（农业工程专业论文）深层搅拌桩技术在分沂入沭拦河坝基础处理中的应用.pdf

摘要 水资源日盏短缺是当今世界面临的主要资源问题之一，在我国尤为突出。研究人型水利 设施的渗流问题，提高河道水库的库存效率，最大限度的减少渗流、渗漏，是提高水库利用 效率的重要措施，对促进区域国民经济和可持续发展具有重要意义。 深层搅拌桩技术在分沂入沭拦河坝基础处理中的府用突出了以下特点： 1 通过现场试验验证了搅拌桩截渗高标准截渗的可能性，为以后的j 二程建设提供了相关 参数指导； 2 围井试验开挖验证了在强透水层中，当地f 水位变动幅度较小时的截渗效果较好： 3 研究我国地震断裂带骨干河道上水利工程基础处理的新技术、新工艺来解决水库、河 道基础渗漏问题显得特别重要。 通过现场及室内实验，本文分析了深层搅拌桩处理基础渗漏的效果。结合山东省分沂入 沭拦河坝基础及其回水段截渗处理的工程实例，介绍了深层搅拌桩的设计方法、渗控措施阻 及深层搅拌桩设计中需要注意的问题。 关键词：深层搅拌桩，基础渗漏，截渗墙设计，渗控措施 a b s t r a c t i t so n eo ft h em o s ti m p o r t a m tq u e s t i o n st h a tt h ew a t e rr e s o u r c ei s i n c r e a s i n g l yb e i n gh a r d up 1 i no u rc o u n t r yi ti se s p e c i a l l ys t a n d i n go u t ，t or e s e a r c hs e e po fb i gw a t e re s t a b l i s h m e n ta n dt o i m p r o v es t o r a g ee f f i c i e n c yo fr i v e r w a yr e s e r v o i r ，t or e d u c em o s tl i m i ts e e pa n dl e a k a g e ，i ti s i m p o r t a n tm e a s u r et oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fr e s e r v o i r a n di ti s i m p o r t a n tt op r o m o t et h e e c o n o m yo f c o u n t r ya n dc o n t i n u a n c ed e v e l o p m e n t a p p l i c a t i o no fc e m e n tm i x i n gp i l e t os t r e n g t h e nc o m p l e xf o u n d a t i o n - s t u d yo nd i v i d i n gy i r i v e ri n t os h ur i v e r , i t si m p o r t a n tt ol i g h tt h ec h a r a c t e r s i i t si m p o r t a n tt ot e s t i f yt h ec m p t h r o u g h tf o u re x p e r i m e n t s ，a n da l s oi sal a t e re n g i n e e r i n g t h ec o n s t r u c t i o np r o v i d e dt h er e l a t e dp a r a m e t e rt h el e a d i n g 2 r o u n dt h ew e l le x p e r i m e n t e dt oo p e nt od i gt ov e r i f yu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a ts t r o n g d e e p l yt h ew a t e rl a y e re x i s t e n c ef o r c eo f t h ec u r r e n td i f f e r ，c u tt h ew a l lo f c m pt oc u tt h er e s u l to f c m pa n d w a n t t ob eb e t t e ru n d e r t h ec o n d i t i o no f f o r c eo f t h ec u r r e n t i sb a ds m a l l e r ； 3 t h ee a r t h q u a k et h a ts t u d i e st h es o u t h r e g i o no ft h eo u l - c o u n n ys p l i t st ot a k et h e f r a m e w o r kc o u r s eo fr i v e ru pt h en e wm e t h o do ft h em a r i n eh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n