素土擠密樁法在金沙灘水庫壩基處理中的應(yīng)用

付 梁

(山西省萬家寨引黃工程管理局太原分局)

任何建筑物的荷載最終將通過基礎(chǔ)傳遞到地基上。凡是基礎(chǔ)直接建造在未經(jīng)加固的天然土層上時(shí)，這種地基稱為天然地基。若天然地基很軟弱，則事先要經(jīng)過人工處理，這種地基稱之為人工地基，其處理過程稱為“地基處理”(soil treatment)或“地基加固”(soil improvement)。地基處理方法主要分為:換土墊層法，振密、擠密法，排水固結(jié)法，置換法，加筋法和冷熱處理法等。土擠密樁法屬于地基處理方式中的振密、擠密法。

土擠密樁法由原蘇聯(lián)阿別列夫教授于1934年首創(chuàng)，并在工程中得到廣泛應(yīng)用。我國自20世紀(jì)50年代中期開始在西北黃土地區(qū)進(jìn)行土擠密樁法的研究和應(yīng)用。60年代中期，西安地區(qū)在土擠密樁法的基礎(chǔ)上成功地研究了灰土擠密樁法，并在70年代逐步推廣應(yīng)用。土擠密樁法是利用成孔過程中的橫向擠壓作用，將樁孔內(nèi)的土擠向周圍，使樁間土擠密，然后將素土填入樁孔內(nèi)，并分層夯填密實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。夯填密實(shí)的土擠密樁，與擠密的樁間土形成復(fù)合地基，上部荷載由樁體和樁間土共同承擔(dān)。對(duì)土擠密樁法，若樁體和樁間土密實(shí)度相同時(shí)，形成均質(zhì)地基。

土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土、雜填土等地基，處理地基深度一般為5－15 m。此法不僅常用于房建工程，也適合橋涵、道路和水利等工程，其具有原位處理、深層擠密和以土治土等特點(diǎn)，在我國西北和華北地區(qū)廣泛應(yīng)用于處理深厚濕陷性黃土、素填土和雜填土地基，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是一種比較理想的地基處理方式。

1 工程概況

1.1 概述

金沙灘水庫是萬家寨引黃入晉北干線上的一座調(diào)節(jié)水庫，位于朔州市懷仁縣新家園鄉(xiāng)尚希莊村，大峪河灌區(qū)東干渠的左側(cè)，庫址緊鄰引黃北干輸水線路。水庫的主要任務(wù)是調(diào)節(jié)引黃水量，保證8－9月間停止引水期間或當(dāng)輸水線路因意外事故而中斷供水時(shí)，利用庫存水量向大同、左云、山陰、懷仁等受水區(qū)持續(xù)供水。水庫校核洪水水位1 115.08 m，相應(yīng)庫容1 120.21萬m3;正常蓄水位1 114.89 m，相應(yīng)庫容1 101.7萬m3;死水位1 103.0 m，相應(yīng)死庫容67萬m3。

水庫為半挖半填型，壩軸線總長3 992.60 m，碾壓均質(zhì)土壩，采用復(fù)合土工膜全庫盆防滲。

水庫工程主要建筑物有大壩、庫區(qū)防滲、進(jìn)出水系統(tǒng)、泄水、山陰供水系統(tǒng)以及公路、管理用房等附屬設(shè)施。水庫進(jìn)水口布置在庫區(qū)西南側(cè)，入庫流量7.7 m3/s;出水口布置在庫區(qū)東北側(cè)，出庫流量7.3 m3/s。出水采用壩下廊道內(nèi)套管型式與下游輸水線路相接。水庫放空及山陰供水共用一個(gè)泄水口，布置在庫區(qū)東北側(cè)。山陰供水管線采用DN800球墨鑄鐵管與上游輸水線路相接，總長約2.3 km。水庫放空管出口工作閥室后設(shè)消力池，池后接泄水埋涵，水流泄入尚希莊河，總長約2.3 km。大峪河灌區(qū)東干渠位于庫區(qū)右側(cè)，為確保洪水期的大壩安全，對(duì)部分洪灌渠道進(jìn)行清淤護(hù)砌，護(hù)砌長約2.1 km。大壩外坡腳線外設(shè)縱向排水溝，排水溝外設(shè)4 m寬繞壩公路，瀝青路面，長4.4 km。

1.2 工程地質(zhì)

