水利水電工程施工中不良地基處理技術(shù)分析

盧志斌

(豐城市水利局豐東水資源開發(fā)利用中心,江西 宜春 331100)

0 前 言

通常水利水電工程多在惡劣的野外環(huán)境施工,環(huán)境復(fù)雜,且施工過程易受周邊地質(zhì)水文條件的影響,不良地基更是影響工程施工的不利因素,必須要選擇合理的處理不良地基施工技術(shù)。軟土地基由淤泥、粉土等含水量大、土質(zhì)松軟土體構(gòu)成,具有觸變性、滲透性等特點,主要分布在廣大沿河沿海區(qū)域。水利水電工程在建設(shè)中,經(jīng)常遇到軟土地基,若不對其進行技術(shù)處理,將導(dǎo)致工程項目存在較大的安全隱患[1-2]。為更好的提升水利水電工程項目施工質(zhì)量,降低不良地基對工程的安全影響。文章分析了水利水電工程施工中有關(guān)不良地基產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的處理技術(shù),并在綜合傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)上,對技術(shù)應(yīng)用進行展望和創(chuàng)新,有效提升工程項目的整體施工質(zhì)量,促進水利水電工程更好的發(fā)展。

1 水利施工中軟土地基處理技術(shù)

1.1 置換法

置換法將基礎(chǔ)底面部分軟弱地基土或不良土用物理力學(xué)性能良好的巖體材料分層填充,再機械碾壓,形成復(fù)合地基層,提高軟土地基的承載力,減少沉降,加速排水固結(jié)。置換法主要應(yīng)用于軟弱土層中地基較淺的處理。由于軟土地基難以承受施工強度,因而要進行加固壓實,通過填充碎石、砂等材料,增強地基強度。在置換過程中,工程人員要結(jié)合施工需求選擇具體的施工技術(shù),如碎石樁法,石灰樁法。

碎石樁法利用振沖器向軟土地基噴射高壓水,形成一個施工孔,將碎石、沙等堅硬物料填入施工孔中,形成柱狀體,由土質(zhì)和碎石樁結(jié)合形成的復(fù)合地基強度、穩(wěn)定性均較高,因而能滿足施工要求。采用碎石樁的優(yōu)勢不受地下水影響,施工成本低,呈現(xiàn)較高較好,因而用于淤泥砂土和粉土地基,但需要合理的布置樁體數(shù)量和樁體位置。

石灰樁法主要應(yīng)用于柔軟性過高的黏土地基。利用機械打孔建立中空地帶,將生石灰填充到中空帶,并嚴密壓實,形成地下樁。封閉在地下樁內(nèi)的生石灰遇水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)改變黏土性質(zhì)和土層結(jié)構(gòu),提升土體的性能,此外,根據(jù)工程實際,可在生石灰中加入相關(guān)物料發(fā)生反應(yīng),滿足施工要求。

1.2 深層攪拌法

深層攪拌利用深層攪拌機將水泥、石化等化學(xué)材料固化劑加入到地基中,與軟黏土強制攪拌形成足夠穩(wěn)定的地基土,提高地基承載力,減小沉降。深層攪拌法工期短,但施工成本高,主要用于抗剪強度低、壓縮性、含水量高的淤泥質(zhì)土地基,主要由水泥攪拌樁法,注漿法。水泥攪拌樁法的關(guān)鍵在于固化劑,工程中通常選用石灰和水泥,利用攪拌機將水泥或生石灰混合攪拌形成固化劑直接導(dǎo)入軟土層,在進行二次攪拌,將固化劑和土層融合,發(fā)揮固化劑加固和穩(wěn)定作用,水泥攪拌樁法應(yīng)用于黃土、粉土等含水量較高土層。注漿法是用注漿管鉆入軟土土層中,以水泥或水泥混合物預(yù)制高壓混合物,將調(diào)制好的高壓制備材料導(dǎo)入土體中。在注漿過程中,要保證注漿管能夠在土層自由提升和旋轉(zhuǎn),且提升過程中不停旋轉(zhuǎn),保證植被材料充分融合。

