水利工程中砂土地基振冲加固方案

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［摘要］以某水库主坝地基振冲加固工程为背景，通过对工程环境以及工程区地质条件的分析发现工程区地基以砂土为主，可能存在地震液化、渗透失稳等问题，需对地基进行加固处理。通过对工程背景进行分析认为，选择振冲法进行加固较适宜。结合工程背景，对振冲法施工技术进行分析，重点研究了孔距设计原则、填料选取原则及质量品位判定规则、施工工艺方法介绍以及施工质量检测方法，对类似地质条件下的地基加固方案选择及施工工艺方法设计有一定参考价值。

［关键词］水利工程;砂土;振冲法;地基;加固

1工程概况

某水库主坝工程位于某河流干流中游地区，规划主坝建筑坝型为均质土坝，设计坝体最大高度为11m，坝顶宽6.5m，其上下游坡度为1∶2.5。该主坝坝基地层自下而上主要为碎石土、砂土、粉土和黏性土等，根据工程前期勘探发现，粉土、黏土、粉质黏土层地质条件均不稳定。通过试验研究结合地质勘探认为，坝区地基主要存在以下问题:

1)砂土地基层地震液化问题:根据动力试验及分析可以确定在该地区基本地震烈度为7度情况下，砂土地基存在地震液化可能，且以中等至严重液化为主，其液化深度一般位于9m以内。

2)渗透稳定性问题:经过渗透变形判定，由于工程地区地基各砂土层属于流土型，因此本工程区域地基砂土存在渗透变形破坏的可能性。

3)渗透淹没问题:工程地基层砂土与碎石层渗水性较强，水库蓄水后导致地下水位上升，可能产生渗透甚至淹没农田的问题。为解决以上存在的问题，需对坝体地基进行加固处理，加固方案曾考虑过强夯、翻挖、振冲等。但考虑到坝体加固需在水库正常运行的情况下实施，因此强夯和翻挖方案不可行，因此应选择振冲法对坝体进行加固。振冲加固砂坡主要是对砂土进行振动液化后重新填料固结提高砂土密度，振冲加固过程一般包括震挤、浮振和固结3个过程。振冲加固需在振冲器振动的同时对其进行射水，使孔洞附近砂土液化，同时将填料挤入孔壁，使土粒重新排列、压实。

2振冲施工方案分析

振冲施工方案设计主要包括:选择振冲机具、确定振冲孔距、填料要求、振冲施工工艺和方法等。在选择振冲机具前应确定加固施工要求，根据施工要求确定加工机具，以免产生浪费。本工程中振冲机具主要特征见表1

2.1振冲孔距的设计原则

实际施工中振冲孔距的选择是保证施工加固效果的重要内容，然而目前对于施工孔距的设计并没有一个精确的计算公式。本工程在初步设计时，参考式(1)、式(2)所示初步设计公式确定单位体积地基所需填料数量及孔距布置间隔:Va=(1+e1)(e0－e)(1+e0)(1+e)(1)式中:e0为加固前砂土孔隙比;e为加固后设计要求达到的孔隙比;e1为回填料孔隙比。d=V0.866SV槡a(2)式中:V为每孔填料数量，一般需根据试验情况确定;S为振冲孔深度;Va为单位体积坝体加固所需填料。然而由于在实际施工现场地质状况较复杂且施工工艺方面各工程有所不同，因此根据以上公式所计算的结果仅可作为参考值。一般在正式施工之前需要在现场根据计算结果进行试验，以检验设计孔距是否能够达到预期加密效果。试验时，一般在现场布置3组不同孔距的梅花型孔，每组包含7到10个孔。振冲施工试验完成后再分别在桩身、二桩间、三桩间检查振冲质量，并进行对比，选择既经济又能够满足设计紧密度要求的孔距。