金沙灘水庫庫區(qū)地形較平坦，庫區(qū)地層沉積為大峪口河流山前洪積堆積物，地層分布韻律差，沉積交錯(cuò)雜亂。主要地層有:人工堆積(Qs)、第四系全新統(tǒng)洪沖積(Q4pal)、第四系上更新統(tǒng)洪積(Q3pl)、第四系中更新統(tǒng)洪積(Q2pl)，巖性主要為低液限粉土、低液限黏土、粉土質(zhì)砂、卵石混合土、混合土卵石、級(jí)配不良礫、級(jí)配不良砂。

據(jù)庫區(qū)及周圍機(jī)井的調(diào)查情況，地下水位埋深約70－90 m。

壩址地層為第四系全新統(tǒng)洪沖積、上更新統(tǒng)洪積、中更新統(tǒng)洪積堆積物，巖性主要為低液限粉土、低液限黏土、粉土質(zhì)砂、卵石混合土、混合土卵石、級(jí)配不良礫、級(jí)配不良砂。壩基土主要為第四系上更新統(tǒng)低液限黏土、低液限粉土及粉土質(zhì)砂，均具有濕陷性。壩基為非自重—自重濕陷性場地，濕陷土層下限深度為1.5－12.5 m，濕陷等級(jí)多為Ⅰ級(jí)(輕微)－Ⅱ級(jí)(中等)，局部為Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)的濕陷土層厚度為0.5－7.0 m，平均厚度約為3.3 m;濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)的濕陷性土層厚度為3.6－12.1 m，平均厚度約7.5 m;濕陷等級(jí)為Ⅲ級(jí)的濕陷性土層厚度為10.4 m。

2 壩基處理設(shè)計(jì)方案及技術(shù)參數(shù)

2.1 壩基處理設(shè)計(jì)方案

根據(jù)金沙灘水庫壩基的地質(zhì)情況，基礎(chǔ)處理以處理土的濕陷性為主。壩基濕陷性土層處理方法選用錐柱擠密樁來消除壩基濕陷性，處理的重點(diǎn)是開挖深度較淺及濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)的地段。

樁內(nèi)填土采用素土即庫區(qū)開挖土，樁徑400 mm，梅花形布置，樁距因地基類型不同而不同。非自重輕微濕陷性場地樁距為1.4 m，非自重中等、嚴(yán)重濕陷性場地樁距為1.2 m。有效樁長:自建基面至底部樁端的長度，不含孔口挖除的0.5 m樁長，平均有效樁長6 m。

2.2 技術(shù)參數(shù)

樁體填土壓實(shí)度≥95%，樁距1.2 m的樁間土干密度≥1.5 g/cm3，樁距1.4 m的樁間土干密度不作要求。

3 施工方法

3.1 工藝試驗(yàn)

由于本工程基礎(chǔ)多具有濕陷性，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用素土擠密樁對(duì)壩基進(jìn)行加強(qiáng)處理。為給此項(xiàng)工程提供可靠的施工參數(shù)，分別于2009年7月11－22日和8月5－8日，共進(jìn)行了兩次生產(chǎn)性工藝試驗(yàn)。根據(jù)兩次試驗(yàn)的檢測(cè)成果，最終確定的施工工藝及參數(shù)如下:

(1)填土料各指標(biāo)按設(shè)計(jì)要求執(zhí)行;

(2)采用柴油錘錘擊沉管成孔及吊線錘沖擊成孔;

(3)主要用夾桿錘(≥150 kg，60 cm沖程)夯填，按10 cm夯3擊施工。輔以線錘(≥300 kg，

2.0 m沖程)，按40 cm夯6擊施工。

3.2 施工布置和順序

隨著工程建設(shè)計(jì)劃目標(biāo)的大幅提前，承包商對(duì)擠密樁的作業(yè)面布置和施工順序進(jìn)行了調(diào)整，施工高峰期由原來的4個(gè)作業(yè)面(每個(gè)作業(yè)面2－3個(gè)壩段)平行施工調(diào)整為10個(gè)作業(yè)面(1個(gè)壩段為一個(gè)作業(yè)面)平行施工，每個(gè)作業(yè)面布置3－5臺(tái)機(jī)組同步施工。素土擠密樁法施工場景見圖1。

圖1 素土擠密樁法施工場景

3.3 工藝流程

由于素土擠密樁樁距較小，為防止成孔及夯實(shí)過程中出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，采用隔點(diǎn)跳孔施工，其施工工藝流程如下:場地整平→樁位放樣→樁機(jī)就位→樁點(diǎn)校驗(yàn)→成孔→孔底夯實(shí)→土料檢測(cè)、運(yùn)輸→填土夯實(shí)→成樁→檢測(cè)。

