石城河水庫砂礫石壩基強夯法處理試驗研究

吳思鵬

摘要：本文介紹了強夯法在云南省石城河水庫地基基礎處理中的試驗研究與施工。實際運用表明：該技術能滿足設計要求，可以達到壩基基礎加固和節約投資的目的。

關鍵詞：基礎處理；強夯法；試驗研究；石城河水庫

1 引言

強夯法又稱動力加固法，它適用于砂礫石土、粉土、濕陷性黃土和人工填土地基的處理。強夯加固地基時對地基的作用結果可以概括為固結作用、液化作用、加密作用和時效作用。近年來廣泛運用于煉油廠、空港、高速公路等基礎設施的地基加固處理。而強夯法地基處理運用于水利水電工程地基加固處理還處于試驗性和嘗試的階段，其效果如何有待于探索研究與實踐。但隨著國家對環保日益重視，強夯法加固處理土石壩壩基運用前景廣闊，可有效減少壩基開挖棄渣量，有利于水土保持。本文以云南省石城河水庫強夯法處理壩基為例，簡述強夯法處理基礎試驗及施工過程。

2工程概況

石城河水庫位于宣威市西部的西澤鄉，壩址位于金沙江三級支流迤那河上。總庫容1142×104m3，興利庫容859×104m3，樞紐建筑物由攔河壩、溢洪道、輸水隧洞組成。攔河大壩為混凝土面板堆石壩，趾板建基面高程1839.00m，壩頂高程1920.00m，最大壩高81m，壩軸線長280m，壩頂寬7m，最大壩腳寬225m，設計上、下游壩坡為1：1.4。

壩址區地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期均為0.45s，地震基本烈度為Ⅶ度。

3 壩基地層

壩址區河床覆蓋層為厚9～20m的第四系沖洪積層、砂礫石層，結構松散，具有強透水性，強度低，易產生壓縮變形及不均勻沉陷，下伏基巖為P2β致密塊狀、杏仁狀、斑狀玄武巖及凝灰質玄武巖。

施工階段對壩基進行進一步勘察，根據鉆孔揭示資料，現將場區揭露深度范圍內的地層巖性從上至下分述如下：

1-1含泥砂礫石層：棕紅、褐灰、灰綠、褐灰等色，稍濕，主要以砂礫石組成。礫石成分為玄武巖，弱風化，粒徑0.2～12cm。據37組顆粒分析資料，礫石含量54.9～79.8%，平均64.5%；含泥量1.2～10.8%，平均4.9%。據現場注水試驗資料，滲透系數1.01×10-2～4.27×10-2cm/s， 平均2.48×10-2cm/s。據重型動力觸探試驗資料，該層錘擊數6.2～26.2，承載力fk為228.0～704.0kPa，修正后錘擊數N=14.72擊，承載力fk=474.0kPa；結構松散～中密。該層厚度7.0～16.4 m。

1-2含礫石粘土透鏡體：褐灰、灰綠、深灰、黑灰等色，稍濕，主要以粘土組成，含礫石、植物根莖，腐木，結構松散～稍密，巖芯呈土柱狀，呈軟塑～可塑狀態。據土工試驗資料，該層孔隙比e為0.810～1.164，平均1.017；塑性指數IP為12.9～29.5，平均24.95；壓縮系數a0.1-0.2為0.23～0.44，平均0.315MPa-1，具有中等壓縮性；凝聚力c為29.68～46.58 kPa，平均37.95kPa；內摩擦角Φ為11.25～16.58°，平均14.29°；滲透系數1.21×10-7～3.35×10-7cm/s， 平均2.29×10-7cm/s。重型動力觸探試驗平均錘擊數N=2.08擊，其天然孔隙比大，其力學性質差，地基承載力基本值fk=118.4kPa。其中在ZK30、ZK34、ZK35、ZK40、ZK41五孔有揭露，厚度分別為3.4m、2.4m、1.8m、2.1m、0.8m。該層厚0.8～3.4m。

1-3含礫石中、粗砂透鏡體：棕紅色，稍濕，主要以粉細砂組成，含礫石、泥，結構松散，孔隙較大，巖芯呈沙狀。該層重型動力觸探試驗修正后錘擊數N=2.39擊，地基承載力基本值fk=101.7kPa，力學性質差。僅在ZK37孔揭露到，厚度1.0m，頂、底板埋深10.9～11.9m。

2-1強風化玄武巖：灰綠、深灰、褐黃等色致密塊狀玄武巖、斑狀、杏仁狀玄武巖，塊狀構造，碎裂結構，節理發育，方解石脈充填或無充填，寬1～3mm，面粗糙，鐵膜和泥膜浸染。巖體較破碎，巖芯呈短柱狀及碎塊狀，較軟巖～中硬巖，中硬狀態，RQD為5～15%，較破碎。該層重型動力觸探試驗修正后錘擊數N=28.96擊，地基承載力基本值fk=915.0kPa。厚0.8～2.1m。

