上游圍堰深厚軟弱地基處理研究

庹 曉 軍， 古 小 夢(mèng)， 龔 澤 鵬

(華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在工程建設(shè)中，當(dāng)天然地基不能滿足建(構(gòu))筑物對(duì)地基的要求時(shí)，需對(duì)天然地基進(jìn)行加固改良，形成人工地基，以滿足建(構(gòu))筑物對(duì)地基的要求，保證其安全與正常使用，這種地基加固改良稱為地基處理。地基處理的目的是利用換填、夯實(shí)、擠密、排水、膠結(jié)、加筋和熱學(xué)等方法對(duì)地基土進(jìn)行加固，用以改良地基土的工程特性。

振沖法是一種常見(jiàn)的地基處理方式，該技術(shù)起源于德國(guó)，我國(guó)在20世紀(jì)70年代初期引進(jìn)了振沖碎石樁施工技術(shù)，國(guó)外一般施工深度在20 m以內(nèi)。由于地基處理技術(shù)應(yīng)用時(shí)間短，復(fù)合地基理論相對(duì)落后于工程實(shí)際，且不成熟，因此，復(fù)合地基的作用機(jī)理和設(shè)計(jì)理論還需作進(jìn)一步研究[1-3]。

掛哇水電站上游圍堰地基覆蓋層最大深度達(dá)71.63 m，其中湖相沉積低液限黏土和粉土層厚約50 m，需處理的深度國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)，致使工程建設(shè)面臨巨大難題和挑戰(zhàn)，且無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

本文基于圍堰地基的特點(diǎn)，計(jì)算了圍堰堰坡穩(wěn)定、應(yīng)力、變形，對(duì)超深振沖碎石樁處理方案進(jìn)行數(shù)值分析驗(yàn)證，并在圍堰工程施工中對(duì)施工技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新。通過(guò)超深振沖碎石樁的處理應(yīng)用，總結(jié)出設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)評(píng)價(jià)的系列經(jīng)驗(yàn)，可為其他類似工程提供借鑒。

1 上游圍堰情況分析

上游圍堰是土石圍堰，最大堰高約60 m，采用“塑性混凝土防滲墻+帷幕灌漿+復(fù)合土工膜斜墻”進(jìn)行防滲，地基覆蓋層按物質(zhì)組成由上至下分為四層：Qal-5、Ql-3、Ql-2、Qal-1。其中Qal-5為河床沖積砂卵石層夾少量漂石層，厚度2.15～7.2 m；Ql-3層為堰塞湖相沉積層，含淤泥質(zhì)粉砂、黏土質(zhì)砂，厚度14.7～18.1 m；Ql-2層，堰塞湖相沉積層，以砂質(zhì)低液限黏土為主，層厚為31.4 m；Qal-1層為卵石、塊石夾砂，堰基區(qū)域最深處厚度18 m。地基中湖相沉積低液限黏土和粉土層厚約50 m，允許承載力100～150 kPa，抗剪強(qiáng)度僅30 kPa左右，變形模量?jī)H5～8 MPa，厚度大、承載力低、滲透系數(shù)低、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高。

上游圍堰與大壩基坑形成的聯(lián)合邊坡高達(dá)130 m，圍堰及堰基穩(wěn)定是保障大壩基坑開(kāi)挖和壩體填筑安全的關(guān)鍵，而工程設(shè)計(jì)及施工難度國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)，所面臨的挑戰(zhàn)極其復(fù)雜。

1.1 地質(zhì)條件復(fù)雜

湖相沉積具有“厚度大、承載力低、滲透系數(shù)低、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高”等特點(diǎn)，邊坡穩(wěn)定問(wèn)題突出。

1.2 工程規(guī)模大

圍堰擋水庫(kù)容達(dá)2.8億m3，擋水時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5年之久，是金沙江上游梯級(jí)開(kāi)發(fā)中攔蓄潰泄洪水的重要建筑物。

