（水利工程专业论文）振冲技术在砂壳坝抗震加固工程中的应用研究.pdf

摘要 摘要 山东省属多地震区，水库众多，且多为心墙砂壳坝。心墙砂壳坝的心墙质量较好，但 砂壳较普遍地存在着抗震稳定性较差等问题。振冲技术自7 0 年代引入我国以来用于软基 加固效果较好，但应用于砂壳坝上游坝坡尚未见工程实例。自1 9 9 6 年开始，结合岸堤水 库大坝砂壳上游坡的抗震加固工程，开展了振冲技术加固上游坝壳的试验研究。从振冲加 固后对坝壳的质量检测结果看，用振冲法加固心墙砂壳坝上游坝坡是成功的，工程实施后 取得了较好的经济效益和社会效益。本论文主要阐述了：( 1 ) 心墙砂壳坝上游坝坡振冲加 固机理( 2 ) 上游坝壳振冲旆工的较完整的工艺流程和施工方法( 3 ) 在旖工过程中总结出 的振冲加固上游坝坡的施工经验( 4 ) 为保证施工质量而建立的可靠的质量保证体系。实 践证明，与其它常规方法相比该方法具有旌工速度快、工期短等特点。振冲法加固心墙砂 壳坝上游坝坡技术在岸堤水库上的成功应用，使它成为解决砂壳液化的一条新的有效途 径，为其它同类型大坝的抗震加固提供了可借鉴的方法。 关键词：心墙砂壳坝上游坝坡抗震加固振冲技术 a b s 仃a c t a b s t r a c t s h 锄d o n gp m v i n c ei sl o c a t e di nt l l e8 e i s m i cb e h 、v i mi 岫e r o u sr c s e r v o i r 8 ，m o s to fw h i c h a r ec o r cw a l l 鲫es a n d e ds h e ud 撇s h lt l ec o r ew a l lt y p es a i l d e ds h e l ld a r n s ，c o r cw a i li so f g o o dq u a l i 劬b u ts a i l d e ds h e l lc o n l i n o n l yo fp o o rs e i s i n i cs t a b i l i 何 s i n c e 1 9 7 0 s ，t l l e v i b r o n o 切土i o nt e c h n i q u ew a si i n r o d u c e di n t oc k n af o rs o f tf o l l l l d 撕o ns 仃e n g 吐l e f 血gw i mb e 仕e r r e g i l l t sb u tw 曲o u ta p p i i 硎o ni u p s 在e 吼s l o p ei ns 趾d e ds h e nd 锄s f 如m1 9 9 6 ，c o m b i i l i n g 诵t ht h ee a r t h q l l a k e r e s i s t a n ts n e n g t l l e n i i 培p r q e c t si nt l l eu p s _ e 姗s l 印eo fs a 玎【d e ds i l e ud 锄， 也et e s t sw e r cm a d ef o rs t i 舶昏h e 血gu p s 虹e 锄s h c u 血r o u g hm ev i b r o f l o t a t i o nt e c h l l i q u e f m m 曲峙q l l a l 畸m e a s 诚gr e s u l t s ，i th 髂b e e i ls u c c e s s f i l lt os 骶n g t h e n 也eu p s t r e 锄s l 叩eo f c o r ew a l lt ”es a n d e ds h e l ld a mt h m u g h 出ev i b r o f l 0 伽o nt e c l l r d q u e ， i th 勰m a d ef i n e c c o n o m i ca n ds o c i a jb e n c f i t s i nt h ep 印e r ，t h e 、) l f 血e rs e t sf 0 曲t 1 1 ef 0 u o w s ： l t h e m e c h a t l i 锄w e r em a d ef o rs h 它n g l e n i n gu p s t r e 锄s h e nt l l r o u g ht h cv i b m n 帆i o nt e c h n i q u e ； 2 t 1 1 cm u c hi t e g r a t e dt e c l l l l i c s 姐dm 甜1 0 d so fv i b m n 删o nc o n s 仇l c t i o nm i l p s n 锄ms h e l l ； 3 血ee x p c = r i e n c eo fs t r e 呲n i n gu p s h e a ms 1 0 p c 岫g hv i b i 明删o nt e c h i l i q u em i r i i i gt h e