浅谈振冲处理地基的设计与施工质量检测.doc

土石坝工程2002年第1期浅谈振冲处理地基的设计与施工质量检测王 克(云南省水利水电勘测设计研究院)摘 要 结合昆明滇池草海东副坝工程叙述振冲技术方案的选取、设计参数的计算和确定及质量检测。关键词 振冲处理 设计 质量检测昆明市滇池草海东副坝位于海埂西大堤北端船房河口，坝高3.54.0m，修建于1970年。由于当时处于特殊历史时期，土坝填筑时地基未作任何处理，即在沿两面迎水的渔塘小埂上进行加高加宽。坝底基础属软弱地基，有泥炭、淤泥层等，含水量极高，渗透系数小。因此副坝虽已修建了20多年，地基仍未固结完毕，从建成至今一直在发生变形。从1970年至1979年的10年间曾先后进行了四次抢险，1994年7月又发生险情，部分坝段出现纵向裂缝。1995年春节期间，被修复的裂缝重新开裂，险情较为严重。据钻孔资料表明，坝身总沉陷量已达3m左右。另据观测，最大水平位移已达22m，变形量极大。滇池草海东副坝险情的发生，对下游已投入资金10多亿元人民币的国家级旅游渡假区及沿湖周围农田和人民生命财产安全都造成了极大的威胁，为了确保东副坝的安全，市政府决定对其进行彻底的根治。通过施工单位的努力和建设单位、设计单位、监理单位四方的积极配合，在四个月的施工，共完成振冲碎石桩1995棵，总进尺23992.3m，完成坝体培厚13732.9m3。1坝基工程地质评价与坝体变形原因分析1.1 物理力学特性南段坝基土层具有层数多、变化复杂、软土厚度大且性质极软等特征，第层和第层土质尤其软弱。第层泥炭。天然容重一般仅为1.311.48g/cm3，天然含水量一般在100%以上，高于液限W1均值95%，呈流态，孔隙比大，e均值2.5，压缩系数12均值为2，压缩模量均值Es12 =u =2.7，具高压缩性。强度很低，室内试验浸水快剪C均值仅为10kPa，角仅为4，现场十字板剪切u均值为10.5kPa，灵敏度St为2.9，属中等；无侧限抗压强度低qu=28kPa，临塑荷载仅为Rs=18.6kPa，容易产生塑性变形甚至流动；允许承载力很低，据标贯、静力触探及土工试验综合评定，R为30kPa。第层淤泥。本层伏于泥炭层之下，同样具有天然含水量高、孔隙比大、高压缩性、低强度等特性。下列指标为统计值：天然含水量=95%，孔隙比e =2，压缩系数12=2，压缩模量Es12=3.5、凝聚力C =11kPa，室内试验浸水快剪内摩擦角=6，十字板剪切u =12.4kPa、灵敏度St =2.4，无侧限抗压强度qu =30kPa，临塑荷载RS =29.3kPa，允许承载力R=40kPa。第、第层淤泥质粘土层，物理力学指标比以上两层土要好，允许承载力R分别为70kPa和80kPa。第层粉砂粉土，允许承载力R120kPa。第层粉细砂粉土，允许承载力R160kPa。北段坝基土层的情况明显好于南段，第层粉质淤泥，第层淤泥质粉质粘土，土质软弱，但厚度不大，到第层粉细砂土质较好。1.2 地震基本烈度查地震烈度区划图，坝区地震基本烈度为8度，坝基土的抗震类别属软弱的四类。1.3 砂类土的振动液化用静力触探Ps值法判别，当实测统计Ps值小于计算Ps时，可产生液化，由经验公式：PsPso1-0.065(Hw-2)1-0.05(Ho-2)计算判别结果：南段第层粉砂、粘土可能液化；第层粉细砂不会液化；北段第层粉细砂在10m深度(距地面)以下不会液化。1.4 渗透变形稳定问题坝基土层以粘性土为主，渗透系数很小(i10-6i10-7)，粉细砂层埋藏较深，不存在渗透变形稳定问题。1.5 天然地基持力层根据上述各种因素，决定南段第土层不能作为天然持力层，天然持力层为第、第土层，其埋深达15m。北段第、第层土不能作为天然持力层，天然持力层埋深为12m。1.6 坝体变形原因分析坝南段主要是第层泥炭、第层淤泥对坝体变形位移起着控制作用。