1.3 預(yù)壓法

預(yù)壓法由加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)相互配合,排除軟土地基中多余的水分,提升軟體地基固態(tài)組成。在實際工程施工中,首先將需要加固的軟土地基清理干凈,土層上鋪裝鋪水平墊層,下層鋪設(shè)塑料排水板,使墊層橫向放置在排水管道后,利用加壓系統(tǒng)加強壓將軟土水分由排水管排除,圖1為采用預(yù)壓法的技術(shù)圖。加壓系統(tǒng)主要用強載預(yù)壓及真空預(yù)壓,降低軟土地基水位。排水系統(tǒng)一方面可以將排水沙溝中的水分排出,另一方面可利用排水板同時進行水平和垂直向的排水。

圖1 預(yù)壓法軟土地基施工

圖2 夯點布置

1.4 加筋強夯法

加筋法是將纖維土工織物、復(fù)合材料埋在軟土層中,通過拉力產(chǎn)生摩擦力,引發(fā)土壤結(jié)構(gòu)位移,使材料與土壤融合,減少土壤沉降、提高地基承載力。強夯法是利用其中設(shè)備將夯錘提升到一定高度,以自由落體的形式下落,對地基形成一定沖擊波,用來克服土顆粒間各種阻力,從而提高地基強度和密實度,采用強夯法可有效消除軟土層的濕陷性,提升抗液化能力。

2 強夯置換法加固技術(shù)

根據(jù)上述對集中軟土地基處理技術(shù)可以發(fā)現(xiàn),不同技術(shù)的應(yīng)用都各有其特點,如深層攪拌法、加筋法等,盡管該類方法能夠達到一步到位的效果,但是工程造價高,工期長,不適合水利水電工程項目的選擇。而傳統(tǒng)的水利水電工程區(qū)域由于上部土壤大部分為松散、密實度低的雜填土,而下部淤泥強度低,含水量高,傳統(tǒng)的置換法和預(yù)壓法工程量大,且施工效果不佳。

2.1 軟土地基處理

通常水利水電工程的表層土分布著不等厚的淤泥質(zhì)土層,所以不僅要滿足表層持力層的地基承載力,同時需要保證軟弱層的強度。因此可在表層土壤上加固一定厚度的硬殼層和淺層軟土,對于深層的軟弱土層,可通過擴散地基應(yīng)力來滿足地基承載力強度。由于深層淤泥質(zhì)土容易出現(xiàn)沉降,因此可以采用柔性面層結(jié)構(gòu),通過定期回填來消除沉降作用,滿足場地要求。因此,針對水利水電工程實際情況提出強夯法和固結(jié)排水法形成一種強夯置換法來進行水利工程軟土地基處理,在滿足生產(chǎn)使用要求下,提高施工進度,節(jié)省工程投資。

水利水電工程項目通常處于深山洪溝中,場地表層厚度變化較大,且大部分為粒徑較大的雜填土粒徑較大,因此在處理方法的設(shè)計上進行了區(qū)分。對于頂高程<-1.5m區(qū)域,當(dāng)回填至預(yù)留沉降高程后,控制頂面覆蓋層厚度應(yīng)>6m,由強夯置換獲得滿足強度要求的墩體,并通過井點降水提升加固層效果。對于頂高程>-1.5m區(qū)域,僅僅通過回填覆蓋層難以保證軟弱下臥層的承載能力,并且單獨采用強夯法容易導(dǎo)致空隙壓力集中,形成橡皮土,因此結(jié)合排水固結(jié)法,通過在水平和豎向設(shè)置排水體系消散孔隙壓力,提升軟土層固結(jié)能力,同時能讓淤泥層在短時內(nèi)大量沉降,提升了覆蓋層厚度。

2.2 加固技術(shù)參數(shù)

2.2.1 夯擊參數(shù)設(shè)計

夯擊參數(shù)的設(shè)置以少擊多遍、循序漸進為原則,具體根據(jù)填土厚度來調(diào)整夯擊能力,通常單擊能量保持在6000～8000kN·m范圍,對于填土厚度<6m的軟土地基層,取下限值,軟土地基層>8m時,單擊能量取上限值。單點夯擊次數(shù)根據(jù)最后兩擊平均夯沉量來確定,單擊夯擊能4000～6000kN·m 時,以最后兩擊平均夯沉量100mm確定單擊次數(shù),夯擊能>6000kN·m時,最后兩擊平均夯沉量200mm;首次夯擊前,采用開山石料填充至預(yù)留下沉頂高程4.5m,每次夯擊結(jié)束,用開山碎石推盤夯坑。