1.3 控制豎直沉降及水平變形技術(shù)難度大

在天然地基條件下，上游圍堰填筑后覆蓋層最大沉降量約3.5 m，下游坡腳最大水平位移約3.4 m，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性及防滲墻體、堰體土工膜變形問(wèn)題突出。

1.4 理論研究存在較多技術(shù)難題

(1)圍堰地基覆蓋層縱向、橫向分布不均勻，土層特性差別大；

(2)湖相沉積軟弱土體本身屬于非線性、不連續(xù)介質(zhì)，具有黏彈塑性特征；

(3)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》及《水電水利工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)土質(zhì)邊坡推薦采用極限平衡法，但采用極限平衡法計(jì)算出的安全系數(shù)和采用有限元應(yīng)力法計(jì)算滑弧穩(wěn)定安全系數(shù)對(duì)穩(wěn)定進(jìn)行判別缺乏依據(jù)；

(4)樁與土的結(jié)合面特性不易模擬，樁體發(fā)生水平變形后，受力特征相應(yīng)發(fā)生變化，以致計(jì)算模型不易處理，并且計(jì)算工作量巨大；

(5)深度超過(guò)70 m的超深振沖碎石樁無(wú)實(shí)施案例，施工技術(shù)難度高；

(6)現(xiàn)行規(guī)范觸探檢測(cè)桿長(zhǎng)修正系數(shù)的范圍為20 m，處理深度超過(guò)了現(xiàn)行規(guī)范，尚無(wú)超深處理質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)價(jià)方法。

2 處理方案優(yōu)選

上游圍堰地基處理主要目的是提高排水效果，加速地基固結(jié)，同時(shí)提高基礎(chǔ)承載力，減少沉降變形?？紤]處理深度超70 m，采用換填墊層法、強(qiáng)夯法和排水固結(jié)法等處理深度有限，加筋法適宜于邊坡處理，灌漿法對(duì)滲透系數(shù)較小的黏土處理效果差，高壓噴射注漿法、水泥土攪拌法、水泥粉煤灰碎石樁、地下連續(xù)墻屬于剛性或半剛性處理方式，不適合處理柔性的土石圍堰基礎(chǔ)。碎石樁既能通過(guò)換填和擠密作用提高地基承載力，又能通過(guò)樁孔內(nèi)充填碎石(卵、礫石)等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，有效消散和防止超孔隙水壓力的增高，并可加快地基的排水固結(jié)，選擇碎石樁作為本工程地基處理的主要方式[4-6]。

2019年10月，上游圍堰地基處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用SV70振沖碎石樁機(jī)成功實(shí)施了13根最大深度55 m的振沖碎石樁，并經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)成樁質(zhì)量良好。最終，確定上游圍堰地基選擇振沖碎石樁進(jìn)行處理。

3 處理效應(yīng)數(shù)值分析

3.1 處理方案

通過(guò)采用極限平衡法計(jì)算分析，上游圍堰上游邊坡受枯水位圍堰填筑期控制，下游聯(lián)合邊坡受圍堰高水位基坑開(kāi)挖完成后控制。通過(guò)碎石樁不同間排距布置方案計(jì)算分析比選，最終確定的碎石樁處理方案為：樁徑不小于1 m，樁長(zhǎng)貫穿堰塞湖沉積層；堰基上游部分(防滲墻至堰軸線下游約30 m)采用3 m的樁間排距，處理寬度約為177 m；堰基下游部分采用2.5 m的樁間排距，處理寬度約為173 m。

3.2 分析內(nèi)容

重點(diǎn)對(duì)復(fù)合地基孔隙水壓力系數(shù)、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選擇、上下游堰坡穩(wěn)定性、復(fù)合地基應(yīng)力及變形等內(nèi)容進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，復(fù)核選定的加固處理方案和加固處理后地基的應(yīng)力變形，以保障上下游堰坡穩(wěn)定的安全性。

