水利工程中砂土地基振沖加固方案
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［摘要］以某水庫主壩地基振沖加固工程為背景，通過對工程環(huán)境以及工程區(qū)地質(zhì)條件的分析發(fā)現(xiàn)工程區(qū)地基以砂土為主，可能存在地震液化、滲透失穩(wěn)等問題，需對地基進(jìn)行加固處理。通過對工程背景進(jìn)行分析認(rèn)為，選擇振沖法進(jìn)行加固較適宜。結(jié)合工程背景，對振沖法施工技術(shù)進(jìn)行分析，重點研究了孔距設(shè)計原則、填料選取原則及質(zhì)量品位判定規(guī)則、施工工藝方法介紹以及施工質(zhì)量檢測方法，對類似地質(zhì)條件下的地基加固方案選擇及施工工藝方法設(shè)計有一定參考價值。
1工程概況
某水庫主壩工程位于某河流干流中游地區(qū)，規(guī)劃主壩建筑壩型為均質(zhì)土壩，設(shè)計壩體最大高度為11m，壩頂寬6.5m，其上下游坡度為1∶2.5。該主壩壩基地層自下而上主要為碎石土、砂土、粉土和黏性土等，根據(jù)工程前期勘探發(fā)現(xiàn)，粉土、黏土、粉質(zhì)黏土層地質(zhì)條件均不穩(wěn)定。通過試驗研究結(jié)合地質(zhì)勘探認(rèn)為，壩區(qū)地基主要存在以下問題:
1)砂土地基層地震液化問題:根據(jù)動力試驗及分析可以確定在該地區(qū)基本地震烈度為7度情況下，砂土地基存在地震液化可能，且以中等至嚴(yán)重液化為主，其液化深度一般位于9m以內(nèi)。
2)滲透穩(wěn)定性問題:經(jīng)過滲透變形判定，由于工程地區(qū)地基各砂土層屬于流土型，因此本工程區(qū)域地基砂土存在滲透變形破壞的可能性。
3)滲透淹沒問題:工程地基層砂土與碎石層滲水性較強(qiáng)，水庫蓄水后導(dǎo)致地下水位上升，可能產(chǎn)生滲透甚至淹沒農(nóng)田的問題。為解決以上存在的問題，需對壩體地基進(jìn)行加固處理，加固方案曾考慮過強(qiáng)夯、翻挖、振沖等。但考慮到壩體加固需在水庫正常運(yùn)行的情況下實施，因此強(qiáng)夯和翻挖方案不可行，因此應(yīng)選擇振沖法對壩體進(jìn)行加固。振沖加固砂坡主要是對砂土進(jìn)行振動液化后重新填料固結(jié)提高砂土密度，振沖加固過程一般包括震擠、浮振和固結(jié)3個過程。振沖加固需在振沖器振動的同時對其進(jìn)行射水，使孔洞附近砂土液化，同時將填料擠入孔壁，使土粒重新排列、壓實。
2振沖施工方案分析
振沖施工方案設(shè)計主要包括:選擇振沖機(jī)具、確定振沖孔距、填料要求、振沖施工工藝和方法等。在選擇振沖機(jī)具前應(yīng)確定加固施工要求，根據(jù)施工要求確定加工機(jī)具，以免產(chǎn)生浪費(fèi)。本工程中振沖機(jī)具主要特征見表1
2.1振沖孔距的設(shè)計原則
實際施工中振沖孔距的選擇是保證施工加固效果的重要內(nèi)容，然而目前對于施工孔距的設(shè)計并沒有一個精確的計算公式。本工程在初步設(shè)計時，參考式(1)、式(2)所示初步設(shè)計公式確定單位體積地基所需填料數(shù)量及孔距布置間隔:Va=(1+e1)(e0－e)(1+e0)(1+e)(1)式中:e0為加固前砂土孔隙比;e為加固后設(shè)計要求達(dá)到的孔隙比;e1為回填料孔隙比。d=V0.866SV槡a(2)式中:V為每孔填料數(shù)量，一般需根據(jù)試驗情況確定;S為振沖孔深度;Va為單位體積壩體加固所需填料。然而由于在實際施工現(xiàn)場地質(zhì)狀況較復(fù)雜且施工工藝方面各工程有所不同，因此根據(jù)以上公式所計算的結(jié)果僅可作為參考值。一般在正式施工之前需要在現(xiàn)場根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行試驗，以檢驗設(shè)計孔距是否能夠達(dá)到預(yù)期加密效果。試驗時，一般在現(xiàn)場布置3組不同孔距的梅花型孔，每組包含7到10個孔。振沖施工試驗完成后再分別在樁身、二樁間、三樁間檢查振沖質(zhì)量，并進(jìn)行對比，選擇既經(jīng)濟(jì)又能夠滿足設(shè)計緊密度要求的孔距。
2.2工程區(qū)土質(zhì)分析及填料選取原則