根據(jù)水利水電工程土基地質(zhì)條件,采用圖3所示位置進行軟弱土層的夯點布置,其中第1、2遍為主夯點,采用正方形布置,控制單擊能量6000～8000 kN·m,2遍夯擊間隔時間以超靜孔壓消散80%為控制標準,通常為8d左右。第三遍為夯點布置在兩個主夯點間,各夯點間距9m,單擊能量控制在4000 kN·m,后續(xù)進行2遍低能級普夯,直至滿足夯擊次數(shù)。

2.2.2 排水系統(tǒng)設(shè)計

動力固結(jié)排水法要求在加固下部淤泥的同時,保證軟土微結(jié)構(gòu)不受沖擊載荷的破壞,避免形成“橡皮土”,因此要求動力排水固結(jié)法的加固區(qū)上部填土較薄。為滿足排水體系消散孔隙壓力,提升軟土層固結(jié)能力的要求,需要根據(jù)不同土層結(jié)構(gòu)來設(shè)置排水系統(tǒng)。通常垂直排水系統(tǒng)用來處理表層淤泥或淤泥粉質(zhì)黏土層,采用直徑12cm的袋裝砂井做豎向排水通道,呈三角形管布置,砂井底部布置在中粗砂以下1.0m深土層,砂井頂部布位于粗砂墊層內(nèi)。水平排水系統(tǒng)由厚度≥0.6m中粗砂鋪設(shè)而成,砂泥含量<5%,并在區(qū)域內(nèi)設(shè)置排水井。

孔隙水壓力反應(yīng)了土壤層孔壓變化情況,根據(jù)不同回填土覆蓋層厚度下空隙水壓力的變化研究可知,采用強夯加固技術(shù)進行淺層分布軟土層加固時,可結(jié)合動力排水固結(jié)法可有效防止“橡皮土”現(xiàn)象,若下臥軟土覆蓋層加厚,可直接進行強夯加固來提升地基承載能力。

2.3 試驗分析

采取室內(nèi)試驗法對軟弱土層加固方式驗證,分別選擇強夯置換法、動力固結(jié)排水法進行填土層夯前、夯后加固效果對比。其中強夯置換法采取6000～8000 kN·m能級強夯置換,處理地基承載力:填土≥350kPa,壓縮模量要求:回填土填土≥10MPa;動力固結(jié)排水法要求先施工沙井,在分級夯擊;處理地基承載力:填土≥350kPa,8m內(nèi)軟土≥120kP,12m內(nèi)軟土≥80kP,壓縮模量要求:回填土填土≥10MPa。

根據(jù)試驗設(shè)計活動填土層夯前、夯后加固效果如表1所示。在4～8m深度內(nèi)的淺層軟土,強夯置換法和動力固結(jié)排水法均能通過碎石墩或沙井排水,土體強度均呈現(xiàn)一定的增長,其中平均標貫擊數(shù)N均值增加幅度較大;但采用固結(jié)排水法時,在8～12m內(nèi)軟土強度也呈現(xiàn)出較大增幅,而采用強夯置換法對該軟土層的改善效果較小,因此,動力固結(jié)法不僅能夠有效提升表層回填土的強度,同時對于深層黏土的加固作用也非常顯著。

表1 填土夯擊加固效果

3 結(jié) 論

水利工程建設(shè)會遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件和惡劣的環(huán)境因素,不良地基是水利水電工程中常見的基礎(chǔ)類型,地基處理要滿足項目工程具有可靠的承載力和穩(wěn)定性。通過對不同軟土地基的分類研究,結(jié)合工程實際情況和方案設(shè)計,探索地基處理的新理念和新技術(shù),正確評價地基處理適用性,共同提升水利水電施工質(zhì)量,并通過研制新的施工工藝促進水利水電不斷創(chuàng)新發(fā)展。