p r o c e s s i n g ，t a w i n gu pas e to fi n t e g r i t yo f , s i m p l e ，e f f i c i e n t l yn e wt e c h n i q u e ，n e wc r a f tt or e s o l v e t h er e s e r v o i rf o u n d a t i o nt os e e pi n t ot h ep r o b l e mt os e e mt ob es p e c i a l l yi m p o r t a n ta n du r g e n t s t u d yt h en e ww a ) 7 st od e a lw i t ht h ef o u n d a t i o no fe a r t h q u a k er u p t u r ec i n c t u r e ，s e td o w na s u i to f s i m p l e n e s s 、h i g h e f f e c tn e wt e c h n o l o g i c a la n dn e wt e c h n i c s o v e r p a s s i n gl o c a l ea n di n n e r e x p e r i m e n t ，t h i sl e t t e r p r e s sa n a l i s et h ee f f e c to ft h ef o u n d a t i o nl e a k a g ec o m b i n ew i t hac a s eo f d i v i d i n gy ir i v e ri n t os h ur i v e l i n t r o d u c i n gd e s i g nt e c h n i q u e ，s e e pc h a r g ea n d r e q u i r i n g a d v e r t e n tp r o b l e mo f c o n s t r u c tc e m e n tm i x i n gp i l et os t r e n g t h e nc o m p l e xf o t m d a t i o nt h er e s u l t a p p r o v e ss e r i e sw a l lt od e a lw i t ht h ef o u n d a t i o ns e e p a g ei sas o r to fe f f e c t u a lw a y k e y w o r d ：c o m p l e xf o u n d a t i o n ，c e m e n tm i x i n gp i l e ，c u t t i n go o z e ，m e a s u r eo f c o n t r o l l i n go o z e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：3 长查 时i 、日j ：2 0 0 5 年5 月1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许呛文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫插等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 f 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：振t 时间：2 0 0 5 年5 月1r 导师签名 磬帆z 晰删彦日 第一章绪论 水是人类和切生物生存所不可缺少的自然资源。我国水资源的利用现状不仅严重地影响农 业生产的发展，而且关系到与整个国民经济建设的健康发展。加强水利工程建设有利于水资源的 优化利用，对国民经济的可持续发展有着重大的战略意义。我国是世界上水资源严重短缺的国家 z 一。人均水资源占有量为2 7 0 0m 3 ，约为世界人均占有量的1 4 。因此，加强水资源管理和有效 利用，对于水资源极为短缺的我国来说意义极为重大。 沂沭河流域流经沂蒙山区，临沂市是东部沿海地区重要的农业城市之一。全市1 2 0 0 万人口， 8 0 的人口在农村，大力发展水利事业对于解决农村脱贫致富具有重要的战略意义。建国后，在 党和政府的正确领导卜，沂沭河流域人民建设了大中型水库3 9 座，小型水库7 6 1 座，塘坝12 7 万座。沂沭河干支流上建有大中小型拦河闸坝1 2 8 鹰，一般年份这些工程拦蓄河川径流量达2 5 亿m 3 ，占河川径流的5 4 5 ；其中9 座大型水库拦蓄利用量达7 2 亿m 3 ，占总拦蓄量的2 8 8 。 但由于渗漏严重，仅3 9 座大中型水库年平均渗漏量为1 3 8 亿m 3 ，占总拦蓄量的1 91 。加强库区 截渗j ：作，特别是坝基的截渗工作，对振兴沂蒙革命老区的经济有着极为重要的作用。 在水利l ：群建设中，利用现代科技处理基础渗漏，以促使水利事业有一个较大的发展。