2.2工程区土质分析及填料选取原则

工程区土质类型对于采用振冲法进行加固效果影响巨大，一般来说振冲法最适用于加密地下水位以下的松砂，对于级配曲线落入图1所示范围内的中、粗砂其加密效果更好。从本工程实际所处地质环境分析，采用振冲法对地基进行加固是比较适宜的。图1适用于振冲碎石桩的颗粒级配曲线范围为了达到良好的振冲加密效果，填料的选择也是至关重要的，一般来说填料中最好不应包含细砂土，而应优先选择洁净的粗砂、碎石、矿渣、砾石等为宜。当然也不易选择直径过大的砾石，砾石过大容易堵在连杆与孔隙之间，阻碍填料。一般填料的最大直径应控制在3～5cm，填料的品位优劣是一定时间内填料达到孔底数量的函数，因此可按式(3)计算填料品位，并按表2对其进行分级。Qm=1.71(D50)2+1(D20)2+1(D10)槡2(3)式中:Qm代表填料的品位数;D10、D20、D30分别代表填料中含量小于10%、20%、30%的颗粒的直径。表2填料评价标准品位数0～1010～2020～3030～50＞50分级很好好一般差不适合

2.3施工工艺方法设计

除此之外，施工工艺与方法的好坏也直接影响到工程的施工质量，影响振冲施工加固效果。因此，在实际施工过程中必须严格按照操作规程进行施工，特别是对于填料以及孔位布置工序。振冲加固的主要工序见图2。工程中拟采用净砂料作为填料，其具体施工方法如下:

1)放样定位:工程开始前应根据设计以及前期试验确定的孔位、孔距进行放样定位。

2)振冲器具定位:在确定孔位后应校正振冲器位置以保证振冲器偏差不宜过大，一般偏差不应大于5cm，校准时应使振冲器箭头对准桩位，开启下喷水口，利用喷出的水柱来校正振冲器位置。

3)贯入造孔，在振冲器定位完毕后，应拔出定位孔，并对振冲器下喷水口水压进行增压，使其增压到300至400kPa，同时应开启上补水口并保证其水压力不大于5kPa。当水流及振冲器正常后开始进行贯入造孔，一般贯入速度应控制在1～2m/min。贯入造孔过程中若电机电流上升至额定电流时，应适当加大下喷水口压力，以使电流下降到正常水平。贯入时，导管斜度应小于2°，否则需重新进行贯入造孔。当振冲器贯入到距离设定孔底30cm左右时，应降低下喷水口压力到50kPa以下，同时增大上补水口流量，以充分满足孔内饱和用水及扩返水的要求。

4)逐段振密:在进行填料的振密时，应自下而上逐段振密。一般情况下振冲器每提升0.2～0.3m应以振留时间控制振挤效果，其中中细砂应振留时间长些，粗砂可相对短些。为保证振冲加密效果，一般下部的振留时间应适当比上部长一些，从而使振料充分下沉。

5)应控制填料速度，均匀填料。在实际振冲填料时，应在振冲孔周围均匀填料，并使之充满振冲器周围以防止振冲器发生偏移，同时应控制调料速度不应过快，否则会堵塞孔口，影响填料下沉。填料时，应防止一次性加料过多，造成孔内骨料过多，使振冲器产生卡壳、断桩等现象。

6)如在振冲过程中遇到硬夹层或者黏土层时，应使振冲器上下往复振冲、填料，保证振冲质量均匀。如遇到石块等，可振留几分钟将石块震碎或挤开。

2.4振冲加固质量检验

为了确定采用振冲法进行加固的坝体地基加固效果，在施工完毕后应对其加固质量进行检验以确定加固效果能否达到预期，一般可采用静力触探法、标准贯入法、波速法进行检查测定。对于孔位检验数量，施工中应根据相关质量控制规范确定，每振冲500个孔应进行一次检验，每次检验应至少测3组数据，包含桩身、二桩间、三桩间，沿孔每米测试一次。

3结语

本文通过对某水库主坝地基砂土地质进行分析，提出了该主坝地基后期可能存在的问题，阐述了对库区地基进行加固处理的必要性。通过对几种加固方法的对比，确定了振冲法为最终加固方案，并对振冲加固施工方法进行了分析介绍，通过上述介绍说明了振冲加固砂土地基的原理主要是通过振挤、浮振等使振冲孔附近的砂粒液化并重新排列，最终通过固结作用使振冲孔附近砂土振密加固，同时介绍了振冲加固法的施工方法及填料选取原则等与加固质量息息相关的问题。对于填料选取来讲，一般对于水库上游振冲加固，采用碎石其加固效果较好。然而从经济角度考虑，若能就地取材，并使其达到设计要求，则应考虑就地取材。最后介绍了振冲加固的质量检测方法，通过试验检测保证地基加固效果。

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作者:郭涛 单位:新疆乌苏市水利管理站