3.3 計(jì)算方法

主要進(jìn)行孔隙水壓力系數(shù)、堰坡穩(wěn)定性分析、復(fù)合地基應(yīng)力變形分析三塊計(jì)算，其中孔隙水壓力系數(shù)基于太沙基固結(jié)理論或砂井固結(jié)理論；堰坡穩(wěn)定性分析又分為抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法及安全系數(shù)計(jì)算，抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧法或簡(jiǎn)化畢肖普法[7]，安全系數(shù)的計(jì)算采用摩根斯頓—普賴斯法；上游圍堰地基采用基于比奧固結(jié)理論的數(shù)值方法來(lái)求解?；诒葕W固結(jié)理論，通過(guò)求解土體平衡方程、孔隙流體流動(dòng)方程、幾何協(xié)調(diào)條件、土體本構(gòu)模型和達(dá)西定律聯(lián)立組成的微分方程組，在給定初始條件和邊界條件的前提下，可求得計(jì)算域內(nèi)應(yīng)力變形場(chǎng)和孔隙流體流場(chǎng)的變化過(guò)程。

3.4 參數(shù)研究

3.4.1 復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

考慮到圍堰地基全面加固，在圍堰加載及水壓力作用下，碎石樁與樁間土聯(lián)合承載、同步協(xié)調(diào)變形，按復(fù)合地基模式分析圍堰及堰基總體結(jié)構(gòu)安全相對(duì)較適合本工程特性，同時(shí)也符合現(xiàn)行規(guī)范，圍堰設(shè)計(jì)方案以復(fù)合地基模式下計(jì)算出的圍堰變形、穩(wěn)定安全系數(shù)為基本依據(jù)。

復(fù)合地基的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按照DL/T5214-2016《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》第4.2.4條的規(guī)定計(jì)算。

tanφsp=mμptanφp+(1-mφp)tanφs

(1)

csp=(1-mμp)cs

(2)

式中φsp和csp分別是振沖復(fù)合地基的等效內(nèi)摩擦角和等效黏聚力；φp是樁體材料的內(nèi)摩擦角；φs和cs分別是樁間土的內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度；μp是應(yīng)力集中系數(shù)，按照式(3)計(jì)算。

(3)

式中n為樁土應(yīng)力比，無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí)取2～4，樁間土強(qiáng)度低時(shí)取大值、強(qiáng)度高時(shí)取小值。上游圍堰堰塞湖沉積層厚度達(dá)50 m，碎石樁較長(zhǎng)，缺乏類似工程經(jīng)驗(yàn)，偏于安全取n=2。

m是置換率，定義為：

(4)

式中d0是樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均樁徑；de是樁的有效影響圓直徑，對(duì)于設(shè)計(jì)梅花型，de=1.13s，s為相鄰樁的中心距。

3.4.2 復(fù)合地基鄧肯模型(E-B)參數(shù)

復(fù)合地基的力學(xué)指標(biāo)，可以根據(jù)規(guī)范建議換算方案及根據(jù)樁、樁間土特性用有限元法模擬分析獲取。工程覆蓋層的深度已超出現(xiàn)行規(guī)范約定深度，同時(shí)規(guī)范未建議EB模型參數(shù)的換算方法，因此，本文采用有限元法根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理擬合復(fù)核地基參數(shù)。

假設(shè)從地基中截取一塊復(fù)合地基，對(duì)其開(kāi)展固結(jié)排水的三軸試驗(yàn)，施加等向圍壓后充分固結(jié)，再施加豎向荷載，則復(fù)合地基的豎向壓縮應(yīng)變記做ε1，由等應(yīng)變?chǔ)力姚壹僭O(shè)可得：

(5)

此時(shí)復(fù)合地基承擔(dān)的豎向平均應(yīng)力σ1為：

(6)

復(fù)合地基的體應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(7)