特别 是将建筑、交通等先进行业的先进成果转化应用于水利工程的基础处理上，还对改变水利工程传 统的施r 模式有着重要的意义。将建筑工程及水利工程中应用较为广泛的软弱地基处理技术应川 于地震断裂带附近的水利工程基础处理。不仅i 丁以加强地基承载力，同时还可以提高基础截渗效 果和减少地下水的渗漏途径，以及防i r 坝体或堤防由于坝基因砂层液化而发生滑塌。 在现代上程技术的支持下，通过物理、以及化学手段进行基础处理，减少地下水的渗漏途径， 使之能够迅速增加地基承载力和加大截渗效果，从而保证工程地基的安全有效利用。由于水利工 程的复杂性，除考虑复合地基的垂直承载力和侧向应力的影响外，还要考虑截渗效果和复合地基 的抗液化程度。地基处理技术在建筑j 二程基础加固施工中较为常用，但在水利一 程施t 中，由丁 ：工程建设的地质情况较为复杂，从而使得这些技术的应用难度较大。将深层搅拌桩等技术应用于 水利：l ：程的基础截渗处理，将为以后的水利上程基础截渗处理提供有力的尝试，同时也为该技术 在水利t 程中的推广和应用积累了经验。 在水资源短缺严重影响国民经济发展的情况下，水库堤防的渗漏问题已成为一个急需解决的 问题。深层搅拌桩技术在分沂入沭基础处理中的应用研究从2 0 0 3 年至今，将深层搅拌技术麻用 丁深层截渗r 程试验，并与2 0 0 4 年3 月开始进行野外截渗试验，通过各种试验手段证明截渗试 验在施_ l ：角度是成功的。特别是在试验中验证了最初的理论想法，证明该技术用于。t ：程实践是可 行的。本课题突破了国内外尚未涉足的，“泛应用于水利上程的大规模截渗的技术，并在试验中成 功地应用和突破了常规只能将其应用于建筑地基加固的做法，为以后在地震断裂带下的水利1 一程 基础截渗工作的进行奠定了坚实的基础。作为国内同行业中最先应用研究这一成果的课题，我们 在课题提出、理论应用、试验准备、成果分析、资金准各等都进行了周到细致的准备，先后投入 资金近4 0 0 余万元，这些都为本次试验的i f 匝g j 进行打下了坚实的基础。 1 1国内外研究动态 1 1 1 深层搅拌桩 深层搅拌桩是一种加饱和软粘土地基的新方法【l 】，它是利用水泥、石灰等材料作为吲化剂 的主荆，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就将软十和固化剂( 浆液或粉剂) 强制搅拌，利 用吲化剂和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬化成具有较高地整体性、水稳性 和强度的地基。国外使用深层搅拌桩加固的土质有新吹填的超软十、沼泽地带的泥炭土、沉淀的 粉土和淤泥质土等，加同深度达到6 0 m 左右。国内目前主要适用于淤泥、淤泥质十、粘十和粉质 粘+ 等的加同，加崮深度一般为2 0 m 左右。 深层搅拌桩技术在7 0 年代中期由日本首创并开始应用。我国于1 9 7 7 年末由交通部和冶金部 协作进行研制和开展室内外试验，并在t 程中投入使用j 。随着现代技术的迅猛发展，越来越多的 新技术、新工艺应用于工程建设，从7 0 年代中期由日本住友株式会社将深层搅拌桩技术应用于 工程实践，迄今已经有3 0 多年的历史。虽然日本深层搅拌桩技术发展比较迅速，其技术并不比 我国成熟和应用范围也不如我国j 泛，但由于其先进的施上设备及其市场营销理念，深层搅拌桩 技术在日本迅速得以推r 和应用。 深层搅拌桩在美国、前苏联、法国、荷兰等国也得到了大力的推广和应用。深层搅拌桩技术 在国外多应用于建筑物基础处理以及在有地面荷载的上业厂房、高填方等地基的加l 剖方面，有时 也用于地f 防渗墙工程用以防1 r 地下水渗流。 深层搅拌水泥土桩是用特制的深层搅拌机械，在深层将水泥和软十强制搅拌成桩或墙。能提 高软土承载力、减少地面沉降、防止地下水渗透。它也可作为地下防渗墙，对桩背后的软十进行 加固，从而增加地基土的侧向承载能力。深层搅拌桩技术在我国建筑业有广泛的席用，例如上海 由由大厦基坑深9 9 m ，采用深层搅拌桩技术制成厚1 2 m 的水泥十墙作隔水帷幕，用中9 0 0 间距 1o m 钻孔灌注桩挡土，基坑支护既防渗义挡十，成功地完成支护任务。通过理论分析和 ：程实 践证明：深层搅拌桩技术用于加固基坑被动区土体是经济有效的技术措施，它能减少桩身内力、 桩身水平位移、地面沉降，防止被动土体破坏，防止管涌现象口j 。 表11 我国各地的高层建筑深基坑支护工程 2 f ：海由由大厦 9 489 92 82 粉质粘土深层搅拌桩厚12 m 隔水帷幕 c1 4 k p ，m = 1 4 0 粘质粉士 c = i o k p 。，m = 1 0 0 淤泥质c 一= s k p a 粘十巾= 9 0 2 。篓鍪訾譬圣鐾垒鐾二墨。：。：，錾茎。堂尘 3 上海华侨人厦 1 22 32 深层搅拌桩厚12 m 隔水帷幕 6j 二海环球世界 商业人厦86 53 0 2 杂填土 17 3 4 m 粉质粘土 c - 2 1 ，m = 1 6 0 淤泥质粘土 一8o m ，c - 9 灰色淤泥质粘土 c = l o k p 。，m = 8 0 注：c 为承载腿强值，中为土的摩擦角。 1 1 2 高压喷射灌浆 高压喷射灌浆法始创于6 0 年代后期的日本，它是在化学注浆法的基础上，结合利用高压射 流技术发展起米的”j 。常见的有单管法( c c p ) 、二管法( j s p ) 、三管法( c j p ) 等方法。