5和表6。
图 4 地基处理前后剪切波速对比图
Figure 4. Shear wave velocity value before and after treatment
图 5 地基处理前后压缩波速对比图
Figure 5. Compressive wave velocity value before and after treatment
表 6 地基处理前后波速对比
Table 6.
Wave velocity value before and after treatment 深度/ m 跨孔波速测试 处理前：接收孔：SK02，SK03；处理后：接收孔：ZK02，ZK03 SK03～SK04 ZK02～ZK03 处理后前波速比 Vs/(m·s-1) Vp/(m·s-1) Vs/(m·s-1) Vp/(m·s-1) λVS λVP 2 300 174 897 4 426 3.0 25.4 3 182 210 1 013 3 583 5.6 17.1 4 166 260 1 027 3 500 6.2 13.5 5 183 252 998 4 123 5.5 16.4 6 142 297 1 627 3 420 11.5 11.5 7 148 266 884 3 168 6.0 11.9 8 237 333 1 410 3 716 5.9 11.2 9 161 299 1 211 3 460 7.5 11.6 10 165 294 1 265 3 671 7.7 12.5 11 164 324 794 4 362 4.8 13.5 12 241 364 1 204 3 583 5.0 9.8 13 169 342 846 3 541 5.0 10.4 14 161 325 941 4 123 5.8 12.7 根据波速测试数据结果，不同深度的剪切波速在深层搅拌处理前大部分在200 m/s以内，处理后剪切波速大幅度提高，最低达到846 m/s。地基处理前，不同深度的压缩波波速大部分在300 m/s附近波动，地基处理后，压缩波速同样有大幅度的提升，最低点可达3 168 m/s。
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1)采用深层搅拌技术处理砂石回填土地基，桩体施工质量均匀，桩身较完整，单轴抗压强度较高，复合地基承载力及压缩模量大幅度提升，极易达到设计及规范要求。
2)采用深层搅拌技术处理砂石回填土地基，根据测试结果，地基波速大幅度提升。其中处理后的地基剪切波速达到800 m/s以上，最高达到1 627 m/s，远高于设计要求的500 m/s，满足设计及相关规范的要求。同时根据《建筑抗震设计规范》，场地类别可判别为Ⅰ0类。
水泥深层搅拌技术在回填砂石地基中应用较少，尤其是对核安全物项，该技术应用于提高剪切波速的试验和研究更少，因此具有技术的创新性，对核安全物项的地基加固处理具有参考价值。
Application of Deep Mixing Technique on Reinforcement of Nuclear Safety Foundation
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摘要:
为了推广复合地基处理加固技术在核电厂核安全级物项地基中的应用，针对某核电站核安全级物项地基加固处理采取了水泥搅拌加固技术进行了方案设计及现场试验研究。现场试验结果表明：松散回填土地基采用水泥搅拌桩加固处理后，地基承载力特征值可由原来的200 kPa增至400 kPa以上；核安全物项主要控制指标剪切波速大幅度提升，由处理前的200 m/s提升到800 m/s以上，大大超过设计及规范要求的400 m/s。因此，水泥搅拌桩加固技术用于处理松填的回填土层不仅能大幅度提高地基承载力，更重要的是能大幅度提升核安全物项主要控制指标剪切波速，满足了核安全物项地基抗震要求，对今后核安全级地基处理提供很好的参考。 Abstract:This article introduces the application of deep cement mixing method in loose foundation (sand and gravel backfill) treatment and the changing of wave velocity, loading capacity, modulus of deformation and other performance index before and after using this method. The deep cement mixing method is seldom used in loose foundation (sand and gravel backfill) treatment. Its application is even rarer in treating the backfilled foundation with nuclear safety requirement. Therefore, this technique is innovative and serves as a good example for the future foundation consolidation and treatment. -
表 1 土粒组成表
Tab. 1.
Composition of soil particles 天然状态指标 粒径大小的百分比/% 含水率w0/% 土粒比重Gs>60 60～40 40～20 20～10 10～5 5～2 2～0.5 0.5～0.25 0.25～0.075 0.075～0.005 <0.005 平均粒径/mmd50 3.2 2.68 9.4 2.3 18.7 27.1 9.4 3.9 9.0 20.2 2.7 
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表 2 地基处理前不同深度的剪切波速汇总表
Tab. 2.
Different value of shear wave velocity in different deep positon before treatment 深度/ m 跨孔波速测试(发射：SK02；接收：SK03、SK04) SK2～SK3 SK3～SK4 SK2～SK4 Vs/ (m·s-1) Vp/ (m·s-1) Vs/ (m·s-1) Vp/ (m·s-1) Vs/ (m·s-1) Vp/ (m·s-1) 2 225 399 300 174 257 243 3 172 271 182 210 177 237 4 137 231 166 260 150 245 5 166 250 183 252 174 251 6 154 215 142 297 148 249 7 159 239 148 266 153 252 8 192 259 237 333 212 291 9 180 278 161 299 170 288 10 178 266 165 294 171 279 11 193 300 164 324 178 311 12 185 311 241 364 209 335 13 203 308 169 342 185 324 14 207 301 161 325 181 312
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表 3 地基承载力特征值取值表
Tab. 3.