場地原始地基巖土的承載力和密實度見表3-1，3-2：

4 強夯試驗

4.1 試驗標準

試驗擬定質量控制標準如下：

① 河床砂礫層經強夯處理后其相對密度不小于0.75，干密度不小于2.15g/cm3。

② 強夯后地基承載力≥400kPa

③ 強夯后最后兩擊相對夯沉量不大于50mm

④ 強夯后地面最終沉降量按下表控制

4.2 能級選擇

加固深度采用梅那（L.Menard）公式進行估算：

H=α√（Wh/10）

式中：H----加固地基影響深度（m）；

α----修正系數，范圍0.38～0.8；

W----夯錘重量（kN）；

h----重錘落距；

砂礫石地基修正系數取0.5～0.6、錘重40t，落距20m時，估算的最大加固深度為14.1～16.9m。強夯試驗能級確定E=W·h=40×20×10=8000kN.m。考慮到要處理的砂礫石地基深度最高達16m，試驗中采用8000kN.m和10000kN.m能級的試夯比較。

4.3檢測參數

為了解壩基砂礫石覆蓋厚度、基巖埋深、地基在垂直向和水平向的密實均勻性，以及強夯處理后的效果，主要采用以下試驗參數進行強夯前、后的比較：干密度、原位滲透、動力觸探試驗和載荷試驗。

4.4 試區選擇

為驗證強夯法處理地基的有效性，在場區選擇了兩個區域做強夯試驗，即強夯試驗一區和強夯試驗二區。強夯試驗一、二區試驗面積均為24m×24m，即576平方米。強夯試驗一區單擊夯擊能為8000kN.m，強夯試驗二區單擊夯擊能為10000kN.m。夯點間距按4×4m布設，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序布點，分序進行強夯；在各試驗區強夯試驗前、后各布置3個鉆孔做重型動力觸探試驗、鉆孔注水試驗，并對試夯區做平板載荷試驗。

4.5 試驗成果

強夯試驗一區動力觸探試驗強夯前布有ZKD1、ZKD2、ZKD3三個動力觸探試驗孔，強夯后布有ZKD4、ZKD5、ZKD6三個動力觸探試驗孔，試驗成果統計見表4-1，4-2，4-3。

強夯試驗二區強夯前布有ZKD7、ZKD8、ZKD9三個動力觸探試驗孔，強夯后布有ZKD9、ZKD10、ZKD11三個動力觸探試驗孔，試驗成果統計見表4-4，4-5，4-6，4-4。

對地基試夯前夯后原位載荷試驗，試驗承壓板規格為1.50m×1.50m的方形鋼板，試驗成果見表4-8。

強夯試驗成果顯示，壩基砂礫石層：深度0～5.0m效果最好，深度5.0～7.0m效果好，深度7.0～9.0m效果較好，深度9.0～16.0m為強夯影響區域。試驗成果驗證了砂礫石地基在密實度、滲透性、地基承載力均有極大的改善，地基處理可達設計要求。

5 強夯施工

清除壩基范圍內耕作層及淤泥質土層1～4m，平整至高程1849m，對保留的砂礫石層地基進行強夯加固處理。保留覆蓋砂礫石層地基深度8～16m，面積12600m2。

對強夯試驗成果進一步分析，大壩砂礫石地基處理施工分三序進行，按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序布點，點點跳夯、排排跳夯，采用四遍成夯施工工藝，強夯點距按 4m×4m布置。第一遍、第二遍為主夯點，單擊夯擊能采用10000kN.m，第一遍主夯點8m×8m正方形布點，第二遍主夯點布置在第一遍主夯點相鄰四個夯點的中心處，第一遍主夯點和第二遍主夯點整體呈梅花形布置，累積夯擊數不少于20擊。第三遍為加固夯，單擊夯擊能采用8000kN.m，5.66m×5.66m正方形布點，第三遍加固夯夯點布置在第一、二遍主點夯每四個呈方形布置的夯點中心處，累積夯擊數不少于15擊。第四遍滿夯，滿夯單點夯擊能采用3000kN.m，夯印搭接1/3布點，夯點擊數3擊。

6 結語

土石壩砂礫石壩基處理采取強夯法加固處理，可減少壩基挖、填方量，減少棄渣場征占地，對環境保護有正面積極影響。通過本工程強夯試驗研究和施工證明強夯法加固砂礫石壩基可以提高地基的密實度和承載力，能滿足設計要求從而達到加固處理地基的目的。

參考文獻

[1]《混凝土面板堆石壩設計規范》（SL228-2013）.

[2]《水利水電工程鉆探規程》（SL291-2003）.

[3]《建筑地基基礎設計規范》（GB5007-2002）.

[4]《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）.

[5]《云南省宣威市石城河水庫初步設計報告》.