用费兰斯纽公式计算：HKP = 5.52Cu/经验公式： HKP = 3Cu式中：Cu抗剪强度；堤坝填土容重。计算结果表明，在此类土上堤坝临界高度约为1.6m，而目前老坝体高约3.5m，已超出临界高度。又据分析计算，老坝体坝底压力约为80kPa左右，已大大超过泥炭层的临塑荷载或允许承载力，显然要导致垂直压缩变形；同时，草海水位高出坝后地下水位约3.3m(并有动荡)，坝体承受水平推力，坝基抗剪强度低。分析计算结果表明，坝基抗滑不稳定。实际观测证明，目前仍存在向坝后水平位移变形。2坝基加固方案选择2.1 振冲碎石桩方案该方案可对泥炭、淤泥层起置换土的作用，并可对砂土层起到明显的挤压作用，形成碎石桩，从而改变了原土的结构，形成一种原土与碎石复合而成的地基，以提高地基承载力及抗剪强度，控制坝基压缩变形及不均匀沉陷，满足抗滑稳定要求，最终达到加固地基的作用，但不能起到防渗作用。该方案中以碎石桩管柱桩造价较低，可考虑作方案比较。2.2 深层搅拌水泥土方案该方案在软土地基中掺加固化剂，通过机械将软土和固化剂强制搅拌，使之固结起来，以增加软弱地基的承载力，减少沉降量。但由于副坝基础基本上属于软土，不能达到有效持力层，在处理后还可能发生较大的沉陷；另由于搅拌机械的动力在上面，若遇到土内含有碎石、块石等会给施工增加困难，因此该方案不宜采用。2.3 塑料排水板加固本方案是用插板机将排水板插入设计所要求的深度，然后在上面堆载加压，或者抽取真空加压，使地基里的水从排水槽里排出，加速地基固结以提高承载力和抗剪强度。该方案适用于不含碎石等其它粗粒的纯软土，如遇到含碎石等的地层难以插入，则预压时间亦长，因此也非优良方案。根据副坝的实际地层情况及施工条件、工期等综合因素考虑，最终选择了振冲置换碎石桩方案。3设计指标与参数的确定及计算副坝处理全长430m，宽度1820m，总振冲面积8944m2。处理深度根据地质资料分成南北两段，南段地质条件较差，处理对象主要为第、层，最大深度15m；北段地质条件稍好，处理对象主要为第、层，最大深度12m。3.1 孔、排距的确定由于振冲置换加固设计目前还处于半理论、半经验状态，有些计算方法，如复合地质基础的容许承载力的计算等还不够成熟，因此某些设计参数也只能凭经验和工程类比法选定。对原土强度低的，桩孔的间距应小，特别在深厚软基中打不到相对硬土层的桩，间距应更小，一般为1.52.5m。滇池地层基本上属深厚软基，碎石桩不能达到坚硬地层，只能达到相对稍好土层，因此确定南段孔距2m，排距1.73m，呈正三角形布置；北段孔、排距均为2.5m，呈三角形布置。另从整个处理范围内划出一振冲试验区，进行生产性试验，验证孔、排距的合理性。3.2 桩径的确定每根桩的理论桩径由以下公式确定。式中：D桩径；V每m填料量，取1.2m3/m (松方)=1.24m如取V =1.1m3/m，算得D =1.18m。参照西园船闸振冲每m填料量及副坝基础的地层情况，取每m填料量为1.2m3/m，桩径为1.2m。3.3 置换率计算置换率由以下公式计算式中：m置换率；D桩径；d孔距。南段孔距2m，桩径1.2m，=32.6%北段孔距2.5m，桩径1.2m，=20.9%3.4 复合地基承载力计算复合地基承载力用南京水科院经验公式计算：RSP =1 + m( n - 1)RS式中：RSP复合地基的承载力；m置换率；n桩土应力比，取3；RS主要加固土的原土承载力平均值。南段复合地基的承载力RSP =1+0.326(3-1)50 = 82.6kPa北段复合地基的承载力RSP =1+0.2(3-1)60 = 84kPa根计算，南北两段经振冲置换后的复合地基已能满足副坝最大承载力75.2kPa的要求。3.5 振冲试验由于振冲桩的孔排距及桩径的确定是凭经验和工程类比进行的，不能确定实际施工时就能达到设计要求。