高压喷射 灌浆法常用于建筑工程的地基处理、基坑侧壁挡土或挡水、防止管涌等。 高压喷射灌浆法是应用高压喷射技术而发展起来的一项新的地基处理技术。一般是用t 程钻 机成孔至设计处理的深度后，用高压泥浆泵等高压发生装置，通过安装在钻杆杆端的特殊喷嘴 向周同十体喷射化学浆液或一般使用水泥浆液。同时，钻杆以一定的速度渐渐向上提升，高压射 流使一定范围内的土体结构遭到破坏，并使土与化学浆液混合、胶结、硬化，在地基士中形成直 径均匀的圆柱体或尺寸一定的泥浆固壁【5 】。高压喷射灌浆技术在我国广泛采用于建筑地基) j n n ；f , 减少土体压缩变形，也成功地应用于处理基岩渗漏等方面。但高压喷射灌浆技术在水利工程基础 处理上的应用较少，特别是在处理基岩破碎带上基础渗漏问题和应用更是缺乏。 1 2 研究目标和解决的关键问题 本研究主要解决以f 关键问题： ( 1 ) 深层搅拌桩对减少渗漏途径以及增加防渗能力的效果 ( 2 ) 深层搅拌桩和高压喷射灌浆相结合在坝基和堤防中防渗、截渗的作用。 对深层搅拌桩法以及高压喷射灌浆法在地基处理的作用以及在地震断裂带处提高地基承载 力和减少渗漏等方面进行研究；测定深层搅拌桩技术、高压喷射灌浆技术以及搅拌桩与高喷结合 技术对我区国民经济的快速持续发展提供有利的水资源保证，对库i x 防渗处理过程中的效果并确 定旃工的技术参数。国内外相关研究表明【6 】：虽然地基处理技术的理论分析和技术措施已相对成熟 但在我国将以上技术应用于水利工程建设上的研究较少。本着以降低丁程成本为中心、促进地基 截渗处理为目标，本研究拟从技术方法和技术优化上等方面争取有所突破和进展。 截渗试验由丁考虑到水泥与强透水层的粗砂砾石在地下水水位不变的情况卜能够凝结成水 泥体，具有挡水、阻水的能力；且在与基岩胶结过程中，搅拌设备只要有足够的压力和深入基岩 就能够使得水泥凝结体与基岩良好胶结。在该想法的指导下，通过搅拌桩喷粉试验、喷浆试验等 试验确定参数，并以此为根据用于指导工程施工。在水利工程建设中，解决地基承载力和防渗、 截渗以及基础抗地震液化能力不足，是长期困扰水利t 程建设的技术问题。 理论上讲深层搅拌桩能够在合适的钻具下能够进入基岩，也能够和基岩胶结紧密，但由于国 产机具锋刚钻头和合金钻头在行进时磨损较大。很少能够与基岩胶结良好。采片j 深层搅拌桩先行 施工，然后高压喷射灌浆跟进的方式进行施工，将会克服桩基与基岩的胶结问题，从而避免漏水 通道。 1 3 研究方法与技术路线 在前人研究和本人近年来研究与j 二作实践的基础上，借助先进的测试设备，采用深层搅拌桩 技术、高压喷射灌浆技术对分沂入沭调尾拦河蜘j 及其回水段工程地基进行截渗处理和现场试验， 结合实验室测定，对所收集数据进行综合分析。 ( 1 ) 在深层搅拌桩条件下通过围井试验，测定渗透系数，以及取岩芯做注水试验适当配合探 地雷达进行扫描检测桩体的密实度、形状。通过以上手段确定深层搅拌桩技术的截渗效果和复合 地基的强度。 ( 2 ) 通过围井试验测定深层搅拌桩与高压喷射灌浆技术相结合地基承载力和防渗能力的影响， 旁观检查和利用取芯机械进行取芯，并进行室内压水试验。对所取芯样进行抗压试验和抗剪切试 验等以确定复台基础承载力的影响。 技术路线可归纳为：确定研究目标一查阅和分析资料一试验设计一可行性分析一试验仪器的 安装布置一收集数据一分析数据一机理研究( 不同地基加固措施对地基的影响) 一( 地基截渗处 理后的透水规律) 一综合分析 1 4 试验方案 ( 1 ) 在山东省分沂入沭试验区分别进行了搅拌喷粉技术试验、搅拌喷浆技术试验以及搅拌 桩截渗喷浆试验。通过取芯样方法观察各技术对成桩质量的影响，通过现场网井试验以及室内注 4 水试验测定透水系数”，通过室内抗压试验以及抗剪切试验确定对地基承载力的影响。 ( 2 ) 深层搅拌桩与高压喷射灌浆结合技术试验。取岩样观察桩底与基岩的胶结质量；通过 闱井试验测定截渗效果，在室内对芯样进行注水试验以测定板体透水性能；通过芯样抗压试验、 抗剪切试验确定桩基强度。 深层搅拌桩截渗墙一方面能够提高水库、河道的库存水效率，男一方面也能够提高大坝、堤 防的防洪标准增强抵御洪水的能力。通过深层搅拌桩截渗后，大中型水利设施既提高了防洪标 准，又提高了库存水效率，为国民经济的可持续发展提供有利的保证。因而，截渗后对加强水土 保持和基础截渗有着重要的作用，调动人民群众的积极性，改善老区人民的生活环境和促进人民 生活水平的提高，有很大的现实意义。 第二章深层搅拌桩连续墙的截渗机理 深层搅拌桩是一种加固饱和软粘土地基的新方法。深层搅拌桩加吲的目的是提高地基的承载 力减少沉降量和提高边坡的稳定性。它用于建筑物和构筑物的地基、有地面荷载的厂房地坪、 高填方地基等鸽加固。它也可以防止码头堤岸趵滑动、深基坑逸坡的塌方。还可作为地f 防渗墙 防止地下水的渗流口j 。 根据固化剂的状态和施工方法，深层搅拌桩技术可以分为干法和湿法两类。干法是采用干燥 状态的粉体材料作为固化剂。如石灰、水泥、矿渣粉等；湿法是采用水泥浆等浆液材料作为固化 剂。 2 1 水泥加固土原理 软土与水泥采用机械搅拌加固的基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程。它与混凝 土的硬化机理有所不同。混凝土的硬化主要是水泥在粗填充料( 即比表面积不大、活性很弱的介 质) 中进行的水解和水化作用，所以凝结速度较快。