c o n s 咖c t i o n ； 4 m er e l i a b l eq u a l i t ya s s u r 锄c es y s t e r nb 试l tf o r t h ec o n s 缸1 l c t i o ns y s t e m ni s p r o v e dt h r o u 曲p m c t i c et t l a tm ev i b m n o 伽o nt c 蛳q u ei so f r 印i dc o n s 劬王c 畦o ns p e e da n d h o r t t i m el i i l l j tf o fp m j e c t si nc o i n p a r i s o nw i mo t h e rc o n v 枷o n a lm 劬o d s t h et e c l l i l i q u eo f s b 汜n g t h e n i n gl l p s 订e ms l o p ei nc o r ew a l lt y p es a n d e ds h e ud 锄m r o u g hv i b m n o t a t i o nm e t l l o d i sa p p l i e ds u c c e s s 矗m ya n di sb e c o m i n ga l ie 航c t i v ew a yt os o l v e 血ep m b l e mo fs 趾d c ds h e u 1 i q u e f a c t i o n nh 雒p r o v i d e daw a yf o rr e f b 矧n c ef o rt h ed a m sf o r e 缸h q u a k e r c s i s t a n t s 缸r l g 山e n i n go f t h es 锄el 【i n d k e y w o r d ：c o r ew a ut y p es a n d e ds h e l ld a m u p s t r e a ms h e u e a r t h q u a k e r e s i s t a ts t r e n g t h e n i n g v i b m n o t a t i o nt e c h n i q u e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者。签名，：! 隧 2 。6 年4 月日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 6 年4 月日 河海大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 中国是个多地震的国家，土石坝的抗震设计和抗震加固是项十分重要的工作。中华 人民共和国成立以后，兴建了大量的水库，其中约1 3 是粘土心墙坝。由于坝的砂壳在施 工时碾压质量不好，密度较低，相对密度有的仅为o 2 o 4 左右，抗震性能很差。上游面 或浸润线以下的饱和区，地震时由于孔隙水压力急剧上升，坝壳砂上游极易液化失稳，从 而导致滑坡等事故。国内外土石坝在地震作用下遭受破坏的例子很多，如1 9 6 9 年渤海湾 地震时，位于度区的山东省境内的王屋、冶源、黄山三座水库的挡水土坝上游砂壳都 发生了滑坡，1 9 7 5 年海城地震时，位于v i 度区的辽宁省石门水库的挡水土坝上游砂壳库 水位以下也发生了大面积滑坡；1 9 7 6 年唐山地震时，北京密云水库白河主坝斜墙保护层发 生了滑坡现象“1 。这些都是典型的地震失稳例证。不仅如此，土石坝在地震作用下遭受的 破坏常常导致非常严重的后果，例如1 9 6 5 年，智利o l de lc o b r e 铜矿尾矿坝因地震而溃坝， 死亡2 l o 人，波及1 2 公里0 1 。1 9 2 6 年圣巴巴拉附近的地震中，谢菲尔德坝在地震时的破 坏使长约9 2 m 的坝体向下游滑移约3 0 m ，库里的水全部流失，造成了灾难性的后果。1 。 山东省属多地震区，且水库众多，仅大中型水库就有1 7 5 座，多为心墙砂壳坝，心墙 质量较好，但砂壳质量较差，普遍地存在着碾压不实、相对密度低、抗震稳定性较差等问 题。有的水库甚至在放炮开石、炸鱼、风浪冲击等情况下也发生了滑坡。为了确保水库的 安全运用，提高已建水库土坝抗御地震的能力，经过论证对土坝松散砂壳进行加固是完全 必要的，同时，对业已发生滑坡的土坝，也有必要进行修复加固，使其能正常运用。因此， 研究和采取适当的抗震加固措施，以确保水库的安全运用是一项十分重要和紧迫的任务。 由于这种情况的土坝面广量大，加固耗资巨大，如何针对实际情况，结合具体条件， 研究采用既经济又可靠实用的施工技术措施，是一项具有重大现实意义的研究课题。任何 在这一技术领域里技术的改进和突破，都会带来很大的经济效益和社会效益，使土石坝工 程的抗震加固得到更快更好地发展。 