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，需對地基進行加固處理。通過對工程背景進行分析認為，選擇振沖法進行加固較適宜。結合工程背景，對振沖法施工技術進行分析，重點研究了孔距設計原則、填料選取原則及質量品位判定規(guī)則、施工工藝方法介紹以及施工質量檢測方法，對類似地質條件下的地基加固方案選擇及施工工藝方法設計有一定參考價值。
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土壩，設計壩體最大高度為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、粉質黏土層地質條件均不穩(wěn)定。通過試驗研究結合地質勘探認為，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，且以中等至嚴重液化為主，其液化深度一般位于9m以內。
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，水庫蓄水后導致地下水位上升，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，需對壩體地基進行加固處理，加固方案曾考慮過強夯、翻挖、振沖等。但考慮到壩體加固需在水庫正常運行的情況下實施，因此強夯和翻挖方案不可行，因此應選擇振沖法對壩體進行加固。振沖加固砂坡主要是對砂土進行振動液化后重新填料固結提高砂土密度，振沖加固過程一般包括震擠、浮振和固結3個過程。振沖加固需在振沖器振動的同時對其進行射水，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
振沖施工方案設計主要包括:選擇振沖機具、確定振沖孔距、填料要求、振沖施工工藝和方法等。在選擇振沖機具前應確定加固施工要求，根據(jù)施工要求確定加工機具，以免產(chǎn)生浪費。本工程中振沖機具主要特征見表1
2.1振沖孔距的設計原則
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容，然而目前對于施工孔距的設計并沒有一個精確的計算公式。本工程在初步設計時，參考式(1)、式(2)所示初步設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為加固后設計要求達到的孔隙比;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)場地質狀況較復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)計算結果進行試驗，以檢驗設計孔距是否能夠達到預期加密效果。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、三樁間檢查振沖質量，并進行對比，選擇既經(jīng)濟又能夠滿足設計緊密度要求的孔距。
2.2工程區(qū)土質分析及填料選取原則
工程區(qū)土質類型對于采用振沖法進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所示范圍內的中、粗砂其加密效果更好。從本工程實際所處地質環(huán)境分析，采用振沖法對地基進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到良好的振沖加密效果，填料的選擇也是至關重要的，一般來說填料中最好不應包含細砂土，而應優(yōu)先選擇潔凈的粗砂、碎石、礦渣、礫石等為宜。當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控制在3～5cm，填料的品位優(yōu)劣是一定時間內填料達到孔底數(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填料評價標準品位數(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量，影響振沖施工加固效果。因此，在實際施工過程中必須嚴格按照操作規(guī)程進行施工，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:工程開始前應根據(jù)設計以及前期試驗確定的孔位、孔距進行放樣定位。
2)振沖器具定位:在確定孔位后應校正振沖器位置以保證振沖器偏差不宜過大，一般偏差不應大于5cm，校準時應使振沖器箭頭對準樁位，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，應拔出定位孔，并對振沖器下噴水口水壓進行增壓，使其增壓到300至400kPa，同時應開啟上補水口并保證其水壓力不大于5kPa。當水流及振沖器正常后開始進行貫入造孔，一般貫入速度應控制在1～2m/min。貫入造孔過程中若電機電流上升至額定電流時，應適當加大下噴水口壓力，以使電流下降到正常水平。貫入時，導管斜度應小于2°，否則需重新進行貫入造孔。當振沖器貫入到距離設定孔底30cm左右時，應降低下噴水口壓力到50kPa以下，同時增大上補水口流量，以充分滿足孔內飽和用水及擴返水的要求。
4)逐段振密:在進行填料的振密時，應自下而上逐段振密。一般情況下振沖器每提升0.2～0.3m應以振留時間控制振擠效果，其中中細砂應振留時間長些，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適當比上部長一些，從而使振料充分下沉。
5)應控制填料速度，均勻填料。在實際振沖填料時，應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，同時應控制調料速度不應過快，否則會堵塞孔口，影響填料下沉。填料時，應防止一次性加料過多，造成孔內骨料過多，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，應使振沖器上下往復振沖、填料，保證振沖質量均勻。如遇到石塊等，可振留幾分鐘將石塊震碎或擠開。
2.4振沖加固質量檢驗
為了確定采用振沖法進行加固的壩體地基加固效果，在施工完畢后應對其加固質量進行檢驗以確定加固效果能否達到預期，一般可采用靜力觸探法、標準貫入法、波速法進行檢查測定。對于孔位檢驗數(shù)量，施工中應根據(jù)相關質量控制規(guī)范確定，每振沖500個孔應進行一次檢驗，每次檢驗應至少測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結語
本文通過對某水庫主壩地基砂土地質進行分析，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量息息相關的問題。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)濟角度考慮，若能就地取材，并使其達到設計要求，則應考慮就地取材。最后介紹了振沖加固的質量檢測方法，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