而在水泥加固_ | 中由丁水泥的掺入量很小 仅占被趣固土质量的5 - , - 2 0 ，水泥鲍永解和水化反虑完全是在具有一定的介质即土韵匿绕f 进行 的，所以硬化速度缓慢且作用复杂，因此水泥加固土的强度增长过程也比混凝土缓慢。 2 1 1 水泥的水解和水化反应 普通硅酸盐水泥主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等组成。用水泥加固软 土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、 含水铝酸钙、含水铁酸钙等化合物。 在上述一系列的反应过程中所生成的c o h ) 2 、c a o a 1 2 0 3 h 2 0 能迅速溶于水中，使水 泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样水泥颗粒周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶 液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细小分散状态 的胶体析出，悬浮于溶液中。形成胶体。 2 ，1 ，2 粘土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的则与其周围具有一 定活性的粘土颗粒发生反应。 ( 1 ) 团粒化作用。软士作为一个多相分布系，当它和水结合时就表现出一般的胶体特征。 水睨水化生成的硅酸胶体粒子的表面积约比原水泥颗粒大1 0 0 0 倍，因而产生很大的表面能，具 有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并能封闭各土 团之间的空隙，形成坚固的联结。从而使水泥土的强度大大提高。 ( 2 ) 凝硬反应。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子。当其数量超过上述 离子交换的需要量后，则在碱性环境中，它能与粘十矿物逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物。 6 这些新生成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。而且由于其结构比较致密， 水分子不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。 2 1 3 碳酸化作用 水泥水化物中游离的c a ( o h ) 2 能吸收水和空气中的c 0 2 ，发生碳酸化反应生成不溶于水 的c a c o 一： c a ( o h ) 2 + c q _ c a c q 山+ 月j d ( 2 1 ) 这种反应也能使水泥土增加强度，但增长的速度较慢，幅度也较小。 对软土地基深层搅拌加固技术来说，由于深层搅拌机械的切削搅拌作用，实际上不可避免地 会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团之间的大 孔隙则基本上被水泥颗粒填满。所以，加同后的水泥土中易形成一些微区的水泥较多，而在大小 土团内部则没有水泥的现象，只是在经过较长的时间后，十团内的土颗粒在水泥水解产物的渗透 作用下，才逐渐改变其性质。因此，在水泥土中不可避免地会产生强度较大的和水稳定性较好的 水泥石区和强度较低的土块区。两者在空间相互交错，从而形成了一种独特的水泥十结构。因此， 水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被粉碎的越小，水泥在土中的分布就越均匀，则水泥土结 构强度的离散性越小，其宏观的总体强度也就越高。 2 2水泥土的无侧限制抗压强度及其影响因素 水泥土的无侧限制抗压强度q u 一般为3 0 0 - - , 4 0 0 0 k p a ，它比天然软土大几十倍至数百倍”。其 变形特征随强度不同而介于脆性体与弹性体之间。水泥土受力开始阶段，应力与应变关系基本上 符合胡克定律。当外力达到极限强度的7 0 8 0 时，水泥土试件的应力和应变关系不再继续保持直 线关系。当外力达到极限强度时，对于强度大于2 0 0 0 k p a 的水泥土很快出现脆性破坏，破坏后的 残余强度很小；对于强度小于2 0 0 0 k p a 的水泥土则表现为塑性破坏。 影响水泥土抗压强度的因素很多，主要有： ( 1 ) 水泥掺入比a w 。水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大，当a 一5 时，由丁水泥与 十的反应过弱，水泥同化程度低，强度离散性也较人，故在深层搅拌桩的实际施工中，选用的水 泥掺入比宜大于5 。分沂入沭调尾拦河坝深层搅拌桩围井试验采用的水泥搀入比为a w ：8 - 1 2 。 ( 2 ) 龄期对强度的影响。水泥土的强度随着龄期的增k 而增大，一般情况f ，7 天的水泥土 强度可达标准强度的3 0 5 0 ，3 0 天可达5 5 7 0 ，在龄期超过3 0 天后仍有较大的增加，当水泥掺 入比为7 ，1 2 0 天的强度为2 8 天的2 0 6 倍：当水泥掺入比为1 2 ，1 8 0 天的强度为2 8 天的1 7 9 倍；当龄期超过3 个月后，水泥土的强度增长才减缓。 