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      明渠工程中濕陷性黃土地基處理方法比選

      2023-04-15 07:09:47張同凱
      東北水利水電 2023年3期
      關(guān)鍵詞:土基粉土陷性

      張同凱

      (新疆伊犁河水利水電投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司,新疆烏魯木齊 830000)

      1 工程概況

      新疆某干渠工程主要由明渠、隧洞、水閘、矩形槽、渡槽及交叉建筑物等組成,總長128 km,設(shè)計(jì)流量60~20 m3/s,工程為Ⅰ等大(1)型工程。明渠工程某段布置于山坡斜坡上,縱坡1/10 000,梯形斷面,渠深4.7 m,該段渠道建基面表層粉土多來源北部丘陵區(qū)的黃土,屬次生黃土,具有濕陷性,累計(jì)總長度約27 km。渠道南側(cè)北山坡坡下有高速、國道、農(nóng)田、居民區(qū)及工廠等重要保護(hù)對(duì)象,因此,處于濕陷性土層內(nèi)的北山坡渠段基礎(chǔ)均需進(jìn)行處理。

      2 地質(zhì)條件

      渠道沿線多溝梁相間的“W”型地形,多分布沖洪積含土碎石層及粉土,坡面為低液限粉土、粉土質(zhì)砂,厚度由坡頂向溝底逐漸變厚,夾碎石層,具有明顯水流搬運(yùn)痕跡。分布于溝底的粉土層厚10.0~20.0 m,兩岸斜坡粉土層厚5.0~10.0 m。輕微濕陷性黃土的濕陷系數(shù)為0.015~0.030,多位于地表以下5.0~7.0 m,局部達(dá)11.0 m;中等濕陷性黃土的濕陷系數(shù)為0.030~0.070,多位于地表以下2.0~3.0 m,少部分為地表以下4.0~5.0 m,局部達(dá)9.5 m。經(jīng)分析,北山坡區(qū)的表層粉土多來源于北部丘陵區(qū)的黃土,地表向深部延伸的濕陷系數(shù)呈逐漸變小的趨勢,由強(qiáng)濕陷性土逐漸變?yōu)橹械葷裣?、輕微濕陷、非濕陷土層。工程區(qū)濕陷性土巖性為低液限粉土、含砂低液限粉土,少部分為粉土質(zhì)砂,3 種巖性中均含有部分粘粒,含量為0.1%~4.8%,但塑性指數(shù)為7.2~13.9,不均勻系數(shù)為1.3~6.9,曲率系數(shù)為0.6~2.4,表層3.0~5.0 m 范圍內(nèi)濕陷系數(shù)為0.016 4~0.145 4。北山坡段粉土天然含水率分布很不均勻,且隨季節(jié)變化,天然含水率最大值為25.1%,最小值為0.7%,平均值為5.8%,大部分天然含水率為1.3%~13.0%,約占總量的92.0%。

      3 濕陷性黃土處理方案比選

      3.1 土基翻填或置換

      翻填是將存在濕陷性的黃土挖掉,但挖除的土仍具備作為填筑料使用的條件,其在制備場地進(jìn)行晾曬或?yàn)⑺苽浜?,再分層回填至基坑作為墊層。施工中應(yīng)加強(qiáng)控制土體含水率,宜控制在最優(yōu)含水率的0%~3.0%以內(nèi),經(jīng)現(xiàn)場壓實(shí)度碾壓試驗(yàn),該種濕陷性土最優(yōu)含水率為15.0%左右。置換與翻填施工原理基本相同,僅在填筑介質(zhì)上發(fā)生了改變,即棄用開挖土基,采用砂礫料、礫石土、灰土、水泥土、物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)更好的黃土作為回填料分層填筑基坑[2]。置換對(duì)周邊施工環(huán)境影響較小,機(jī)械設(shè)備的組織及施工工藝簡單,且對(duì)濕陷性土基的處理效果明顯,但施工投資較高,尤其現(xiàn)今砂礫料原材成本較前期增加明顯。因此,墊層土料翻填或置換方案適用于小范圍和淺濕陷性的基礎(chǔ)處理部位,如用在濕陷性土層厚小于2.0 m 及其他特殊部位的處理,特別是在水閘、排洪涵等重要建筑物濕陷性黃土基礎(chǔ)處理中,通過采用物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)更好的介質(zhì)進(jìn)行回填以增加基礎(chǔ)穩(wěn)定性,可起到較為明顯的效果。