1 2 抗震加固技术综述 根据多年来的实践经验和试验研究，目前较为普遍和行之有效的抗震加固旋工技术， 第一章绪论 主要有以下几个方面： 人工加密，这是目前最基本的加固措施，包括振动水冲法、振动碾压法、强夯法以 及爆破加密法等，以增加砂土的紧密度，防止地震时发生体积变形和产生超孔隙水 压力； 增设堆石等压重，以增加坝基上覆有效压力，改善土体内部的应力状态，提高其抗 液化能力； 采用排水减压措施，以及时消散地震中产生的超孔隙水压力，防止砂土液化的产生。 其他辅助措施，如板桩围封、压盖、换土、打桩等。 这些处理措施，均要根据建筑类别和坝料的液化等级进行选择，且各项处理措施均有 其各自的适用范围。目前已建成的数万座水库中绝大多数用土石坝作为挡水建筑物，选择 抗液化效果好的处理方法，其重要性不言而喻。 1 2 1 振动水冲法 在上面提到的诸多抗液化加固方法中，振冲法有较好的适用性。振冲法由德国人 s s t e w 锄a n 于1 9 3 6 年提出，早期用于加固松砂地基。2 0 世纪五十年代后开始用于粘性 土地基的加固。我国于1 9 7 7 年开始用振冲法加固软弱地基，目前该法在我国地基处理中 已全面推广。几乎对各种工程的各类松软土地基的处理都采用过这一技术。该技术并于 1 9 9 2 年列人了我国首次编制的建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) 。振冲法按加固机理和 效果的不同又分为振冲置换法和振冲密实法。两类前者是在地基土中借助振冲器成孔、振 密、填料置换，制造一群以碎石砂砾等散粒材料组成的桩体，与原地基土一起构成复合地 基，使其排水性能得到很大改善，有利于加速土层固结，使承载力提高，沉降减少，它又 名振冲置换碎石桩法。后者主要是利用振动力和压力水，使砂层液化砂颗粒相互挤密、重 新排列、孔隙减少，从而提高砂层的承载力和抗液化能力，它又名振冲挤密砂桩法。这种 桩根据砂土质的不同又有加填料和不加填料两种。一般认为振冲置换法( 碎石桩法) 适于 处理粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，振冲密实法适用于处理砂土和粉土等地 基，不加填料的振冲密实法适用于处理粘粒含量小于1 0 的租砂、中砂地基。 河海大学硕士学位论文 1 2 1 1 国外应用振冲技术的概况 振冲技术于1 9 3 7 年首次用于振挤密实德国柏林某大楼深达7 5 m 的松砂地基，使该砂 基的密实度由4 0 振密达8 0 ，承载力提高一倍。2 0 世纪5 0 年代振冲技术引人美国曾用 于鲍尔特门桥下深达2 5 m 的松砂地基、箱峡水电站拦河闸闸基中包含的细砂层以及卡尔隆 原子能电站厂房的松砂和粉砂地基等的加固处理，都取得了显著的效果；日本自1 9 5 7 年引 进振冲技术处理油罐松砂地基效果很好。1 9 6 4 年和1 9 6 8 年，日本新泻与十胜冲地区先后 发生7 7 级和7 8 级强烈地震，其后震害调查表明凡经振冲处理的砂基震害轻微，液化现 象大为减轻，建筑物基本保持完好状态，而未经处理者震害极为严重”1 。1 9 5 7 年和1 9 6 0 年，德国与英国先后将振冲技术发展为振冲置换，用于软粘性土地基，构成振冲碎石桩复 合地基。英国仅仅曼彻斯特市自1 9 6 3 年至1 9 7 4 年就有2 6 万幢房屋的软基，采用了该法 加固处理，其上建筑物至今仍处于良好状态。另底斯港直径4 4 m 料罐的地基为河口沉积软 粘土，经振冲碎石桩处理后其沉降4 8 5 m m 减少为1 5 0 i i l m ，沉降差仅3 3 n u n ：土耳其安卡拉 市港的两个谷仓软土地基经振冲处理后，地基承载力提高，沉降减小并增强了抗震能力， 满足了设计要求”1 。到1 9 6 0 年，国外振冲加密深度可达2 5 m 。 第一章绪论 1 2 1 2 国内应用振冲技术的概况 1 9 7 7 年振冲技术引进我国后即获得迅速推广，大量用于土建、水利、冶金和交通工程 的地基与土构物的加固处理。例如官厅水库下游坝基松砂加密，消除了9 度地震液化的可 能性嘲；南通天生港电厂烟囱、厂房下的粉细砂加密，使地基的承载力由1 5 0 k p a 提高至 6 0 0 k p a ：龙口电厂主厂房砂基处理后其密实度由4 0 提高到6 9 以上，消除了7 度地震液 化的可能性：天津塘沽长芦盐场化工厂烟囱、锅炉车间的软粘土地基，十字板剪切强度仅 1 6 4k p a ，处理后复合地基承载力由4 0 k p a 增至9 0 k p a ；烟台1 8 层的交通大厦，地基为杂 填土、粉土、淤泥、细砂、粉砂和砾砂等混层，其承载力为9 0 。l o o k p a ，处理后复合地基 承载力高达3 l o 一3 8 0 l ( p a ，满足设计要求。另外，中日合资大连金波土木工程有限公司振冲 加固的若干松软土地基中，引碧人连供水工程大沙河倒虹吸深挖槽地基的粉砂液化段与淤 泥质软土段，采用振冲碎石桩处理消除了7 度地震液化，且复合地基的承载力达4 0 0 妞a ， 节约投资3 0 以上，还缩短了工期，取得了巨大的经济效益和社会效益；浙江省重点工程 汤浦水库东、西主坝坝基下含有厚层淤泥软土，可能导致坝体滑动失稳、防渗止水体系失 效等危险，经多方研究采用振冲碎石桩加固处理，既简便快速、节约投资、效果显著，获 得省优工程；浙江沿海毛屿等海塘遭1 9 9 7 年台风袭击损失严重，为赶在1 9 9 8 年台风期前 修复、加固、增高各毁坏的海塘，须加紧抢修，而海塘淤泥地基极易失稳难以抢修，经振 冲碎石桩处理后，海塘工程得以顺利进行，发挥了其抗台风巨浪的袭击，亦获得省优工程； 高速公路软土地段桥头跳车现象严重，给高速行车带来很大的不便，降低了效益、增加了 维修工程及其难度。