表21 水泥土的无侧限抗压强度m 随土样含水量的变化值 ( 3 ) 含水量的影响 含水量的多少也给水泥土桩的强度带来较大的影响。根据这一结果，我们提出水泥与强透水 层的粗砂和砾石在地下水水位稳定的情况f 凝结成的凝结体能够阻水和截渗以及水泥凝结体与 基岩通过重力作用胶结而成的基岩面也具有阻水和截渗作用。 ( 4 ) 水泥与土搅拌效果的影响 被加固的土体破碎的越细、水泥与水强制搅拌越充分、水泥分布在土中越均匀，则水泥土的 无侧限抗压强度就越高。 此外，士体中的有机质和可溶性盐可使土具有较大的水容量、塑性、膨胀性以及较低的渗透 性，使士体具有一定的酸性，这些阻碍了水泥水化反应的进行，从而影响水泥土的强度。 表22 试验区不同成因软土的水泥加固试验结果 2 3 深层搅拌水泥土桩连续墙的截渗机理分析 水资源的短缺是直接关系到国计民生的大事。目前我国水利上程平原河道水库的截渗设计既 是我国各流域水利t 程建设的关键问题，又是岩土力学中比较复杂和困难的问题。截渗技术已由 普通截渗技术向现代基础处理技术的转化应t j 。如何保证截渗工程既安全可靠义经济合理，已成 为当前水利建设中的一项重要研究课题。 基础截渗之所以复杂副难，是由丁_ _ 在天然地质中一些特殊的力学性质在目前尚不能用室内或 野外常规试验方法准确的测定，例如： 1 ) 一般土力学计算砂层的士压力和抗剪强度时，均认为砂土无凝聚力，只有内摩擦角。但 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章深层搅拌桩连续墙截渗机理 在地质年代久远的砂层或潮湿而不饱和的砂层中，可能存在有结构强度或似凝聚力，但它是不易 测定和估算的p 1 ； 2 ) 淤泥质饱和软粘土的艮期强度指标有可能小于常规试验方法所测定的指标； 3 ) 在非饱和粘土层中，用常规试验方法所测定的凝聚力包含真凝聚力和吸附强度两种不同 性质的组成部分。但吸附强度并不稳定，它随着土层含水量的变化而改变； 4 ) 截渗墙周围的地下水影响截渗墙的稳定性【l 。在水文地质条件复杂时需考虑发生渗流压 力或潜蚀破坏的可能性。特别是在存在较大水位落著的情况下，水泥土截渗墙中的水泥成分易被 水流冲刷带走。因而截渗工程应安排在地下水位变化相对较小，此时，截渗墙两侧的水势稳定， 容易形成稳定墙体；水位变化较大时，截渗墙两侧的水势不稳定，墙体容易被地下水水流淘蚀， 成墙质量差。 2 3 1深层搅拌水泥土桩连续墙理论应用 深层搅拌桩连续墙结构计算的首要问题是土压力理论。虽然传统的库伦和朗肯土压力理论， 都有各自的假定，并且与实际情况有一定的出入，但目前深层搅拌桩连续墙截渗的设计仍还沿用 传统的理论。 在结构计算中，合理选择确定土的参数，如十的内摩擦角、粘聚力c 和土的重力密度1 ，”1 等参数相当重要。这些参数与土的性质、含水量等因素关系密切，同时他们还与深层搅拌桩连续 墙施工时的水环境较大的影响。 一、库伦及朗肯理论 ( 一) 库伦理论对深层搅拌水泥土连续墙的假定 1 ) 挡土墙是刚性的： 2 ) 当墙向前或向后移动即墙后土体分别受到主动土压力或被动土压力时，墙后的滑动十楔 体是沿着墙背或土体内某一滑裂面且通过墙踵的平面发生滑动： 3 ) 滑动楔体视为刚体。 库伦土压力理论是从滑动楔体处于极限平衡状态”1 ( 当滑裂面上的剪应力等于临界抗剪强度 时土体处下“极限平衡状态”) 时的静力平衡条件出发，求解主动土压力或被动十压力的。 ( 二) 朗肯土压力理论 朗肯土压力理论假定墙背和填土间没有摩擦力( 即6 = o ) ，然后按墙身的移动情况，根据填 土体内任一点处于主动或被动极限平衡状态时的最大和最小主应力间的关系，求得主动或被动土 压力强度，然后求出主动和被动土压力。由于没有考虑摩擦力，求得的主动土压力值偏大，被动 土压力值偏小，但用朗肯理论来设计，一般是偏于安全的。 二、库伦、朗肯理论计算应用时应注意事项 通过总结各种形式的模型试验和工程实测资料，在粘土、粉质粘土以及砂、卵石地区，当应 9 中国农业大学硕士学位论文第二章 深层搅拌桩连续墙截渗机理 用库伦、朗肯理论计算深层搅拌桩连续墙土压力计算时需注意以下几点。 ( 一) 土压力参数问题 土压力参数对深层搅拌水泥土桩连续墙结构的设计是很重要的问题，尤其是抗剪强度指标的 取值。 1 ) 抗剪强度指标的测定 抗剪强度指标c ( 土的粘聚力) 和o ( 土的内摩擦角) 是计算土压力时的重要参数，它可用 三轴剪切仪试验测定：粘土的粘聚力c 和内摩擦角。必须在有效应力法的试验条件下求得。 2 ) 抗剪强度指标的应用 勘察报告中的抗剪强度指标一般用三轴剪切仪在圊结排水的条件下测定的结果，它代表施工 前的状况。但深层搅拌水泥土桩连续墙两侧的土体在基坑经过降水排水条件下，土体中的孔隙水 压力随基坑排水面减小，抗剪强度将有所增加，因此对排水的试验基坑可咀将土体的内摩擦角。 值适当提高。但如果地层吸八地面雨水或被地下水渗入时，其吸附强度将逐渐降低，直至饱和时 吸附强度完全消失1 “。 ( 二) 试验基坑开挖的空间效应问题 深层搅拌水泥土桩连续墙是个平面问题，而试验基坑开挖则是个空间问题，它存在空间效应 问题，它不仅与坑深有关，而且与宽度有关。基坑开挖后水泥土连续墙的受力状态将发生变化， 连续墙的两端受到另两面连续墙的支撑作用。