      3.2 強(qiáng)夯

      強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理是將一定重量的重錘附加一定落距,將重錘自由落下,對(duì)土體施加一個(gè)巨大的沖擊力和能量,擠密土體間空隙,使土體發(fā)生物理變化,以提高地基強(qiáng)度,并由此改善土的液化條件,消除濕陷性。該方法一般有效處理深度達(dá)到3.0~7.0 m,但對(duì)土體的天然含水率有一定要求,土體天然含水量低于塑限含水量1.0%~3.0%時(shí),需進(jìn)行補(bǔ)水增濕,土體天然含水量大于塑限含水量3.0%時(shí),宜對(duì)土進(jìn)行晾干處理。施工中,首先確定地基有效加固深度及處理后地基土的強(qiáng)度、濕陷性和承載力,再確定合適的夯擊能、夯錘尺寸和落距等施工參數(shù),最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定夯點(diǎn)間距、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、最后兩擊夯沉量和間隔時(shí)間等設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)強(qiáng)夯試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)比對(duì),濕陷性土層厚2.0~3.0,3.0~4.0,4.0~5.0,5.0 m 以上時(shí),宜分別采用3 000,4 000,5 000,7 000 kN·m 夯擊能。強(qiáng)夯法所用設(shè)備較為簡單,原理直觀,在大范圍的土基處理施工中適用范圍廣泛,對(duì)于濕陷性黃土處理具有投資較低、加固速度快、施工簡便、效果好等優(yōu)點(diǎn),但施工中對(duì)周邊環(huán)境的影響較為明顯,3 000 kN·m 夯擊能就對(duì)80.0 m 范圍內(nèi)的土木房屋、果林等產(chǎn)生較為明顯的震感。尤其臨近重要建筑物(如高速公路、鐵路、廠房等周邊)施工時(shí),需提前測算強(qiáng)夯影響范圍和影響程度,采取一定措施增加安全距離或防護(hù)措施,確保不影響建筑物使用安全。

      3.3 擠密法

      擠密法是采用擠土成孔或非擠土成孔方式在地基土中成孔,通過分層填料,夯實(shí)或夯擴(kuò)成孔,擠密過程發(fā)生在成孔、成樁過程中。擠密法使樁間土性得到改良,增加土體密實(shí)度及承載力。該施工方法處理濕陷性基礎(chǔ)深度一般為5.0~15.0 m,適用于松散狀砂土、粘性土、粉土等地基,當(dāng)土的含水量低于12.0%,需要通過增濕對(duì)土層進(jìn)行處理[3]。此方法在施工過程中對(duì)周邊環(huán)境影響較小,對(duì)土基的處理深度較深,在應(yīng)對(duì)特殊結(jié)構(gòu)物地基具有濕陷性需要處理時(shí)有較好的效果。但其在施工質(zhì)量控制方面較為繁瑣,質(zhì)量檢測較為復(fù)雜,且施工工期長、投資較大,不適用于大范圍的建筑物土基處理。

      3.4 預(yù)浸水處理

      預(yù)浸水處理法是利用黃土地基浸水后自重濕陷的特征,在基礎(chǔ)處理過程中對(duì)地基進(jìn)行大面積地充分浸水,使土體在自重的作用下濕陷,從而達(dá)到消除地表下黃土的自重濕陷性。在進(jìn)行預(yù)浸水處理時(shí),需先通過現(xiàn)場的浸水試驗(yàn)以確定耗水量、浸水時(shí)間及濕陷處理效果。一般情況下,預(yù)浸水處理濕陷性黃土法對(duì)地表黃土層6.0 m 以下的地基有較好的效果,可大幅度減小土基濕陷性,但表土層部位因自重壓力偏低導(dǎo)致濕陷性處理不甚理想,浸水后表土層須換填處理。此外,預(yù)浸水處理需重點(diǎn)考慮施工的安全距離,浸水坑邊緣至已建建筑物或居民區(qū)的距離不宜小于50.0 m,并應(yīng)做好浸水施工對(duì)周邊場地邊坡穩(wěn)定性的測算和防范。采用預(yù)浸水法處理濕陷性黃土地基,土體的濕陷性有很大變化和改善,在應(yīng)對(duì)較大范圍的深度濕陷性地基處理時(shí)效果顯著,施工功法簡便、投資少。但預(yù)浸水處理在施工前應(yīng)著重考慮施工區(qū)的安全距離,在臨近居民區(qū)、重要工礦設(shè)施、高速公路等設(shè)施時(shí),預(yù)浸水處理將受到很大限制,應(yīng)加強(qiáng)防范附近地表可能產(chǎn)生開裂、下沉對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響。預(yù)浸水處理法的耗水量大,需要充足的水源供給,表層土要二次處理方可徹底消除濕陷性。在該渠道工程中,因臨近居民區(qū)和高速,且水源較少,因此未采用此工法。

      結(jié)合上文分析可知,當(dāng)工程地基存在大范圍濕陷性黃土需處理時(shí),采用強(qiáng)夯、預(yù)浸水法在有效地節(jié)約建設(shè)資金投入的同時(shí),對(duì)消除地基濕陷性起到較好的效果;當(dāng)建筑物工程較為重要,對(duì)地基濕陷性的處理效果要求較高,亦或在施工中受限于周邊環(huán)境影響,可采用土基翻填或置換、擠密法來消除地基濕陷性,以確保工程安全可靠。

      4 結(jié)語

      新疆某干渠工程規(guī)模大、外部環(huán)境復(fù)雜,尤其是北山坡渠段渠基為粉土,大多具有濕陷性,如若處理不到位,對(duì)輸水明渠尤其是工程中的建設(shè)物會(huì)造成極大的安全隱患,因此,對(duì)地基濕陷性展開處理具有重要意義。上文中列舉的土基翻填或置換、強(qiáng)夯等在該工程的濕陷性黃土地基處理中多有運(yùn)用,且起到了較好的效果。除擠密法、預(yù)浸水處理外,濕陷性黃土地基的處理方法還有防滲墻、排水法等。在實(shí)際的工程運(yùn)用中,要本著安全可靠、施工便捷、投資合理,并結(jié)合施工環(huán)境影響、基礎(chǔ)處理的必要深度等多重因素,選擇適用的基礎(chǔ)處理方案。

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