浙江绍大线鉴湖大桥北侧软土段，以及广东肇庆大桥端州立交匝道软 基通过振冲碎石桩处理，建成数十米伸向桥头沉降逐渐减小的渐变路段，消除了跳车弊病： 辽宁长海县第一中学教学楼淤泥及淤泥质软土地基，承载力仅4 0 1 0 0 妞a ，最后采用振冲 碎石桩方案处理，复合地基承载力大于设计要求的2 0 0 1 【p a ，较原拟采用的预制桩方案节约 近5 0 ，且不用工程紧俏的三材，还缩短了工期。 1 2 1 3国内外振冲器的发展状况 由于工程要求在采用振冲法加固地基时，希望能够获得大直径、大深度的碎石桩以改 善地基的承载性能和压缩性能，同时在达到加固效果的前提下，也希望振冲加固点的间距 能加大，从而提高大面积振冲处理时的效率。在这一点上，振冲器起到了关键的作用。在 国外，7 0 年代已有9 7 k w 振冲器，它用于尼日利亚杰巴坝的坝基砂土加固，近年来，国外 振冲器的最大功率已达到2 3 5k w ”1 。 目前，随着振冲法在我国的广泛运用和科学技术的发展，振冲器的性能在不断改进， 4 河海大学硕士学位论文 振冲器结构设计得到了不断优化，振冲功率也不断加大，振冲效率不断提高。我国于7 0 年代末开始将振冲加密技术用于水利水电工程中，经过1 0 多年的摸索到9 0 年代初已得到 广泛应用，如长江三峡围堰堰体、黄壁庄及飞来峡工程的振冲加固。我国在地基振冲加固 技术得到广泛应用的过程中，取得的新进展主要表现在： 1 、振冲设备的机械化、自动化程度得到大幅提高，功率增大，效率显著提高。如7 0 年 代末在官厅水库坝基砂层处理中所使用的振冲设备，其主要参数为：电振冲击器功率3 0 k w ，振动频率1 4 5 0 次m i n ，振幅4 9 1 0 m m ，偏心距5 5 c m ，加密电流6 0 a ”1 。到9 0 年代中 在三峡二期围堰风化砂体振冲加密中所使用的振冲设备主要参数为：液压驱动变频振冲器 功率1 5 0k w ，工作油压1 3m p a 以上，振动频率2 0 0 0 2 2 0 0 次m i n ，加密电流l o o a 。该 1 5 0k w 振冲设备的特点为：整体设计合理，旅工效率高，辅助工作需要的时间少，桩体偏 斜小，振动力大，加密效果好，施工质量稳定。1 。 2 、振冲加密的深度显著增加。众所周知，随着振冲深度的增加，旌工难度和施工时间相 应增加。在7 0 年代末的工程应用中，加密深度仅为几米，到9 0 年代中时加密深度增加了 1 0 倍以上。 3 、工艺设计和质量控制水平大幅度提高： 经过大量试验，了解了不同布孔形式对振冲密度的影响，进而优化布孔： 通过填料特性试验和现场振冲试验，掌握不同填料与振冲效果的关系，以优化填料选择： 通过设备性能及工作参数如功率、加密油压、加密频率、加密电流、留振时间等不同组 合，掌握其与振冲效果的关系，以优化设备选型： 通过施工组织优化配置各项资源，最大限度地提高工效： 采用密度检测、标贯与动力触探试验、旁压模量检测等多项指标检测进行振冲旖工过程 及成品质量监控。 目前，我国在很多水利工程上采用了大功率振冲器质量控制标准。如广东飞来峡水 利枢纽利用振冲法加固中粗砂地层，使用了1 5 0 k w 液压振冲器和1 2 0 k w 、7 5 k w 电动振冲器， 加密深度2 0 m ，进尺l o 万余，面积5 万m 2 “”。在三峡工程二期上游围堰振冲加固施工中， 堰体中部6 9 m 高程以下为水下抛填的风化砂，施工中采用7 5 k w 和全液压驱动变频1 5 0 k w 大功率振冲器，振冲孔孑l 距为2 o 2 5 m ，最大振冲深度达3 0m 。经振冲加密后，水下抛 填的风化砂干密度可达1 8g c m 3 ，变形模量提高4 0 1 0 0 ，堰体中部4 0m 高程以下的 水下平抛砂砾石料，振冲后于密度可达1 9 5 9 c m 3 。 近年来，随着对振冲加固技术研究力度的不断加大，已将该技术从主要用于加固地基 s 第一章绪论 推广到土工抗震领域，它在提高地基承载力、增大土体变形模量、防止土体剪切破坏、抗 震防液化等诸多方面起到了积极作用。 由于振冲法尤其适用于砂性土地基或土料的除险加固处理，所以该方法常用于堤、坝滑坡 除险加固工程中，以提高基础的承载力与提高抗滑稳定及抗震防液化能力。振冲法加固砂 性土等无粘性土的原理，简言之就是用振冲器的强力振动迫使饱和砂土层发生液化，在液 化状态下砂颗粒重新排列，使每个颗粒都达到一个新的更趋稳定的位置，孔隙减小使砂土 的密度得到进一步提高，即振冲具有浮振作用、振动挤密作用、固结作用以达到抗震防液 化功效。数十年来，振冲技术应用于国内外大量工程的实践充分表明了该技术的可靠性， 适用性。振冲法因其施工机具和施工工艺简单，处理费用低，工期短，工程质量稳定等优 点一直被国际工程界推举为砂性土抗震加固的首选方案。