在基坑四角的一定范围内与离角较远靠中线的平面 上受到的力是不同的，也就是说搅拌桩连续墙受到相邻两侧连续墙的制约影响，显然在连续墙中 线附近的土压力最大，而靠两边的压力则较小。考虑到基坑开挖厉空间效应的影响因素，可以比 较合理地减少用桩数量【15 a 6 。 ( 三) 重视场地内外水的问题 水分在土颗粒表面形成润滑剂，使摩擦阻力降低。同时当含水量增加时，粘土颗粒表面的结 合水膜变厚，降低了土的内聚力。因此随着含水量增加，抗剪强度降低。当施工场地的土体存在 有上层滞水或地下水位或承压水位较高时，需作好降水、排水和防水- l = 作| 1 7 j 8 j 。 2 3 2 深层搅拌水泥土桩连续墙的渗流分析 根据水量平衡原理，研究试验区水量的收支状况、估算渗流坡降。在天然条件f ，由丁河道 内水位的变化幅度较大，因而引起地下水水位的变化。分沂入沭调尾拦河坝及其回水段截渗工程 试验区的渗流坡降因其地下水水位的变化而有所不同。在水量平衡条什下，区域内地下水水位的 变化引起渗流坡降的变化【”】。 、渗流坡降的变化 深层搅拌水泥土桩连续墙成墙前，地下水水位受河道内水位的影响较大：成墙后，连续墙两 侧水位分别成为联系较少的两个流域水量平衡系统。靠近河道- - n ，地下水水位受河道内水位的 o 中国农业大学硕士学位论文第二章深层搅拌桩连续墙截渗机理 影响较大；远离河道的一侧地下水水位由于连续墙的作用受河道内水位的影响不大，它多受周围 地下水系统的影响。在枯水期水泥土连续墙两侧的水势差较大，如果此时搅拌桩水泥土尚未凝结， 则水泥土连续墙两侧的水势差将较大程度的影响搅拌桩的成墙质量；但当丰水期时，水泥十连续 墙两侧的水势差将较小程度的影响连续墙水泥土的成墙质量【2 0 j 。 二、允许渗流坡降的确定 根据地质资料，堤基下伏土层为单层结构和双层结构，堤基表层土为层砂壤土层、层壤 土层、层细砂层，其渗透变形形式为流土。根据水利水电工程地质勘察规范( g b 5 0 2 8 7 - - - 9 9 ) 对于砂壤土和壤土，取其临界坡降的1 2 作为十的允许坡降：对于细砂，参考土坝设计 中表2 3 给出的渗透系数对应的允许坡降值，结合工程类比，确定细砂层的允许水力坡降。 表2 3临界坡降与允许坡降见表 三、堤基渗流坡降计算及评价 假设堤基为双层均质结构，渗流坡降按下式计算2 ，=( 2 1 3 ) 式中：h ，、h ：一堤上、r 游水位( m ) ；t 、t r 一上、下土层厚度( m ) ：k - 、k 2 _ 上、下层渗透系数 ( d ) ：i 一计算渗流坡降；h 一堤上f 游水头差( m ) ；2 b 一堤底宽( m ) 。 根据地形变化和先导孔十层分布情况，在沭河左、右岸各选取3 点分别进行判定。计算时， 大堤为现状断面，上游水位采用大官庄枢纽蓄水位5 50 m ，f 游水位采用计算点处地下水位。计 算结果见表2 4 表24分沂入沭调尾拦河坝及其回水段试验区堤基渗流坡降计算表 一压生厦 旦秘 一珥 由上表的计算结果知，当堤基为单层结构时，地表土层不会出现渗透变形；当堤基为双层结 构时，上部透水层较薄时，将出现渗透变形。因此，必须采取工程措施进行截渗。 第三章深层搅拌桩连续墙截渗设计 山东省分沂入沭调尾拦河坝工程设计抗震烈度采用度设防。本区位于沂沭断裂带( 都庐断 裂带山尔段) 的南部，是一条规模巨大、活动强烈的深大断裂带，该断裂带由四条主干断裂带组 成。断层破碎带内岩性混杂，多充填有断层泥及全风化岩石的矿物颗粒为工程地质条件不良的 天然地基。断层带内岩层透水性极不均匀，透水率在0 0 1 4 1 4 2 0 0 0 l u 之间。坝址区砂层岩性主 要为砾质中粗砂砾质粗砂。 根据试验区的特殊情况，在山东省分沂入沭调尾拦河坝及其回水段深层搅拌桩截渗设计参照 试验区地质、土层情况分别进行不同的设计，并在试验中依据所编制的试验要求、试验规程等分 别进行试验。 3 1 深层水泥土搅拌桩复合地基截渗设计 山东省分沂入沭调尾拦河坝及其回水段截渗设计由于战线长、地质情况复杂，深层水泥十搅 拌桩复合地基施工设计依据先导孔试验所勘测的地质报告进行分段设计，设计深度分别为5 i o m 、 1 0 1 5 m 、1 5 2 0 m 、2 0 2 5 m 、2 5 3 0 m 几种情况，先仅就最具代表性的5 - 1 5 m 、2 0 2 5 m 两种情况进 行详细描述。由于水利工程的特殊要求，必须保证截渗效果良好，因而要求搅拌桩必须深入基岩， 确保截渗效果。 因拦河坝及其回水段附近靠近基岩的强透水层含较多的粗砂砾石，多头桩机很难达到设计深 度或达到设计深度时很难与基岩胶结，故而采用与高压喷射灌浆相结合的方式进行施工设计。 3 1 1 复合地基深度为2 0 - - 2 5 m 的情况 当深度大丁2 0 m 时，由于多头深层搅拌桩机具的钻杆在此条件下，搅拌机具受到周围土压力 的强烈作用，挠度增加较人，此时很难钻进，即使采用“夹板”即钻杆联结器也无济于事，不能 确保钻机的正常行进。因而当深度大于2 0 m 时，宣采用单头大直径深层搅拌桩机进行施工设计。 因此尽量采用两序孔的施工次序进行施工，以减少士压力的影响。 3 1 2 复合地基深度为5 1 5 m 的情况 当深度为5 1 5 m 时，满足多头深层搅拌机具的施工条件，多头深层搅拌桩机具具有施工速度 快、施j ：质量好的特点。除桩机的钻头磨损较大外，桩机的钴杆基本不受深度的影响。