3.5 計(jì)算成果

上游圍堰壩坡穩(wěn)定安全系數(shù)1.452，大于規(guī)范要求的安全系數(shù)1.2，滿足土石壩施工期壩坡穩(wěn)定的要求。

采用鄧肯E-B模型，應(yīng)力變形計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 應(yīng)力變形計(jì)算成果表

計(jì)算成果表明，竣工期、擋水期和基坑開(kāi)挖完成時(shí)，堰體及堰基的最大沉降分別為4 m、4.03 m和4.48 m，向上游的最大水平位移分別為1.42 m、0.89 m和0.84 m，向下游的最大水平位移分別為1.33 m、1.65 m和1.7 m。防滲墻在圍堰竣工期向上游移動(dòng)，向上游的墻頂位移約為0.08 m，擋水后轉(zhuǎn)為向下游移動(dòng)，墻頂向下游的位移約為0.7 m，基坑開(kāi)挖后墻頂向下游的位移進(jìn)一步增大到約0.85 m。防滲墻整體處于受壓狀態(tài)，僅頂部有局部小主應(yīng)力為負(fù)的情況，竣工期、擋水期和基坑開(kāi)挖完成時(shí)防滲墻的最大壓應(yīng)力分別約為1.25 MPa、3.29 MPa和6.25 MPa。

4 工程實(shí)施

4.1 實(shí)施情況

上游圍堰振沖碎石樁共完成4 552根，其中一期完成1 929根，784根未采用下設(shè)護(hù)筒工藝，振沖施工平臺(tái)填筑為水下填筑，無(wú)法碾壓，Qal-5層含有漂卵石，地質(zhì)條件復(fù)雜，左岸岸坡坡度大，下部有大塊孤石、漂石，造孔難度大；在未下設(shè)護(hù)筒工藝的施工過(guò)程中，多次發(fā)生卡鉆、造孔困難等問(wèn)題；進(jìn)行護(hù)筒下設(shè)后，成孔順利，沒(méi)有發(fā)生卡鉆等現(xiàn)象，振沖施工順利。SV70系列振沖碎石樁機(jī)在大型旋挖鉆機(jī)的基礎(chǔ)上研發(fā)出一種新型振沖碎石樁機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型小巧，使用方便，包含伸縮導(dǎo)桿系統(tǒng)及水氣聯(lián)動(dòng)防沉沙系統(tǒng)等，伸縮導(dǎo)桿系統(tǒng)具有5層套管，導(dǎo)桿的軸向長(zhǎng)度可調(diào)，以便改變所述振沖器系統(tǒng)相對(duì)地面的下放位置，每層套管的長(zhǎng)度為18～20 m；水氣聯(lián)動(dòng)防沉沙系統(tǒng)主要包括安置于伸縮式導(dǎo)桿內(nèi)并自上而下延伸到下端的注水管及注氣管、連接注水管的水泵、連接注氣管的氣泵、用來(lái)滑動(dòng)連接伸縮導(dǎo)桿頂層套管。SV70系列振沖碎石樁機(jī)對(duì)場(chǎng)地要求低，能適應(yīng)各種狹小施工場(chǎng)所的超深振沖樁施工，解決了現(xiàn)有超深振沖樁的施工設(shè)備對(duì)場(chǎng)地的限制問(wèn)題，適用于40～110 m深的振沖碎石樁的施工；二期完成2 623根，全部采用下設(shè)護(hù)筒工藝。

4.2 質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)價(jià)

碎石樁填料檢測(cè)最大干密度為2.26～2.38 g/cm3，平均值為2.33 g/cm3；碎石樁抗剪強(qiáng)度凝聚力為91～128 kPa，平均值為109 kPa，內(nèi)摩擦角為40.2°～42.5°，平均值為41.4°，滿足設(shè)計(jì)要求；各級(jí)配壓縮模量在0.4～0.8 MPa或0.8～1.6 MPa下大于50 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