在水利水电、火电、交通运输、 石油化工、城市建设及其他工业与民用建筑中，得到了广泛的使用。 1 2 2 振动辗压加固 在已建松散砂壳坝，为了提高其抗震性能，采取振动水冲法是一种经济有效的加固措 施。但是振冲法也有其适用范围，下述两种情况不适合振冲加固： l 、砂壳不纯，含砾石较多。使造孔困难，振冲无法进行。 2 、杂土较多，含泥量大。这样会影响加固效果，振冲后的密实度可能达不到预期要求。 在这两种情况下，使用振动碾压法就比较合适。振动压实原理为通过装有偏心锤的偏 心型激振器的振动，将一种上下方向的冲击力传至地面，使土粒处于高频、低振幅的振动 状态，使土粒发生惯性力。由于惯性力之差，在颗粒边界处引起应力，使颗粒产生移动， 土内孔隙减少，使土得到压实。一般情况下，碾压砂砾土需要5 旺一1 0 0 k p a 的压应力，而 粘土则需3 0 0 5 0 0 k p a 的压应力才能达到好的压实效果。 世界上第一个振动板压实器是由德国人生产的，1 9 5 0 年以后发明了牵引式振动平碾， 一般重4 _ _ 6 t ，最重达1 5 t 。以后又发展了振动羊足碾、振动垫块碾、自行式振动碾、新 型串联碾等等。在国外施工中有报导使用了新型联合碾，前面有1 5 个驱动轮，后面是 一个推动滚筒。国内有自主研制的牵引式振动平碾和振动垫块碾，重8 1 3 5 t ，振动频率 2 5 3 0 h z ，起振功率为7 万余瓦“”。 山东省大中型水库土坝抗震加固中，大多数水库使用了翻坡振动碾压加密法，如东 周水库、西苇水库、峤山水库、青峰岭水库等。也有振动水冲法和振动碾压两种施工方法 结合使用的例子，如陡山水库，其基本作法是在库水位1 1 5 o m 以下的坝体及坝基采用振 6 河海大学硕士学位论文 动水冲法加密，库水位1 1 5 o m 以上的坝体因含砾含土量较大，采用翻坡振动碾压加密。 坝料相对密度均控制在o 7 5 0 8 0 ，加固效果良好“”。 11 2 3 强夯法与强夯置换法 强夯法1 9 7 0 年始创于法国，我国于1 9 7 8 年开始在天津塘沽进行强夯法加固软土地基 的试验研究，1 9 7 9 年开始应用于工程实际，收到了较好的效果。强夯法就使重锤( 一般为 8 3 0 t ) 从高处( 一般为6 _ _ 4 0 m ) 自由落下，对土层进行夯实，以提高土层强度和降低压 缩性的一种地基加固方法。强夯法虽然在实践中已被证实是一种较好的加固地基的方法， 但到目前为止，还没有一套成熟的理论和设计方法“”。 强夯置换是强夯法的一大分支，主要是在8 0 年代后期发展起来的。它与强夯加密不 同，不是利用夯击能量击实松软土层，而是利用强夯强行排开松软土层，夯入砂砾石，钢 渣、建筑垃圾等粗粒料，形成直径粗达数米的墩体，以此改善土的性质。墩体本身的标准 强度常达到5 0 0k p a 以上，而墩问土体也因为粗粒料的吸水、排水和混入等作用，强度可 提高一级。墩与土构成的复合地基承载力常达2 5 0 3 5 0 k p a 。强夯置换将强夯法成功地 应用到细粒土与粘性土中，具有强度高、施工简单、快速等优点。以经济方面更有极大优 势，特别在填料就近方便时更是如此。武汉钢铁公司及马鞍山钢铁公司利用此法加固烧结 厂淤泥地基与原料场淤泥，分别节约资金4 0 0 0 万元与l 亿元以上，因此，该方法在非人 口密集的工程场地有很大的发挥余地，如港口工程、道路工程等“。 目前存在的主要问题是工程经验尚不够丰富，设计理论与施工操作尚未规范。如强夯 置换加固处理后，地基是一种超大型的复合地基，现在因受条件限制，不能做超大型载荷 试验，目前也无现成的经验可借鉴，如何评价这种复合地基的承载力及复合压缩模量还有 待解决。 1 2 4 爆炸振密法 爆炸法是一种在钻孑l 中放置炸药进行爆炸，借爆炸振动使松散砂层趋于密实，以消除 或减少砂土液化可能性的地基处理方法。该方法经济而快速，过去数十年中推广应用发展 不快的主要原因涉及军事与安全管理，但在大规模水利工程、矿山工程或建筑新开发区、 劈山填海等工程中，爆炸法的用途很大。由于爆炸法的本质是利用炸药爆炸时剧烈震动所 产生动力作用，引起饱和砂层的结构破坏而成为悬浮状态，发生液化现象，砂层液化后在 7 第一章绪论 自重和超载重的作用下，随孔隙水分的排出而逐渐沉积，砂的颗粒重新排列，形成新的较 原始结构的密实的砂层结构。 根据上述现象，国际工程界开展了爆炸振密的理论及其应用的研究。美国在4 0 年代 初在富兰克林福尔坝、丹尼森坝和阿尔蒙德坝进行了试验研究，研究认为爆炸振密对饱和 无粘性松散地基十分经济有效。前苏联弗洛林于1 9 5 1 年提出了标准爆炸法来判定饱和砂 土地基液化可能性并在全苏联广泛应用，近年来，随着土动力学以及旌工技术的不断发展， 爆炸振密已在美国、法国、挪威、比利时等国家得到广泛应用，均取得较好的效果“。1 9 5 8 年，我国在安徽省长河上花凉亭水库坝基的松砂层，采用了深层爆炸振密法进行处理。安 徽水科所进行了一系列室内外试验研究和野外爆炸试验，确定了需处理的深度、炸药用量、 爆炸次数及爆炸孔间距，为工程旌工积累了经验，提供了参数“。