以_ f 为深 层搅拌桩在桩渗5 1 5 m 时截渗设计情况。 一、喷浆法搅拌桩单桩承载力的设计 根据施工区的地质勘察报告以及对搅拌机具的具体体现，拟采用搅拌桩在有效桩长范围内桩 1 3 周土的加权平均摩阻力标准值q s 取为8 3 k p a ，桩横截面面积a p 为0 2 8 3m ，周长u 。为1 _ 8 8 m ， 取桩端土承载力折减系数a = o ，按式3 - 1 1 2 2 , 2 3 1 可计算出单桩竖向承载力标准值r “* 为1 2 5 k n 。 = 吼“+ 鸣如 二、搅拌桩复合地基置换率 ( 3 1 ) 由于本次试验的目的主要是研究搅拌桩连续墙的截渗效果，即研究搅拌桩在强透水层成墙质 量是否能够满足截渗的要求以及搅拌桩与基岩的搭接是否紧密。因此水泥土搅拌桩置换率“3 仅仅作为设计桩体的参考，以此来研究搅拌桩连续墙的置换情况。 实际施工时，搅拌桩连续墙取桩距0 5 m ，置换率为1 2 6 ，桩长视先导孔深度而定。当天然 地基土的相对硬层埋深不大时，应使深层搅拌桩的桩端进入相对硬层，以提高深层搅拌桩的单桩 承载力和降低桩端下未处理土层的变形；当天然地基十的相对硬层埋深很大时，桩长取决丁设备 能力。在设备能达到的范围内应尽量增大桩长。桩径或桩的横截面般由设备能力确定a 三、搅拌桩连续墙群桩基础承载力验算 搅拌桩连续墙以群桩成墙形式出现，群桩中各桩与单桩的工作状态不同。从双桩静荷载试验 看，双桩承载力小于两跟单桩承载力之和，双桩沉降量均大于单桩沉浆量”。当摩擦型桩面积置 换率较大( 2 0 ) 且是单行排列时应验算阳 层地基强度。 四、深层搅拌桩复合地基承载力计算 1 ) 承载力计算模式 深层搅拌桩复合地基的窖许承载力计算式为： 艮= 粤 ( 3 2 ) 深层搅拌桩复合地基的极限承载力，其确定有以一卜两种： ( a ) 面积比公式： p 矿二k 1 五1 ，理p + k 2 a 2 ( 1 一m ) p 。f ( 3 3 ) p 。r = k 2 p 【1 + m ( n 1 ) j ( 3 4 ) ( b ) 应力比公式： 乃：k ! 丛 1 + m 一1 ) 】 ( 3 5 ) 2 ) 深层搅拌桩桩间士承载力计算 。 n 深层搅拌桩复合地基桩间土极限承载力取相应的天然地基极限承载力值。天然地基极限承载 力除了直接通过载荷试验确定，以及根据土工试验资料。查阅有关规范确定外，也可采井js k e p t o n 极限承载力公式进行计算。s k e p t o n 极限承载力公式为”“： 乃= c 。趣+ o 2 b ) 0 + o 2 詈) + 归 3 ) 深层搅拌桩复合地基加固区下卧层承载力验算 1 4 ( 3 6 ) 中国农业大学硕士学位论文第三章深层搅拌桩技术截渗设计 在基岩深度较大时，如果复合地基加固医的下卧层为软弱土层时，按复台地基加同区容许承 载力计算基础的地面尺寸后，尚需对r 卧层承载力进行验算。要求作用在下卧层顶面处附加应力 p 0 和白重应力之和p 不超过下卧士的容许承载力 r ，即 p = p o + 盯， 2 0 0 ；渗透系数小于i x10 1 0 4 c m s ( 1 i 9 ) ； 墙厚大于3 0 c m ；墙体垂直度偏差小于o 5 ；墙体中心线允许误差4 - 3 0 m m ；墙体表 面光滑平整、墙体灰土拌合均匀。 3 4 2 高压喷射灌浆设计 高压喷射灌浆位置选在坝后l o o m ，为单排孔，孔距1 5 m ，下端嵌入基岩1 o m ，上端插入亚 粘土或坝体内不小于2 o m ，在基岩内及其以上1 - o m ，采用旋喷，在中粗砂或粗砂砾石内采用4 5 0 摆喷，在亚粘土或坝体内2 0 m 采用定喷。高压喷射灌浆如表。 表32部分堤段截渗高程设计指标 高压喷射灌浆设计指标如下：抗压强度一 6 m p a ；渗透破坏比降2 0 0 ；渗透系数i 1 o x 1 0 。c m s ( 1 i 9 ) ；墙厚3 0c m ；( 5 ) 变形模量1 0 0 5 0 0 m p a ；( 6 ) 钻孔斜度0 5 。 3 5 试验区工程概况 沂沭河洪水东调南f 工程是统筹解决鲁南、苏北洪水出路的战略性工程，分沂入沭工程是东 调南下：程整体规划的关键性工程，是国家和山东省的重点建设工程项目。该工程是实现国务院 历次治淮会议要求加快东调南下工程建设步伐的一个步骤，是苏鲁两省人民的一项“束洪”和“甘 露”丁程。沂沭河洪水东调上程，是山东省综合治理沂沭泗水系“东调南下”规划的重要组成部 分，其目的是通过开挖人工河道，兴建拦河闸坝、复堤护险等一系列工程措施，迫使沂沭河洪水 由向南淌改为朝东流，经新沭河就近入海，腾出骆马湖和新沂河部分排蓄洪水的能力，接纳南四 湖南f 的洪水，最大限度地减轻苏北鲁南地区的洪涝灾害。 本课题试验区位于山东省临沂市临沂、郯城、l 临沭三县( 区) 交界处，该区联系沂河、沭河 两大水系，上起沂河刘家道口枢纽，下接沭河大官庄枢纽，是分泄沂河洪水使之东流入海的主要 分洪水道，其分泄洪水流量由彭家道口闸控制，设计分流量近期为2 5 0 0 m 3 s ，远期为4 0 0 0m 。s 。 3 5 1 水文气象 本区多年平均降雨量为8 5 0 m m ，降水量年际变化较大，并且常常出现连丰连枯的现象，降雨 量年内分配不均，夏季6 8 月份降雨占全年降雨量的6 0 7 0 ，而冬季1 2 2 月份仅占年降雨量 的1 0 左右，陆地水面蒸发量全年约为1 2 0 0