深厚砂層地基振沖灌漿加固處理技術(shù)研究

劉海軍

(吉林省現(xiàn)代城建軌道交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130031)

0 引言

對(duì)于在砂土特別是厚層砂土地基中修建結(jié)構(gòu)物，大都困難重重，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致基坑不能成形或即使成形也不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)垮塌事故［1-2］。福堂水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)的長(zhǎng)江一級(jí)支流岷江中上游，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量360 MW。閘址距汶川縣城15 km，最大閘高31 m，閘長(zhǎng)187 m。閘基防滲采用混凝土防滲墻，墻軸線長(zhǎng)195.81 m，墻深18～45 m，直線工期120 d。依據(jù)壩址地質(zhì)條件和壩體形狀與尺寸、壩體土體自重及其承受的附加應(yīng)力，綜合正常設(shè)計(jì)及施工技術(shù)，在澆筑防滲墻時(shí)必須采取開挖置換的方法進(jìn)行地基處理。但是，如果在揭露出深厚砂層過(guò)程中，開挖至厚砂層地下水位以下時(shí)，再采取置換處理已不現(xiàn)實(shí):一是不能確保工期，二是成本太高，三是壩體安全與穩(wěn)定得不到保證。

福堂水電站閘基防滲墻軸線0+090～0+110.0段出現(xiàn)面積為500 m2，厚3～15 m、寬約20 m的深厚砂層，且大部分砂層處于地下水位以下。河床地層結(jié)構(gòu)有3層，具體如下:①填土層:灰色、褐色，松散至稍密，主要由山坡土組成，含有碎石和大量黏土，層厚1～3 m。②粉質(zhì)黏土層:黃褐色，砂及粉質(zhì)土層，系堰塞湖相沉積物，一般厚3～15 m，透水性微弱。③松散砂卵石層:卵石含量約占5% ～8%，其余大部分為灰褐色的砂粒，砂粒徑為0.2～3.0 mm，承載力較低，遇水易液化，厚度為10～20 m。

從施工實(shí)踐看，在上述厚砂層特別是在地下水位以下開挖并澆筑防滲墻時(shí)，砂層都會(huì)出現(xiàn)流態(tài)并且基坑垮塌嚴(yán)重，基坑成形困難，嚴(yán)重影響大壩的穩(wěn)定和工程建設(shè)的安全、質(zhì)量與工期。因此，必須研究出更為合理及可行的閘基防滲處理方法和技術(shù)，才能確保混凝土防滲墻成槽施工順利、安全，并完全達(dá)到閘基承載力要求。

1 加固處理方案分析

1.1 處理后壩體強(qiáng)度要求分析

因砂土的粘聚力基本為零，其內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)均較差，必須增大砂土地基的強(qiáng)度并適當(dāng)降低其可壓縮性。依據(jù)地基處理理論要求［3-4］，結(jié)合厚層砂開挖難以成形的實(shí)際情況，選擇振沖碎石樁作為散體材料樁。利用碎石置換砂土以及通過(guò)擠密土體而形成較高強(qiáng)度的樁柱體，來(lái)提高承載力并減小沉降，從而加固砂土，使得基坑能夠成形且穩(wěn)定。由電站大壩設(shè)計(jì)規(guī)模及成壩后的蓄水高度分析，結(jié)合河床基礎(chǔ)承載要求與沉降允許范圍，經(jīng)振沖加密處理后的復(fù)合地基壓縮模量和抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)應(yīng)比原土層有較大提高。在振沖后，內(nèi)摩擦角提高到23°以上，壓縮模量應(yīng)大于23 MPa，復(fù)合地基承載力須大于200 kPa，并具有抗液化能力，才能滿足壩體承載力要求。

1.2 處理方案分析

振沖設(shè)備選擇適合深層砂粒地層振沖處理的100 kW振沖器。振沖器具有穿透力強(qiáng)、造孔速度快、“抱孔”現(xiàn)象少且成樁深度大等優(yōu)勢(shì)。按地基加固技術(shù)［5］，得出具體設(shè)計(jì)方案及其參數(shù)如下:

1)振沖碎石樁的間排距為1.5～2.0 m，平均間排距1.7 m，按梅花形布置;