施工仅持续了两个多月 的时间，总共处理坝基面积9 1 5 6m 2 ，压密土方7 0 余万m 3 ，消耗硝铵炸药9 4 0 5 埏，爆炸 1 0 1 9 孔次，坝基松砂干密度由1 1 3 9 锄3 增加到1 5 7 c m 3 ，满足了工程要求“”。 深层爆炸振密加固方法，对于大面积深层松砂尤其适宜，具有施工简单，费用低廉等 优点。由于爆炸促使砂层原始结构破坏并在自重影响下沉积，因此，处理后的砂层紧密度 是比较均匀的。 1 2 5 抛石压重 同振动碾压法一样，抛石压重法是国内外普遍采用的一种抗震加固方法。就是在土坝 的上、下游坝脚以外或坝坡上修建抛石压重，提高覆盖压力，防止砂土液化，增加坝体和 坝基的抗震稳定性的一种加固方法。国内外采用压重来加固坝基的实例很多，例如卡霍夫 卡坝，高3 0 m ，坝基中有4 5 5 o m 厚的淤泥，含水量达到了8 0 l o o ，为了防止下游 坡地基中的淤泥被挤出，在下游坡加设了宽8 0 m 的戗台作为压重，运行两年后，观测得淤 泥含水量降低至6 0 左右，干密度从o 8 5 咖m 3 增至o 9 7 c i n 3 ，凝聚力从1 8 k p a 增至5 5 k p a ，至今安全运行“。 自1 9 9 8 年大洪水后，我国进一步加大了对病险水库的除险加固工作力度，山东省分 两批共计6 1 座病险水库列入中央补助项目，其中大型水库1 2 座，中型水库4 9 座。在已 实施的3 2 座水库的除险加固工程中，高崖、西苇、龙角山等水库均实施了大坝原护坡拆 除用以抛石压重，这样不仅降低了成本，而且对提高坝体和坝基的抗滑稳定、防止坝基从 坝脚处挤出也有很显著的功效。 河海大学硕士学位论文 1 2 6 排渗法 排渗法开始是一种处理软土地基的施工方法，在软弱粘土层中设置砂渗井，改进排水 条件，促进土层加速固结，以提高地基承载力和减少压缩量。现在，类似方法已被用于预 防饱和砂土的液化，研究表明，运用砾石或碎石排水井也是加固可能液化砂层的可行方法， 该方法目前多用于加固土坝上、下游坝基。这种方法和振冲法不同，排渗法的主要目的在 于消散砂层中发展的孔隙水压力，面振冲法的目的则在于增加砂层的密实程度。希德等人 对用砾石井排渗方法稳定易液化砂层问题进行了研究，提出了孔隙水压力的产生和消散方 程式以及砾石或排水井的计算方法”。 1 2 7 其它方法 对地震时可能发生液化破坏的土层和坝基还可以采用围封等方法，可大大减少建筑物 下面砂层液化的可能性。建筑物下面的砂层由于建筑物的存在而承受较大的压力，不易液 化，但建筑物外侧的砂层一旦液化就会影响到建筑物下面的砂层，用板桩进行围封，可消 除这种不利影响。对于坝脚处的砂层，采取压盖和围封相结合的措施，可以稳定坝脚和防 止液化土外流。上游围封可结合防渗处理，采用截水槽或混凝土截渗墙、高压喷射截渗板 墙等穿过可液化砂层。下游围封可结合排水采用反滤透水料，修筑围封井、围封墙等。 河南省南湾土坝就是在上游坝脚处设粘土截水槽，在下游坝脚处设排水坝址直达稳定 的砂卵石层，使中细砂全部都封闭在坝基范围内。山东省陡山水库在上游抛石盖重前沿处 修筑了数道连续的振冲砂桩进行围封，作为一种防止砂土液化破坏的储备安全措施。“。 1 3 振冲法用于加固砂壳的技术路线与研究途径 8 0 年代初，为了研究振冲技术加固砂壳的可能性，山东省水利科学研究院在岸堤水 库附近修建了一个试验坝( 坝高7 m ) ，进行了振冲技术加固砂壳的研究，取得了初步成果。 但能否将振冲技术应用于大坝上游坡，加固效果如何，采用什么样的施工方法和施工工艺 等等都是悬而未定的事情。为此，从1 9 9 6 年开始，结合岸堤水库大坝砂壳上游坡的抗震 加固，通过室内试验和现场工作，开展r 岸堤水库大坝振冲区的确定、振冲加固砂壳机理、 振冲砂壳的施工工艺和旌工方法以及加固效果等方面的研究。 山东省的心墙砂壳坝的抗震研究经历了三个阶段，第一个阶段是8 0 年代初砂壳坝的 9 第一章绪论 振冲加固试验，认识到振冲技术加固砂壳的可能性，并进行了振冲试验；第二个阶段是1 9 8 4 年至1 9 8 7 年，建立了动三轴试验室，开展了坝料的动力参数和液化特性的研究，接着又 开始了动力有限元计算编制了计算程序，开展了土坝的静力和动力有限元计算，进行了土 坝地震稳定性分析，确定了砂壳与坝基的液化区，并提出相应的抗震加固方案；第三个阶 段就是振冲加固技术应用于工程实例的研究，也就是本论文的研究内容。 为了摸清振冲加固砂壳坝上游坝坡的效果，确定振冲加固上游砂壳的施工方法和施 工工艺，首先开展了施工性试验。在上游坝坡，针对不同的桩距、排距和不同功率的振冲 器；布置八组梅花桩试验区，分别进行八个探槽的开挖试验和八组标准贯入试验，为正式 施工后的质量检测提供可靠的重要的保证。通过岸堤水库大坝上游坝坡振冲加固工程，首 次提出了上游砂壳振冲施工的完整的系统的施工工艺和旌工方法，并形成了成套的丰富的 施工经验，并建成了可靠的质量保证体系。 河海大学硕士学位论文 第二章砂壳坝上游坝坡振冲加固技术的机理 2 1 砂壳坝上游坝坡振冲加固机具 振动水冲法所用的机具比较简单，主要有振冲器、悬吊机械、离心式水泵和控制台， 主要设备是振冲器。振冲器一般采用b j 3 0 型，功率为3 0 k w ，也可酌情采用5 0 k w 以上 的大功率振冲器。 