西霞院工程泄洪閘下夾砂層地基處理

□劉全鵬 □趙 寧 □梁曉軍(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司)

一、概述

小浪底水利樞紐西霞院反調(diào)節(jié)水庫(kù)工程是小浪底工程的配套工程，其開(kāi)發(fā)任務(wù)以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用，并為黃河向北供水創(chuàng)造有利條件。泄洪閘是工程的主要泄洪建筑物，超過(guò)1000m3/s后的洪水基本都由泄洪閘宣泄。泄洪閘閘基座坐落在砂礫石地層上，但在泄洪閘19#～21#閘孔基底下部夾砂層比較發(fā)育，最大的夾砂層厚度達(dá)9m左右，離閘底板最近處2～3m。較厚的夾砂層會(huì)引起地基不均勻沉降，其承載力也不滿足要求，不僅影響閘室的穩(wěn)定，還對(duì)閘室結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生一定的影響，且有夾砂層地基和無(wú)夾砂層地基的沉降差過(guò)大，易造成止水和結(jié)構(gòu)破壞。我們研究、分析、比較了各種地基處理加固方法，換填法、混凝土灌注樁、高壓旋噴樁和振沖碎石樁擠密加固法等措施。振沖法以其經(jīng)濟(jì)效益顯著、工藝簡(jiǎn)單、工期短、加固效果好等特點(diǎn)，最終被選定為本工程夾砂層的處理方案。

二、地層概況

（一）夾砂層分布

根據(jù)原始鉆孔資料和混凝土防滲墻試驗(yàn)段揭示的情況，閘基下砂礫石層中夾砂層較發(fā)育，在夾砂層較厚處而砂礫石層覆蓋層較淺，對(duì)閘室穩(wěn)定不利。夾砂層較厚的1#夾砂層主要分布在19#～21#開(kāi)敞式泄洪閘閘基下。開(kāi)敞式泄洪閘閘底板高程為113m，前、后齒的底高程110m，離夾砂層頂面高程106.1～107.6m較近，夾砂層底面高程98.0～101.5m，這一夾砂層透鏡體厚度在5.5～9.0m之間。2#夾砂層為夾砂層的北部條帶，分布在開(kāi)敞式泄洪閘第10#～12#孔閘基下，向下游變薄，南北寬約40m，根據(jù)原始資料所揭示的夾砂層頂面高程為105.2～106.1m，底面高程為102.5～103.5m。除1#、2#夾砂層分布相對(duì)穩(wěn)定外，其它厚度多在0.3～2.0m，呈小透鏡體狀分布，分布高程較低，頂面高程95.5～95.9m左右，底面高程93.5m左右。閘基下的1#夾砂層和2#夾砂層沿順河向呈條帶狀展布。2#夾砂層埋深相對(duì)較深，不存在液化問(wèn)題，經(jīng)試驗(yàn)承載力基本滿足要求，因此僅考慮處理1#夾砂層。

（二）地層特性

根據(jù)后期補(bǔ)充勘察的西霞院工程28組夾砂層原狀樣物理力學(xué)試驗(yàn)成果，該夾砂層屬密實(shí)～中密狀態(tài)?？紤]砂卵石分布不均一性，有夾砂層(礫質(zhì)砂層)透鏡體，以及砂卵石層的間斷級(jí)配，閘下地基砂卵石層較厚(最厚約32m)，且閘基砂卵石層(Q31)承載力標(biāo)準(zhǔn)值(特征值)為600kPa。礫砂層、夾砂層透鏡體分布較集中，以細(xì)砂、極細(xì)砂為主，局部為中砂，其顆粒級(jí)配接近級(jí)配良好砂的標(biāo)準(zhǔn)，按砂土新分類標(biāo)準(zhǔn)屬粉土質(zhì)砂。根據(jù)夾砂層的干密度平均值、孔隙比等，夾砂層屬密實(shí)狀態(tài)；以?shī)A砂層的滲透系數(shù)判定該夾砂層屬中等透水性；以?shī)A砂層的壓縮系數(shù)，判定該夾砂層總體上屬中等壓縮性土，局部為低壓縮性土；綜合分析，夾砂層總體上屬粉土質(zhì)砂，級(jí)配接近好砂的標(biāo)準(zhǔn)，呈密實(shí)或接近密實(shí)的中等密實(shí)狀態(tài)，屬中等壓縮性土，夾砂層的承載力特征值初步確定為 200～280kPa。

（三）夾砂層物理力學(xué)指標(biāo)

夾砂層物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1 夾砂層的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

三、處理方案比較

根據(jù)泄洪閘地基夾砂層的分布情況，進(jìn)行了以下幾種方案的比較。

（一）開(kāi)挖回填方案

按僅進(jìn)行1#夾砂層區(qū)域處理，原來(lái)已開(kāi)挖至114.00高程，二次開(kāi)挖按1∶1.5放坡至夾砂層底，然后回填砂卵石至閘底板底高程。此方案安全可靠，但工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，總費(fèi)用約為550萬(wàn)元。

（二）混凝土灌注樁

混凝土灌注樁的持力層選在夾砂層下部的砂礫石層，樁長(zhǎng)按正三角形布置，樁徑1.2m，間、排距為5.0，樁長(zhǎng)約20～30m。由于混凝土樁相對(duì)于砂礫石層的剛度較大，使地層處理后與不處理之間變形模量差距較大，將引起不均勻變形，并且處理夾砂層地基的費(fèi)用約高達(dá)850萬(wàn)元。