3.4 成孔方法

3.4.1 錘擊沉管成孔

樁機(jī)安裝就位后，使其平穩(wěn)，然后吊起樁管，對(duì)準(zhǔn)樁孔位，并在樁管和樁錘之間墊好緩沖材料，緩緩放下，使樁管、樁尖、樁錘在同一垂線上，然后利用錘的自重將管樁擊入土中，如此循環(huán)往復(fù)。

樁尖開始入土?xí)r，先低錘輕擊或重打，待樁尖沉入土中1－2 m后，按照預(yù)定的速度、落距，錘擊沉管至設(shè)計(jì)高程。

3.4.2 沖擊成孔

沖擊成孔是利用沖擊鉆機(jī)將5－6 t重的錐形錘頭提升0.5－2.0 m的高度自由落下，反復(fù)沖擊成孔。開孔時(shí)低錘輕擊，錘頭全部入土后，再按正常沖程沖擊。

壩基擠密樁成孔質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 壩基擠密樁成孔質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

3.5 填土夯實(shí)及成樁

樁孔成形后，對(duì)孔徑、孔深、傾斜度、中心位置進(jìn)行檢查，全部合格后，選用就近挖取的純凈黃土或一般性黏土、粉土進(jìn)行夯填施工。夯實(shí)機(jī)就位后及時(shí)校正，保證夯錘能垂直落入孔底?；靥钔亮锨?，對(duì)樁孔底部進(jìn)行夯實(shí)，直至孔底發(fā)出清脆夯擊聲音后，才開始回填土料。自卸汽車及裝載機(jī)運(yùn)土，人工及機(jī)械裝土入孔，夯填土料采用夾桿錘或線錘夯實(shí)。

4 質(zhì)量檢驗(yàn)

素土擠密樁主要質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目為樁身壓實(shí)度、樁間土干密度。樁身壓實(shí)度檢測(cè)總樁數(shù)的0.5%，樁間土干密度檢測(cè)按三樁一組進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)量為總組數(shù)的1%，按孔深每米取一個(gè)土樣進(jìn)行土樣檢測(cè)，檢測(cè)頻率和結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。擠密樁取樣檢測(cè)探井見圖2。

圖2 擠密樁取樣檢測(cè)探井1

樁身夯填質(zhì)量檢查:設(shè)計(jì)要求樁身壓實(shí)度不小于95%，檢測(cè)數(shù)量為總樁數(shù)的0.5%;在全部孔深內(nèi)每米取樣檢測(cè)其干密度，合格率不小于80%。樁身壓實(shí)度至少取樣檢測(cè)1 035根樁，實(shí)際取樣檢測(cè)1 129根樁;檢測(cè)結(jié)果為:平均壓實(shí)度最小值84.6%，最大值99.3%，平均值96.9%，合格率為89.8%。

樁間土擠密質(zhì)量檢查:設(shè)計(jì)要求擠密后的樁間土干密度不小于1.5 g/cm3，濕陷系數(shù)小于0.015;按三樁一組進(jìn)行檢測(cè)，檢查數(shù)量為總組數(shù)的1%，檢查孔每米孔深取一個(gè)土樣進(jìn)行檢測(cè)，合格率不小于80%。樁間土至少應(yīng)檢測(cè)386組，實(shí)際取樣檢測(cè)438組。檢測(cè)結(jié)果為:樁間土平均干密度最小值1.50 g/cm3，最 大 值 1.67 g/cm3，平 均 值1.53 g/cm3，合格率100%;樁間土平均濕陷系數(shù)最小值0.002 3，最大值0.017 0，平均值0.007 2，合格率99%。

5 結(jié)語

對(duì)于濕陷性黃土地基，采用素土擠密樁法進(jìn)行處理，不僅能夠做到就地取材，提高施工效率，節(jié)約工程投資，而且對(duì)其濕陷性的消除效果也較好。但施工前，必須進(jìn)行多樣性的生產(chǎn)性試驗(yàn)，以便于設(shè)計(jì)參數(shù)的復(fù)核和修正，同時(shí)能夠充分取得正確的施工參數(shù)和施工工藝。

［1］鄭俊杰.地基處理技術(shù)［M］.武漢:華中科技大學(xué)出版社，2004.

［2］JGJ79－2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.