2)振沖深度以穿過(guò)深厚的砂層為原則(3～15 m)，個(gè)別孔深達(dá)20.0 m;

3)孔位誤差不大于10 cm，密實(shí)電流為80～130 A，留振時(shí)間為10～15 s，加密段長(zhǎng)0.5 m，填料粒徑為20～40 mm。

4)振沖加固后地表1m左右范圍內(nèi)由于上部壓力小，密實(shí)度不易保證，作挖除處理。

2 加固處理施工及其效果分析

施工過(guò)程中，振沖加固地層的順序視土質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)條件而定，一般可由里向外施工或由一邊向另一邊順次進(jìn)行施工。由于福堂水電站地層條件較差，并且在振沖加固范圍附近有易受振沖影響的坡體，因而采用鄰近坡體的一邊開始施工，逐步向遠(yuǎn)坡體方向推移。福堂電站砂層處理施工中，制作碎石樁441根，平均樁長(zhǎng)13.5 m，總進(jìn)尺5 953.5 m，每 m2平均填料0.9 m3，共回填碎石5 400 m3，獲得了較好的效果。

2.1 施工工藝及流程

施工工藝及流程為:確定孔位→吊車和振沖器就位→啟動(dòng)振沖器→振沖器沖貫入地層直達(dá)設(shè)計(jì)深度→下入填充料(二級(jí)配碎石)并自下而上分段振沖密實(shí)→全孔加固結(jié)束形成樁后→固結(jié)灌漿→孔位轉(zhuǎn)移，具體見圖1。

圖1 施工工藝流程

2.2 振沖施工

1)造孔:振沖器貫入地層造孔時(shí)，振沖時(shí)的水壓大小主要取決于地層情況，一般保持0.03～0.08 MPa，貫入速度一般在1～2 m/min內(nèi)，振沖造孔施工見圖2。

圖2 振沖造孔施工

2)填料:采用自下而上邊振動(dòng)邊填料的方法，從孔口四周均勻下料，填料時(shí)保持小水量供給，使填料處于飽和狀態(tài)。當(dāng)填料粒徑較大時(shí)，將振沖器提出孔口再加填料，每次加料數(shù)量不超過(guò)成樁面0.5 m，填料后保證振沖器能貫入到原提起前深度，防止發(fā)生漏振。

3)振密:振沖樁的密實(shí)程度以振沖器電機(jī)工作時(shí)顯示的電流為控制標(biāo)準(zhǔn)，福堂水電站砂層中使用100 kW振沖器施工，當(dāng)電流值達(dá)到80～130 A時(shí)為振沖密實(shí)。

4)灌漿:振沖完畢后，采用0.5∶1.0的純水泥漿進(jìn)行充填式灌漿處理。因振沖時(shí)填入了級(jí)配料，在灌漿時(shí)能順利灌入水泥漿液，整個(gè)砂及級(jí)配料形成一個(gè)二級(jí)配混凝土實(shí)體，能達(dá)到混凝土防滲墻成槽及壩基承載力要求。

5)施工質(zhì)量控制:影響振沖施工質(zhì)量的主要因素包括制樁電流、加密段長(zhǎng)度、留振時(shí)間、填料量等。由于工程設(shè)計(jì)要求比較高，施工難度大，故針對(duì)在該地層中的粉土樁體不易密實(shí)的問(wèn)題，采取了適當(dāng)提高制樁電流、延長(zhǎng)留振時(shí)間、減小加密段長(zhǎng)度、孔位的偏差控制等相應(yīng)措施，以保證該土層部位樁體的密實(shí)度，從而確保振沖施工質(zhì)量。

2.3 加固效果檢測(cè)與分析

砂土處理后，測(cè)得相對(duì)密度由53%提高到80%以上，為原始密度的 150.9%。另外依據(jù)檢測(cè)技術(shù)［6-7］，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力承載力試驗(yàn)以及局部開挖檢查等方法，在施工7 d后對(duì)福堂電站砂層處理效果進(jìn)行了檢測(cè)。