Characteristic value of foundation soil bearing capacity 测点编号 承载力特征值fak取值/ kPa 承载力特征值fak取值方法说明 ZH01 > 400 相对沉降法 ZH02 > 400 相对沉降法 ZH03 > 400 相对沉降法
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表 4 变形模量E0计算成果表
Tab. 4.
Calculation result of deformation modulus E0 测点编号 承压板形状系数I0 土的波速比μ 承压板直径d/m 压力p/ kPa 相对的沉降s/mm 变形模量计算值E0/MPa ZH01 0.785 0.30 0.8 800 1.18 387 ZH02 0.785 0.30 0.8 800 1.70 269 ZH03 0.785 0.30 0.8 800 2.52 181
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表 5 地基处理后的波速测试成果表
Tab. 5.
Calculation result of wave velocity after treatment m/s 深度/m 跨孔波速测试 单孔法波速测试 发射孔：ZK01；接收孔：ZK02、ZK03 ZK01 ZK02 ZK01～ZK02 ZK02～ZK03 ZK01～ZK03 Vs VP Vs VP Vs VP Vs VP Vs VP 1 778 6 020 811 3 344 794 4 300 — — — — 2 826 4 426 897 4 426 860 4 426 — — — — 3 901 4 631 1 013 3 583 954 4 040 823 1 478 908 1 632 4 896 5 473 1 027 3 500 957 4 270 1 042 2 024 1 060 1 615 5 1 309 4 934 998 4 123 1 133 4 493 797 2 815 1 227 2 025 6 1 332 5 375 1 627 3 420 1 465 4 181 959 1 862 1 012 1 534 7 919 5 574 884 3 168 901 4 040 1 268 2 806 1 551 2 435 8 1 155 5 017 1 410 3 716 1 270 4 270 899 2 474 1 801 2 097 9 670 4 855 1 211 3 460 862 4 040 869 3 406 1 146 2 811 10 855 5 788 1 265 3 671 1 020 4 493 935 2 426 1 266 4 258 11 855 5 281 794 4 362 824 4 778 838 2 841 900 2 421 12 782 5 679 1 204 3 583 948 4 394 903 2 431 1 280 2 485 13 743 7 000 846 3 541 791 4 703 716 2 846 782 2 120 14 860 4 934 941 4 123 899 4 493 611 1 920 — —
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表 6 地基处理前后波速对比
Tab. 6.
Wave velocity value before and after treatment 深度/ m 跨孔波速测试 处理前：接收孔：SK02，SK03；处理后：接收孔：ZK02，ZK03 SK03～SK04 ZK02～ZK03 处理后前波速比 Vs/(m·s-1) Vp/(m·s-1) Vs/(m·s-1) Vp/(m·s-1) λVS λVP 2 300 174 897 4 426 3.0 25.4 3 182 210 1 013 3 583 5.6 17.1 4 166 260 1 027 3 500 6.2 13.5 5 183 252 998 4 123 5.5 16.4 6 142 297 1 627 3 420 11.5 11.5 7 148 266 884 3 168 6.0 11.9 8 237 333 1 410 3 716 5.9 11.2 9 161 299 1 211 3 460 7.5 11.6 10 165 294 1 265 3 671 7.7 12.5 11 164 324 794 4 362 4.8 13.5 12 241 364 1 204 3 583 5.0 9.8 13 169 342 846 3 541 5.0 10.4 14 161 325 941 4 123 5.8 12.7
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[1] 常士骠，张苏民. 工程地质手册 [M]. 4版. 北京：中国建筑工业出版社，2010. [2] JGJ 79—2012,建筑地基处理技术规范 [S]． [3] DL/T 5024—2005，电力工程地基处理技术规程 [S]． [4] GB 50267—201x，核电厂抗震设计规范(征求意见版) [S]． [5] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范 [S]． [6] GB 50267—1997，水工结构抗震设计规范 [S]． [7] 胡贺松，彭振斌，杨坪，等. 软土水泥搅拌桩复合地基沉降特性试验研究[J]．. 中南大学学报：自然科学版，2009(3): 265-269. [8] 刘健伟. 水泥搅拌桩在高层建筑地基处理中的设计与应用[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)，2009(6): 64-66，80. [9] 孙发平. 水泥搅拌桩加固软粘土地基模型试验和有限元分析[J]．石家庄铁道大学学报：自然科学版，2012(4): 90-94. [10] 陈富强，杨光华，刘惠康. 水泥搅拌桩复合地基强度参数取值方法探讨[J]. 地下空间与工程学报，2013(S1): 101-105. -
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