振冲器主要由潜水电机、偏心块和通水管三部分组成。其构造见图( 2 1 ) 。振冲器竖 轴上下端设有调位轴承，使竖轴可以在较小的偏斜( 2 。3 。) 情况下仍可正常工作。下 端另设有止推轴承。偏心块分成若干块以便于根据振动的需要调整和装拆。电机和中心主 轴均为空心，中间通一水管直至底部喷口作为下喷水口，顶部水管分出三个出水口作为上 补水口。启动电机后，偏心块以等角速度。转动。外壳的振动方程是沿水平方向的x 、y 轴作简谐振动，其振幅) ( 0 、y o 的变化为： p ) ( o 2 寿舶鲫 p y 0 2 毒“洲i i l 耐 ( 2 - 1 ) 式中，p 一偏心块重量 曲 p 外壳重量( k 西 e 一偏心块偏心距( m m ) m 角速度( r s ) 第二章砂壳坝上游坝坡振冲加固技术的机理 图2 1 振冲器结构示意图 l 一导向管2 - 一水管3 一电缆4 一上补水口卜电机6 一联轴器7 轴8 一轴承 9 一偏心块1 0 一壳体1 l 一轴承1 2 一头部1 3 一轴承1 4 一下喷水口1 5 一叶片 振冲器的偏心力和最大振幅参照式( 2 - 2 ) 计算。 t _ 卫e 出 a - 羔 ( 2 - 2 ) 式中广重力加速度( m s 2 ) m 一偏心行重动力距，m = p e 其它符号意义同前。 振冲器在振冲地下水位以上的干砂时，须增设上补水口，实践证明其加固效果是很 好的。振冲器的特性指标见表( 2 1 ) 。振冲器中每一块偏心块重量约为1 1 2k g ，偏心距 f 5 8 c m ，振动力9 0 k n ，振幅4 5m m ，振冲器的总重量1 t 左右。 河海大学硕士学位论文 2 2 振冲加固原理 用振冲法加固砂坡，是使砂上先期振动液化，重新填料固结，以提高砂坡的密度。也 就是在振冲器不断振动和射水的过程中，使孔内附近砂土和填料液化，便于振冲器下沉， 同时将悬浮砂粒及填料挤入孔壁，并传播振动和渗透压力，扩大液化区，使土粒重新排列、 固结密实。因此，振冲加固过程可大致分为：震挤、浮振、固结三个过程。现分述如下。 表2 1 振冲器主要特征 型号 b j 3 0b l 7 5 电机部分 功率( k 、7 l ，) 3 07 5 转速( r 恤l i n ) 1 4 5 01 4 5 0 额定电流 6 01 5 0 振幅( m m ) 3 8 03 8 0 振动部分振动力( 万n ) 81 6 振动加速度( 耐s 2 ) l o1 0 振幅( m m ) l o7 振冲器 长度 23 外径( c m ) 3 7 54 2 6 重量( 万n ) o 8 52 0 5 2 2 。1 砂土的动力性态 砂土的动力性态随作用力往复周数的变化，可用能量守恒关系“2 1 表示为 盯。口+ 【，+ q = 0 ( 2 - 3 ) 式中，。为三个主应力的均值，其数值主要随振冲器的动力性能及震源距离而异；o 为 砂土体应变。u 为松砂受振积蓄的位能( 弹性应变1 ，反映于图( 2 2 ) 中的平均斜率k 作 用力往复次数多，则k 或u 越大，砂土越趋于紧密而越向弹性转变；若为紧砂，且起始 应力o 。又比较小时，则反而振松、软化。0 为因砂粒塑性应变相互移动摩擦而转化为 热能的振动能量耗散，反映于图( 2 2 ) 中每一滞回环的面积a ( 它间接反映了振动阻尼比 ) 。作用力往复次数越多，则a 或q 越小，松砂剩余的塑性变形越小；紧砂在o 。小时， 一l3 一 第二章砂壳坝上游坝坡振神加固技术的机理 图2 2 砂土反复荷载下的滞回环 则反而增大。 曾用兴旺坝砂料作了振动三轴试验，所得往复荷载下的应力应变滞回曲线更精细地说 明了砂土的上述动力性质。 为了简明地阐述影响加固效果的主要因素，故假设砂坡为粘弹性体，如果只对振冲孔 壁上单质点的动应力o 。作粗略估计，则可从振动方程解得： o - = 4 ( 7 吮) 2 m s i n ( 2 矾f 一少) ( 2 4 ) 式中卜振动历时，旧q e n 往复振动次数 ? 滞后相位角 妒一g 瑞 a 振幅 l i l g ( 冬) 2c o s 泐) 爿：! ! ：一 ，l 一( 工厂) 2 】2 + 4 f 2 ( 工厂) 2 式中，y 、m 、f 、i = 昙丽，为砂坡质点的密度、质量、振动频率、阻尼比；n 、g 、 为振冲器内偏心块的个数和每块的重量、振冲器的频率。 2 2 2 震挤作用 在造孔及留震过程中，振冲器以一定的动力将孔中悬浮砂砾( 包括填料) 的一部分挤 入孔壁，使孔周砂坡挤实。从几何关系可得这种挤实比q 为 1 4 魏妇 形琵燧 。最譬 一d 河海大学硕士学位论文 町：鱼：坐些单 ( 2 5 ) ，“ l o 9 l 芒1 2 ， 式中：yd o y m ；砂坡被挤实前后的密度 d 、1 振冲孔的直径( m ) 、孔距( 按正三角形布孔考虑，通常d l 1 0 2 1 0 3 1 2 s ) ，停振后砂坡中有效应力 迅速增大，孔隙体积相应减小，故能很快完成固结。含细粒或泥质多的砂坡，k 、c ，都较 小，既难充水饱和，也难浮振液化，又难固结，故加固后除桩深能排水之外，无其它效果。 振冲浸润面很低的砂坡，其固结作用甚微。”。 