1)標(biāo)準(zhǔn)貫入檢驗(yàn):振沖施工完畢后，對(duì)部分振沖樁進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入檢驗(yàn)。在此僅列出5-4#孔標(biāo)準(zhǔn)貫入檢驗(yàn)結(jié)果，見表1。由表1可知，經(jīng)振沖后，壩基砂層平均標(biāo)貫數(shù)由12.5擊提高到37.8擊，為原來(lái)?yè)魯?shù)的302.4%，大大增強(qiáng)了地基承載力。

表1 5-4#檢查孔標(biāo)準(zhǔn)貫入檢驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

2)復(fù)合地基承載力試驗(yàn):振沖施工完畢后，對(duì)3根樁進(jìn)行了單樁復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表 2可知，加固處理后，地基承載力平均達(dá)231.5 kPa，最大沉降為52.13 mm，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表2 加固后地基承載力試驗(yàn)結(jié)果

3)復(fù)合地基變形模量及文克爾系數(shù)(即基床系數(shù))分析:依據(jù)文獻(xiàn)［8］，對(duì)加固后地基變形模量進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。由表3可知，在相同參數(shù)條件下，因散粒體構(gòu)成碎石樁使其密實(shí)度受到較大影響，試驗(yàn)得出的變形模量差異較大，符合實(shí)際情況。

表3 計(jì)算分析結(jié)果

4)復(fù)合地基承載力分析結(jié)果見圖3。從圖3可知，11-5#樁的復(fù)合地基載荷試驗(yàn)P-S曲線沒有明顯拐點(diǎn)，與復(fù)合地基的工程特性相符合。

依據(jù)載荷試驗(yàn)結(jié)果，綜合其他檢測(cè)方法得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析出復(fù)合地基承載力特征值為230 kPa，復(fù)合地基變形模量為 25 MPa，文克爾系數(shù)為 0.019 N/mm3。說(shuō)明采用振沖灌漿加固后，砂土的各力學(xué)指標(biāo)得到較好的改善，樁體密實(shí)度良好，地基承載力得到了較大的提高，完全可以滿足工程實(shí)際需要。

圖3 11-5#樁的復(fù)合地基荷載試驗(yàn)P-S曲線

3 結(jié)論

1)福堂水電站閘基砂層抗震加固工程表明，對(duì)砂土特別是厚砂層采用振沖灌漿加固處理方案是切實(shí)可行的。施工中采用的碎石樁及其布置參數(shù)，以及每m2用碎石填料0.5 m3，可使砂土的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)得到較好的改善且樁體密實(shí)度良好。地基承載力得到了顯著提高，可確保電站閘基混凝土防滲墻成槽施工，完全能夠滿足工程實(shí)際需要。

2)應(yīng)用100 kW振沖器在振沖施工中具有較大的優(yōu)越性，施工效率大幅提高，對(duì)碎石樁及樁間土加密效果顯著增強(qiáng)，并能解決部分土層中因含大塊石而無(wú)法成孔問(wèn)題。

3)因砂土地基本身及施工條件的復(fù)雜性，采用振沖灌漿方法對(duì)其加固處理，還須對(duì)碎石樁規(guī)格、樁位參數(shù)、填料量及其對(duì)砂土地基強(qiáng)度的影響進(jìn)行進(jìn)一步研究。

［1］王峰.振沖法加固軟土地基的設(shè)計(jì)、施工及其發(fā)展［J］.江蘇建筑，2009(4):70-73.

［2］李增華.振沖碎石樁加固鐵路路基的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(12):89-91.

［3］鮑德松，于洪剛，張全勇.振沖碎石樁技術(shù)在地基處理中的應(yīng)用［J］.巖土工程界，2009，12(11):31-33.

［4］楊玉春，郜玉虎，孫艷春.振沖法加固地基設(shè)計(jì)［J］.黑龍江水利科技，1998(14):61-63.

［5］龔曉南.地基處理新技術(shù)［M］.西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

［6］唐賢強(qiáng).地基工程原位測(cè)試技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1993.

［7］馮偉，王俊杰，楊偉.哈達(dá)山工程土壩砂土振沖加密試驗(yàn)檢測(cè)分析［J］.資源環(huán)境與工程，2009，23(5):663-666.

［8］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50021—94 巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1995.