砂礫石振沖樁施工在水利工程中的技術應用

汪月騰

摘 要：水利工程中，擋土墻能夠有效防止工程土體變形失穩的構筑物，在一定程度上，防止水利工程發生滑坡現象，增加水利工程的穩定性。而擋土墻的底板處理上，特別是原狀地基土是軟弱層的時候，可以采用碎石樁來加固擋土墻。現階段的碎石樁的施工方法很多，其中的“砂礫石振沖樁”技術施工便利，應用廣泛。為了讓“砂礫石振沖樁”施工技術能夠應地制宜地發生作用，文章比較了不同樁型，從樁直徑和樁間距的比值角度，比較了不同樁型下對擋土墻地表沉降、固結程度以及水平變形的影響，以期找到最佳的“砂礫石振沖樁”加固方式。

關鍵詞：水利工程;擋土墻;加固技術;振沖碎石樁;施工技術

引言

全封閉止水壩的建設是在河流上實施的常規防洪機制。完全封閉的水壩會在河流中捕獲大量的沉積物，以穩定河流的坡度并控制侵蝕。但是，完全封閉的水壩不能選擇性地捕獲沉積物，并且很容易溢出，從而導致它們失去調節和保持沉積物的能力。在建設過程中，針對軟土基層，水壩多采用“直墻式全漿砌石擋土墻”，年久使用下，擋土墻往往有變形和沉陷的可能，在縱向和橫向上都可能發生較大的脆化。為減輕沉降所必須進行加固工程中，采用的處理技術有： 振沖碎石樁、預制豎向排水溝、真空預壓、深混合柱等。其中，振沖碎石樁技術具有機具設備簡單、操作技術易于掌握、施工簡便等特點。

一、技術介紹

在水利工程的擋土墻中設置一般的碎石樁具有以下效果：（a）加固效果;（b）減少沉降效果;（c）加速固結沉降效果。但在不排水粘聚力小于或等于15kpa 的軟土中，振沖碎石樁會發生過大的側向變形。此外，軟粘土可能會滲透進石樁。以往的研究大多集中在土工合成加筋對孤立石樁承載力的影響上。在研究了地基承載力、地基剛度、軟土厚度、擋土墻高度等因素對擋土墻沉降的影響后，為了克服這些問題，可以采用振沖碎石樁對單個石樁進行周邊加固。

振沖碎石樁是利用壓力水的水平振動力和振沖裝置在軟土中形成一個孔，然后填充碎石代替軟土，通過控制密度流和振動停留時間振動形成樁身。樁體與樁間土形成復合地基。當復合地基承受上部荷載時，通過礫石墊層的流量補償作用，將荷載逐漸合理地分配到樁與樁間土上，使樁與土共同承受荷載。同時，荷載作用下復合地基產生的超靜孔隙水壓力通過樁體消散，使樁間土體排水加固，強度得到提高，達到加固的目的。具體施工剖面圖如下所示。

二、施工過程

建立完整的三維模型，以了解加固的長期行為。典型的全3d 模型采用相對較細的網格布局，以便在整合過程開始時使用較小的時間步長（即0.001天以上） ，以達到更高的準確性。為了提高預測精度，在柱狀土界面區域進行了網格細化，根據模型的材料性質和幾何形狀，按照 plaxis 給出的準則計算了臨界時間步長，并用于分析。在水力邊界條件下，在軟粘土層頂面設置地下水位，在此范圍內產生靜水孔隙水壓力。在頂部施加了零孔隙壓力邊界條件。左邊界假設沒有流動進入或離開對稱平面。因為右邊界離堤岸很遠，對結果有很大影響，所以設置為不透水。采用10節點四面體單元對軟粘土、碎石樁和填土進行有限元網格劃分。土工合成材料加筋模型采用土工格柵單元，由6節點三角網面單元組成。為了在固結過程開始時達到更高的精度，所有的分析都采用了更精細的網格布置。對于具有線彈性理想塑性性能的石柱、擋土墻填土和軟粘土，采用了莫爾-庫侖破壞準則。土工合成材料被模擬為只具有軸向剛度的土工格柵單元。在產生初始應力和孔隙水壓力后，用石柱代替軟土單元模擬石柱，并按要求在地基中加入土工合成材料加筋。每層擋土墻在30天內建成，在下一階段施工前再加固30天，然后繼續計算，直到超孔隙水壓力達到接近1千帕。

三、技術應用

（一）常見碎石樁的安裝方法

擋土墻抗剪強度特性取決于碎石樁的安裝方法。振沖法分加填料和不加填料兩種。加填料的通常稱為振沖碎石樁法。振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質粘土、素填土和雜填土等地基。對于處理不排水抗剪強度不小于20kPa的粘性土和飽和黃土地基，應在施工前通過現場試驗確定其適用性。不加填料振沖加密適用于處理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振沖碎石樁主要用來提高地基承載力，減少地基沉降量，還可用來提高土坡的抗滑穩定性或提高土體的抗剪強度。由于在加載過程中，巖石柱在徑向上發生膨脹，引起粘土的側向位移，幾乎不存在界面的剪切現象。因此，為了使分析簡單，分析中沒有考慮界面元素。此外，在實際施工過程中，所采取的樁直徑和樁間距的不同，也會影響擋土墻最終的地表沉降、固結程度以及水平變形，這也是需要注意的地方。

（二）不同樁型比較分析

本次研究主要探討了不同樁型之間，在地表沉降、固結程度以及水平變形的不同。

首先，不同砂礫石振沖樁的樁直徑（diameter of stone column）和樁間距（spacing of stone column）比在固結結束時的自然地表沉降不同。以計算比分別為1.87、2.50、3.12和3.75為例，自然地表沉降分別為1.5 m、2 m、2.5 m和3m，從這個數字可以清楚地看出砂礫石振沖樁的樁直徑和間距比對沉降比率有很大的影響。

其次，由于碎石柱也起排水作用，因此，減小 s / d增加了固結程度。結果表明，s / d 比值越大，固結程度越低，這是由于載荷向柱的轉移越小所致。

對于不同的 s / d 值，碎石樁的水平變形和材料環向力也有所不同。在實踐中，可以發現，隨著 s / d 比的降低，碎石樁的水平變形趨勢急劇減小。最大水平變形深度為3 m，即石柱直徑的3.75倍。材料環向力剖面與水平變形剖面的總體趨勢一致，隨 s / d 比的增大，環向力呈增大趨勢，最大環向力為32kn / m，為直徑的3.75倍。

結論

綜上所述，在水利工程的擋土墻建設中，為了在軟土層中加固擋土墻，可采用砂礫石振沖樁施工技術。由于實際施工過程中，不同的樁直徑和樁間距最終會對擋土墻的地表沉降、固結程度以及水平變形造成影響，因此，需要依據工程的具體要求，選擇合適的樁型。在本次研究中，樁距越小，單樁豎向承載力越大，擋土墻的承載力也越大。

參考文獻：

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