以上三种加固作用的震挤和浮振过程，在振冲时几乎同时产生，但造孔时主要为震挤， 留振时主要为浮振及震挤作用；固结过程一般发生于停振之后。然而在振冲孔附近，由于 振动剧烈，渗径短，孔内填料透水性强，砂坡变形稳定较早，故在全孔停振之前，固结就 己开始，同时远处孔隙压力却还在增长，如图( 2 5 ) 所示。 1 6 河海大学硕士学位论文 图2 5u d 沿坝轴线的分布 综上所述，用振冲法加固砂坡的实质，主要是利用震挤、液化、重新固结的作用来 提高砂土的密度，振冲加固的效果，主要同下述几项有关，即：振冲器的性能、砂坡材料 的特性、施工情况及边界条件和起始条件等。 2 3 本章小结 本章主要论述了用振冲法加固砂坡的原理，即利用振冲器使砂土先期液化重新填料固 结，以提高砂坡密度的方法。同时，本章还重点介绍了振冲器的组成及主要技术性能指标。 ；r墨甚。畦杀嚣篡 锄 ，至誊 第三章上游砂壳振冲区的确定及振冲加固旌工技术 第三章上游砂壳振冲区的确定及振；中加固施工技术 3 1 加固区的确定 通过研究和验算表明，土坝上游砂壳振冲加密的范围和深度，一般情况下不必象通常 所考虑和实行的那样贯穿坝体整个深度的全断面加固，只要在易于液化的坝坡上层区即平 行于坝坡进行一定深度的上层加密，就可抗御一定设防的地震强度，获得符合设计要求的抗 震稳定性。平行于坝坡上层区加固的平均深度视设防地震烈度和坝高而定，根据初步的认 识，一般为坝高的l 3 l 4 “1 ，对于坝高为3 0 m 左右的土坝，大约平均只需加固8 m 深度 左右即可。具体实施时，加固深度可由坝顶向坝脚逐渐加厚。因此，目前常用的振冲器设 备就可以满足一般土坝振冲加固施工的要求， 全断面加固相比，一般能节约投资1 ，3 1 2 ， 从而大大减少了施工的难度和投资经费。与 有很大的经济效益和推广意义，因为深度越 小施工越容易，工效越高，而利用目前常用的设备，加固1 0 1 5 m 以上的深度就比较困难。 拟定了加固区，加固深度以及加固的相对密度后，再采用加固后动力有限元分析进行 核算，以最终确认加固后的抗震稳定性，并可用圆弧滑动法验证整个坝体的整体稳定性。 具体设计和验算步骤如下嘲： ( 1 1 根据拟定的加固区和加固紧密度，将土坝重新划分离散化了的单元，将加固区和非 加固区用有限单元分隔开。 r 2 1 根据静三轴和动三轴在不同控制的相对密度( 一般为3 4 种) 下试验得到的有关 计算参数，用内插或外延的方法得到设计相对密度下的有关静、动应力参数。 ( 3 ) 确定地震前坝体的静应力，即每个单元的o 。，o ，t 。，n = t o ，等值。 ( 4 ) 计算土坝在设防地震烈度下的动力反应，确定地震情况下的各单元等价水平地震剪 应力tx v d 和等价地震剪应力比07 = t ；y d o ，设单元的安全度为f a - 6 p ，昼为 由室内动力试验确定的液化剪应力比，就可以算得土坝经加固后各单元的安全度及其在坝 体内的分布。假若全断面各单元安全度f a 都能满足1 0 5 以上的要求，则可以认为土坝 加固后的整体稳定性是可靠的。 ( 5 ) 如果安全度f 。达不到要求，则需调整加固区和加固深度，重新上述前四个步骤，如 此循环，直到全断面f 。值达到要求。 河海大学硕士学位论文 3 2 振冲设计要素 砂壳坝上游坝坡振冲设计包括：振冲机具的选择、振冲孔距的确定、振冲施工方法、 振冲旌工工艺、振冲填料的要求以及施工质量的控制等，上述设计因素中最重要的一个问 题是振冲孔距的确定，它是确保旌工质量达到要求的一个重要环节。 振动水冲法施工孔距的设计目的，是确定一个合适的孔距，通过造孔、回填填料和 振动挤密等作用，使被加固的松散砂层加密到符合设计要求的紧密度。但目前对孔距设计 还没有精确的计算公式。初步设计时，可按式( 3 一1 ) 予以估算。先加固前后紧密度的变化 计算加固每立方米地基或砂壳所需要的填料数量v a ”“。 只：! ! 丛鱼二尘( 3 1 ) 4 ( 1 + 口0 ) ( 1 + 力 式中，r 砂土加固前的原始孔隙比； r 加固后要求达到的砂土孔隙比； e l 回填料的孔隙比( 一般可采用0 5 ) 孔距一般均按等边三角形布置，则孔距d 可用下式求出 d = 鼯 ( 3 2 ) 式中v _ 每孔填料数量，可根据现场试验确定( m 3 ) s 振冲孑l 深度( m ) 一加固每立方米坝体所需用的填料( m 3 ) 但由于现场情况和土料的复杂性，加之施工工艺的控制因素不同等原因，用上述公式 计算出的设计孔距仅是参考值。在正式施工以前应在加固场地或坝体上进行取施工性试 验，以最后检查和验证设计孔距是否能达到预期的加密效果。试验时可在现场布设若干组 不同的孔距，一般三组即可，每组7 孑l 至1 0 余孔。一般为梅花型( 即等边三角形) 布置， 孔距可由大到小。振冲完后，分别在桩身、二桩问、三桩间进行质量检查后；最后选用既 经济，用料少，又能满足设计紧密度要求的孔距。一般来说，随着孔距的增大，加密的效 果减弱。孔距的选择可以在1 3 m 2 5 m 内进行，加密要求愈高，孔距布置愈小。 第三章上游砂壳振冲区的确定及振冲加固施工技术 3 3 适宜振冲加固的坝料及填料 装 v 静 絮 蹬 技径t m m ) 图3