（三）高壓旋噴

根據(jù)基坑高壓旋噴試驗(yàn)成果，高壓旋噴可以有效地加固砂礫石層中的夾砂層。但施工中夾砂層上部的砂礫石地層若遇有孤行，將影響施工進(jìn)度，需要先用回旋鉆鉆透砂礫石層孤石而后再在夾砂層中旋噴，這樣費(fèi)用將很高。與混凝土灌注樁一樣，也存在不均勻變形。利用高壓旋噴樁處理夾砂層地基的費(fèi)用約為450萬(wàn)元。

（四）振沖碎石樁法處理

振沖碎石樁擠密加固法是按照正三角形布置振沖碎石樁，使碎石樁體與擠密后的樁間土形成復(fù)合地基。其作用原理是樁間土與碎石樁共同作用，彼此變形協(xié)調(diào)，共同承擔(dān)荷載。根據(jù)估算，采用振沖碎石樁法處理夾砂層地基的造價(jià)約為340萬(wàn)元。

經(jīng)過(guò)以上各種方案的綜合對(duì)比分析，振沖碎石樁擠密加固法以其經(jīng)濟(jì)效益顯著、工藝簡(jiǎn)單、工期短、加固效果好等特點(diǎn)，選定為本工程夾砂層處理的方案。根據(jù)目前振沖技術(shù)的現(xiàn)狀，西霞院泄洪閘基礎(chǔ)夾砂層透鏡體采用振沖碎石樁法處理是可行的。

四、振沖碎石樁設(shè)計(jì)

（一）樁長(zhǎng)與樁徑確定

根據(jù)承載力要求，碎石樁必須穿過(guò)較軟弱的夾砂層并進(jìn)入承載力相對(duì)較大、壓縮性較低的下部砂礫石層一定深度。初步按伸入下部砂礫石層0.5～1.5m考慮。根據(jù)地質(zhì)資料，樁長(zhǎng)大約在13～20m之間。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)施工設(shè)備的現(xiàn)狀，振沖碎石樁樁徑初步確定按1.0m設(shè)計(jì)。

（二）樁距確定

設(shè)計(jì)中按正三角形布置的振沖碎石樁，采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》擠密樁的公式(6.2.8-1)理論計(jì)算，為安全不考慮振動(dòng)下沉密實(shí)作用取ξ=1。樁距S與樁直徑d、天然孔隙比e0最大孔隙比e0及處理后要求達(dá)到的孔隙比e1的關(guān)系為：

地基擠密后要求達(dá)到的孔隙比，可根據(jù)工程對(duì)地基承載力的要求，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的公式8.2.2-3計(jì)算：

地基擠密后要求達(dá)到的相對(duì)密度Dr可按規(guī)范取0.80。

根據(jù)設(shè)計(jì)，地基擠密后要求達(dá)到的孔隙比

代入樁間距計(jì)算公式可得：s=2.54(m)，設(shè)計(jì)時(shí)取s=2.5m。

（三）復(fù)合地基的承載力特征值

復(fù)合地基的承載力特征值按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的公式(6.2.8-1)計(jì)算：

其中：fsp,k為復(fù)合地基的承載力特征值；fp,k為樁體單位面積的承載力特征值，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)資料，碎石樁承載力特征值可達(dá)700kPa以上；fs,k為擠密后樁間砂體單位面積的承載力特征值，根據(jù)工程資料當(dāng)夾砂層的孔隙比達(dá)到0.41時(shí)，其擠密后樁間砂體單位面積的承載力特征值fs,k在300～340kPa，本處取 fs,k為300kPa。

樁體相對(duì)于復(fù)合地基的面積置換率m為：

de-碎石樁等效影響圓的直徑，對(duì)于正三角形布置的圓形擠密振沖碎石樁，按規(guī)范取

經(jīng)計(jì)算得fsp,k=358.04(kpa)，取地基承載力允許值為fsp,k=350(kPa)，其最大值為允許值的1.2倍。

根據(jù)計(jì)算，采用振沖碎石樁擠密法對(duì)夾砂層進(jìn)行處理后能滿足泄洪閘基底應(yīng)力最大的應(yīng)力413.7kPa、平均最大271.1kPa的要求，并滿足沉降計(jì)算的要求。

（四）最終設(shè)計(jì)方案

西霞院工程對(duì)泄洪閘地基中砂礫夾砂層透鏡體處理的設(shè)計(jì)方案為：振沖碎石樁擠密法加固，樁按正三角形布置，樁體直徑1.0m，樁間距2.5m；樁體填料為粒徑20～80mm的級(jí)配碎石；處理范圍為泄洪閘下區(qū)域的1#夾砂層。

五、結(jié)語(yǔ)

振沖碎石樁法處理軟弱地基作為一種具有經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、工期短、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)的方法在西霞院工程得到應(yīng)用，施工完成后檢測(cè)結(jié)果合格，實(shí)踐證明設(shè)計(jì)是非常有效和合理的。采用振沖碎石樁擠密法加固的復(fù)合地基，通過(guò)成樁擠密過(guò)程中機(jī)械對(duì)周圍砂層產(chǎn)生的橫向擠壓力，使樁體范圍內(nèi)的砂體被擠向樁外，樁體周圍土層的孔隙比減小，密實(shí)度增大。樁體振密后和密實(shí)了的樁間土形成復(fù)合地基共同承載，改善并提高了地基承載力。由于碎石樁樁體材料透水性好的特殊性，縮短了土體固結(jié)時(shí)間；由于振沖碎石樁樁體以及周圍的砂層密實(shí)度增大，復(fù)合地基總體剪強(qiáng)度提高，壓縮模量增大，沉降量減少，并且在施工后碎石樁復(fù)合地基的整體物理力學(xué)性能更接近砂礫石地層，有效地減小了相臨建筑物不均勻沉降。