工程區(qū)土質(zhì)類型對于采用振沖法進(jìn)行加固效果影響巨大，一般來說振沖法最適用于加密地下水位以下的松砂，對于級配曲線落入圖1所示范圍內(nèi)的中、粗砂其加密效果更好。從本工程實際所處地質(zhì)環(huán)境分析，采用振沖法對地基進(jìn)行加固是比較適宜的。圖1適用于振沖碎石樁的顆粒級配曲線范圍為了達(dá)到良好的振沖加密效果，填料的選擇也是至關(guān)重要的，一般來說填料中最好不應(yīng)包含細(xì)砂土，而應(yīng)優(yōu)先選擇潔凈的粗砂、碎石、礦渣、礫石等為宜。當(dāng)然也不易選擇直徑過大的礫石，礫石過大容易堵在連桿與孔隙之間，阻礙填料。一般填料的最大直徑應(yīng)控制在3～5cm，填料的品位優(yōu)劣是一定時間內(nèi)填料達(dá)到孔底數(shù)量的函數(shù)，因此可按式(3)計算填料品位，并按表2對其進(jìn)行分級。Qm=1.71(D50)2+1(D20)2+1(D10)槡2(3)式中:Qm代表填料的品位數(shù);D10、D20、D30分別代表填料中含量小于10%、20%、30%的顆粒的直徑。表2填料評價標(biāo)準(zhǔn)品位數(shù)0～1010～2020～3030～50＞50分級很好好一般差不適合
2.3施工工藝方法設(shè)計
除此之外，施工工藝與方法的好壞也直接影響到工程的施工質(zhì)量，影響振沖施工加固效果。因此，在實際施工過程中必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行施工，特別是對于填料以及孔位布置工序。振沖加固的主要工序見圖2。工程中擬采用凈砂料作為填料，其具體施工方法如下:
1)放樣定位:工程開始前應(yīng)根據(jù)設(shè)計以及前期試驗確定的孔位、孔距進(jìn)行放樣定位。
2)振沖器具定位:在確定孔位后應(yīng)校正振沖器位置以保證振沖器偏差不宜過大，一般偏差不應(yīng)大于5cm，校準(zhǔn)時應(yīng)使振沖器箭頭對準(zhǔn)樁位，開啟下噴水口，利用噴出的水柱來校正振沖器位置。
3)貫入造孔，在振沖器定位完畢后，應(yīng)拔出定位孔，并對振沖器下噴水口水壓進(jìn)行增壓，使其增壓到300至400kPa，同時應(yīng)開啟上補(bǔ)水口并保證其水壓力不大于5kPa。當(dāng)水流及振沖器正常后開始進(jìn)行貫入造孔，一般貫入速度應(yīng)控制在1～2m/min。貫入造孔過程中若電機(jī)電流上升至額定電流時，應(yīng)適當(dāng)加大下噴水口壓力，以使電流下降到正常水平。貫入時，導(dǎo)管斜度應(yīng)小于2°，否則需重新進(jìn)行貫入造孔。當(dāng)振沖器貫入到距離設(shè)定孔底30cm左右時，應(yīng)降低下噴水口壓力到50kPa以下，同時增大上補(bǔ)水口流量，以充分滿足孔內(nèi)飽和用水及擴(kuò)返水的要求。
4)逐段振密:在進(jìn)行填料的振密時，應(yīng)自下而上逐段振密。一般情況下振沖器每提升0.2～0.3m應(yīng)以振留時間控制振擠效果，其中中細(xì)砂應(yīng)振留時間長些，粗砂可相對短些。為保證振沖加密效果，一般下部的振留時間應(yīng)適當(dāng)比上部長一些，從而使振料充分下沉。
5)應(yīng)控制填料速度，均勻填料。在實際振沖填料時，應(yīng)在振沖孔周圍均勻填料，并使之充滿振沖器周圍以防止振沖器發(fā)生偏移，同時應(yīng)控制調(diào)料速度不應(yīng)過快，否則會堵塞孔口，影響填料下沉。填料時，應(yīng)防止一次性加料過多，造成孔內(nèi)骨料過多，使振沖器產(chǎn)生卡殼、斷樁等現(xiàn)象。
6)如在振沖過程中遇到硬夾層或者黏土層時，應(yīng)使振沖器上下往復(fù)振沖、填料，保證振沖質(zhì)量均勻。如遇到石塊等，可振留幾分鐘將石塊震碎或擠開。
2.4振沖加固質(zhì)量檢驗
為了確定采用振沖法進(jìn)行加固的壩體地基加固效果，在施工完畢后應(yīng)對其加固質(zhì)量進(jìn)行檢驗以確定加固效果能否達(dá)到預(yù)期，一般可采用靜力觸探法、標(biāo)準(zhǔn)貫入法、波速法進(jìn)行檢查測定。對于孔位檢驗數(shù)量，施工中應(yīng)根據(jù)相關(guān)質(zhì)量控制規(guī)范確定，每振沖500個孔應(yīng)進(jìn)行一次檢驗，每次檢驗應(yīng)至少測3組數(shù)據(jù)，包含樁身、二樁間、三樁間，沿孔每米測試一次。
3結(jié)語
本文通過對某水庫主壩地基砂土地質(zhì)進(jìn)行分析，提出了該主壩地基后期可能存在的問題，闡述了對庫區(qū)地基進(jìn)行加固處理的必要性。通過對幾種加固方法的對比，確定了振沖法為最終加固方案，并對振沖加固施工方法進(jìn)行了分析介紹，通過上述介紹說明了振沖加固砂土地基的原理主要是通過振擠、浮振等使振沖孔附近的砂粒液化并重新排列，最終通過固結(jié)作用使振沖孔附近砂土振密加固，同時介紹了振沖加固法的施工方法及填料選取原則等與加固質(zhì)量息息相關(guān)的問題。對于填料選取來講，一般對于水庫上游振沖加固，采用碎石其加固效果較好。然而從經(jīng)濟(jì)角度考慮，若能就地取材，并使其達(dá)到設(shè)計要求，則應(yīng)考慮就地取材。最后介紹了振沖加固的質(zhì)量檢測方法，通過試驗檢測保證地基加固效果。
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作者:郭濤 單位:新疆烏蘇市水利管理站