因此在整个振冲范围内划出一块区域作生产性试验，试验区面积170.8m2。振冲器选用30kW和75kW两种。试验区分为A区和B区，A区用30kW振冲器，桩数28根，B区用75kW振冲器，桩数10根，总进尺570m，桩深15m。通过振冲试验验证孔、排距的合理性及桩径的大小。在振冲试验期间及完成后，经过土工试验、原位测试，主要物理力学指标应达到以下要求：表1 复合地基设计的主要物理力学指标表项目干容重压缩系数桩间土饱固快剪凝聚力容许承载力指标1.4g/cm30.55MPa-120。20kPa120kPa4质量检测4.1 一般项目检测一般项目10个单元均符合要求，达到优良。4.2 振冲碎石桩检测南段平均1.016m3/m(实方)，相应桩径1.137m(桩径为换算桩径)，面积置换率0.294；北段平均1.027m3/m(实方)，相应桩径1.143m(桩径为换算桩径)，面积置换率0.146。碎石桩允许承载力达到504.24kPa；均达到换算后设计要求。4.3 桩间土检测详见表2。从该表中可以看出，草海东副坝地基振冲前后桩间土的物理力学指标略有提高，但不显著。这与振冲工艺对淤泥软土的挤密效果不十分明显，而主要体现为置换是相吻合的。由于振冲桩的排水固结作用，随着时间的推移，将有利于地基土固结，土体的力学指标过一段时间后还会有所提高。表2 振冲前后土体主要物理力学指标统计表土层编号土类土状状况天然状态压缩系数av 0.10.2/(MPa-1)粘聚力C/kPa内摩擦然/()容许承载力/kPa密度/(g/cm3)含水量/%孔隙比(e)2泥炭质土振冲前1.351393.393.8930振冲后1.083437.639.2411.53.3303淤泥质土或淤泥振冲前1.472.53.3340振冲后1.4295.92.4932.224.51.9304淤泥质粘土振冲前1.65361.351.0680振冲后1.4295.92.4932.224.51.9305粉砂粉土振冲前1.7737.41.030.5515.617.1120振冲后1.8432.20.9350.2933.320.61326淤泥质粘土振冲前1.74421.160.8285振冲后1.6750.51.3991.2712.31.5357粉土振冲前1.76361.050.67160振冲后1.9227.30.790.1720.027.2185注：振冲对土体具扰动作用，受扰动后粘土的物理力学指标恢复期约二个月左右，随着时间推移，粘土层力学指标可恢复达到或高于振前值。5结语振冲置换碎石桩在昆明市滇池草海东副坝基础处理工程中的成功应用，赢得了监理、业主、检测部门及有关专家的一致好评，证实了设计方案选取的合理性。经过有关各方团结合作，特别是施工方经验丰富，组织管理严格，为工程顺利进行奠定了基础。本工程为振冲技术在诸如淤泥、泥炭等软弱基础加固处理的应用提供了有益的经验。vvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvvv(上接29页)比1:4，以增加上游坝坡脚的稳定。上游坡变缓减小了冰推对护坡的作用力，利于冰爬坡。下游坝坡另取土按1:2的坡度按要求填筑碾压，以培厚坝体。3.2 采用混凝土连体护坡混凝土连体护坡是采用标号为R200，D100，S4的混凝土现浇。护坡板的分缝尺寸为34m，厚度为20cm。每块板分缝处采用16钢筋将相邻的混凝土板相连，沿板缝每隔50cm设一钢筋。板缝内采用高压聚乙烯闭孔泡沫塑料做止水材料，并用沥青砂浆封口。护坡板下铺无纺布代替传统的反滤层。无纺布既能发挥反滤作用，也有一定的防浪淘的功能。为防止在浇筑混凝土护坡时破坏无纺布以及混凝土浆液堵塞无纺布的孔洞，降低无纺布的透水性，在无纺布与混凝土板之间设一层10cm厚的砂砾垫层，以起到保护的作用。无纺布下铺