重型動(dòng)力觸探檢測(cè)37根樁，樁身修正后平均重型動(dòng)力觸探擊數(shù)均大于15擊，滿足設(shè)計(jì)要求，合格率100%。

滲透試驗(yàn)檢測(cè)滲透系數(shù)最小值為1.11×10-2cm/s，最大值為9.36×10-2cm/s，均滿足不小于1×10-2cm/s的設(shè)計(jì)要求，合格率100%。

跨孔CT測(cè)試各樁在樁體范圍內(nèi)波速均較高，樁體填充良好，密實(shí)度較好。由兩側(cè)樁體向內(nèi)，波速逐漸降低，碎石樁對(duì)樁周土體有一定的擠密作用。

基于隨鉆技術(shù)的鉆孔過(guò)程指數(shù)DPI在0～2之間，樁體呈極密～密實(shí)狀態(tài)，與動(dòng)力觸探、滲透試驗(yàn)、CT測(cè)試成果一致。

4.3 施工技術(shù)創(chuàng)新

常規(guī)振沖碎石樁施工技術(shù)處理軟基深度不大于40 m，上游圍堰振沖碎石樁施工發(fā)明了超深振沖碎石樁機(jī)伸縮導(dǎo)桿及水氣管同步技術(shù)及SV70超深振沖碎石樁機(jī)，開(kāi)發(fā)了“超深護(hù)筒+上部旋挖引孔+下部振沖器造孔加密”的施工工藝，控制超深碎石樁偏斜度不大于5‰，保證了振沖碎石樁施工質(zhì)量，最大處理深度達(dá)71.63 m。

針對(duì)深厚覆蓋層超深振沖碎石樁隱蔽工程施工質(zhì)量控制難題[8]，建立了振沖施工過(guò)程樁體質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的映射關(guān)系，提出了超深振沖碎石樁施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)化信息監(jiān)測(cè)方法；研發(fā)了基于BIM+GIS技術(shù)的超深振沖碎石樁施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了施工質(zhì)量的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)；提出了基于隨鉆技術(shù)的振沖碎石樁施工密實(shí)度評(píng)價(jià)方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)研究超深振沖碎石樁處理深厚堰塞湖沉積物的理論、施工設(shè)備特性及施工工法，為國(guó)內(nèi)深厚軟弱地基處理積累了大量設(shè)計(jì)、施工及檢測(cè)評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)，具有一定的推廣價(jià)值。

(1)上游圍堰高60 m，基礎(chǔ)覆蓋層最大深度達(dá)71.63 m，碎石樁既能通過(guò)換填和擠密作用提高地基承載力，又能通過(guò)樁孔內(nèi)充填碎石(卵、礫石)等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，有效消散和防止超孔隙水壓力的增高，并可加快地基的排水固結(jié)，因此，選擇振沖碎石樁作為上游圍堰地基處理的主要方式。

(2)超深基礎(chǔ)振沖碎石樁施工處理后，地基得到明顯改善，其抗液化性能、承載和抗變形能力得到提高，并增強(qiáng)了原始地基的滲透性。工程施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果表明，所完成的振沖碎石樁施工質(zhì)量均滿足既定的技術(shù)參數(shù)要求。

(3)上游圍堰振沖碎石樁大規(guī)模成功應(yīng)用，系統(tǒng)解決了超深基礎(chǔ)振沖碎石樁設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量評(píng)價(jià)的難題，效果良好。在以后應(yīng)用中，需根據(jù)水利水電工程實(shí)際、工程地質(zhì)情況、施工條件等因素，對(duì)超過(guò)100 m的深厚覆蓋層地基處理進(jìn)行深入研發(fā)、論證；采用新方法對(duì)施工、成樁質(zhì)量等進(jìn)行多手段、多途徑檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證地基處理成樁質(zhì)量以及檢測(cè)結(jié)果的可靠性。