水利水電工程施工中不良地基處理技術分析

盧志斌

(豐城市水利局豐東水資源開發利用中心,江西 宜春 331100)

0 前 言

通常水利水電工程多在惡劣的野外環境施工,環境復雜,且施工過程易受周邊地質水文條件的影響,不良地基更是影響工程施工的不利因素,必須要選擇合理的處理不良地基施工技術。軟土地基由淤泥、粉土等含水量大、土質松軟土體構成,具有觸變性、滲透性等特點,主要分布在廣大沿河沿海區域。水利水電工程在建設中,經常遇到軟土地基,若不對其進行技術處理,將導致工程項目存在較大的安全隱患[1-2]。為更好的提升水利水電工程項目施工質量,降低不良地基對工程的安全影響。文章分析了水利水電工程施工中有關不良地基產生的原因和相應的處理技術,并在綜合傳統技術應用基礎上,對技術應用進行展望和創新,有效提升工程項目的整體施工質量,促進水利水電工程更好的發展。

1 水利施工中軟土地基處理技術

1.1 置換法

置換法將基礎底面部分軟弱地基土或不良土用物理力學性能良好的巖體材料分層填充,再機械碾壓,形成復合地基層,提高軟土地基的承載力,減少沉降,加速排水固結。置換法主要應用于軟弱土層中地基較淺的處理。由于軟土地基難以承受施工強度,因而要進行加固壓實,通過填充碎石、砂等材料,增強地基強度。在置換過程中,工程人員要結合施工需求選擇具體的施工技術,如碎石樁法,石灰樁法。

碎石樁法利用振沖器向軟土地基噴射高壓水,形成一個施工孔,將碎石、沙等堅硬物料填入施工孔中,形成柱狀體,由土質和碎石樁結合形成的復合地基強度、穩定性均較高,因而能滿足施工要求。采用碎石樁的優勢不受地下水影響,施工成本低,呈現較高較好,因而用于淤泥砂土和粉土地基,但需要合理的布置樁體數量和樁體位置。

石灰樁法主要應用于柔軟性過高的黏土地基。利用機械打孔建立中空地帶,將生石灰填充到中空帶,并嚴密壓實,形成地下樁。封閉在地下樁內的生石灰遇水發生化學反應改變黏土性質和土層結構,提升土體的性能,此外,根據工程實際,可在生石灰中加入相關物料發生反應,滿足施工要求。

1.2 深層攪拌法

深層攪拌利用深層攪拌機將水泥、石化等化學材料固化劑加入到地基中,與軟黏土強制攪拌形成足夠穩定的地基土,提高地基承載力,減小沉降。深層攪拌法工期短,但施工成本高,主要用于抗剪強度低、壓縮性、含水量高的淤泥質土地基,主要由水泥攪拌樁法,注漿法。水泥攪拌樁法的關鍵在于固化劑,工程中通常選用石灰和水泥,利用攪拌機將水泥或生石灰混合攪拌形成固化劑直接導入軟土層,在進行二次攪拌,將固化劑和土層融合,發揮固化劑加固和穩定作用,水泥攪拌樁法應用于黃土、粉土等含水量較高土層。注漿法是用注漿管鉆入軟土土層中,以水泥或水泥混合物預制高壓混合物,將調制好的高壓制備材料導入土體中。在注漿過程中,要保證注漿管能夠在土層自由提升和旋轉,且提升過程中不停旋轉,保證植被材料充分融合。

1.3 預壓法

預壓法由加壓系統和排水系統相互配合,排除軟土地基中多余的水分,提升軟體地基固態組成。在實際工程施工中,首先將需要加固的軟土地基清理干凈,土層上鋪裝鋪水平墊層,下層鋪設塑料排水板,使墊層橫向放置在排水管道后,利用加壓系統加強壓將軟土水分由排水管排除,圖1為采用預壓法的技術圖。加壓系統主要用強載預壓及真空預壓,降低軟土地基水位。排水系統一方面可以將排水沙溝中的水分排出,另一方面可利用排水板同時進行水平和垂直向的排水。

圖1 預壓法軟土地基施工

圖2 夯點布置

1.4 加筋強夯法

加筋法是將纖維土工織物、復合材料埋在軟土層中,通過拉力產生摩擦力,引發土壤結構位移,使材料與土壤融合,減少土壤沉降、提高地基承載力。強夯法是利用其中設備將夯錘提升到一定高度,以自由落體的形式下落,對地基形成一定沖擊波,用來克服土顆粒間各種阻力,從而提高地基強度和密實度,采用強夯法可有效消除軟土層的濕陷性,提升抗液化能力。

2 強夯置換法加固技術

根據上述對集中軟土地基處理技術可以發現,不同技術的應用都各有其特點,如深層攪拌法、加筋法等,盡管該類方法能夠達到一步到位的效果,但是工程造價高,工期長,不適合水利水電工程項目的選擇。而傳統的水利水電工程區域由于上部土壤大部分為松散、密實度低的雜填土,而下部淤泥強度低,含水量高,傳統的置換法和預壓法工程量大,且施工效果不佳。

2.1 軟土地基處理

通常水利水電工程的表層土分布著不等厚的淤泥質土層,所以不僅要滿足表層持力層的地基承載力,同時需要保證軟弱層的強度。因此可在表層土壤上加固一定厚度的硬殼層和淺層軟土,對于深層的軟弱土層,可通過擴散地基應力來滿足地基承載力強度。由于深層淤泥質土容易出現沉降,因此可以采用柔性面層結構,通過定期回填來消除沉降作用,滿足場地要求。因此,針對水利水電工程實際情況提出強夯法和固結排水法形成一種強夯置換法來進行水利工程軟土地基處理,在滿足生產使用要求下,提高施工進度,節省工程投資。

水利水電工程項目通常處于深山洪溝中,場地表層厚度變化較大,且大部分為粒徑較大的雜填土粒徑較大,因此在處理方法的設計上進行了區分。對于頂高程<-1.5m區域,當回填至預留沉降高程后,控制頂面覆蓋層厚度應>6m,由強夯置換獲得滿足強度要求的墩體,并通過井點降水提升加固層效果。對于頂高程>-1.5m區域,僅僅通過回填覆蓋層難以保證軟弱下臥層的承載能力,并且單獨采用強夯法容易導致空隙壓力集中,形成橡皮土,因此結合排水固結法,通過在水平和豎向設置排水體系消散孔隙壓力,提升軟土層固結能力,同時能讓淤泥層在短時內大量沉降,提升了覆蓋層厚度。

2.2 加固技術參數

2.2.1 夯擊參數設計

夯擊參數的設置以少擊多遍、循序漸進為原則,具體根據填土厚度來調整夯擊能力,通常單擊能量保持在6000～8000kN·m范圍,對于填土厚度<6m的軟土地基層,取下限值,軟土地基層>8m時,單擊能量取上限值。單點夯擊次數根據最后兩擊平均夯沉量來確定,單擊夯擊能4000～6000kN·m 時,以最后兩擊平均夯沉量100mm確定單擊次數,夯擊能>6000kN·m時,最后兩擊平均夯沉量200mm;首次夯擊前,采用開山石料填充至預留下沉頂高程4.5m,每次夯擊結束,用開山碎石推盤夯坑。

根據水利水電工程土基地質條件,采用圖3所示位置進行軟弱土層的夯點布置,其中第1、2遍為主夯點,采用正方形布置,控制單擊能量6000～8000 kN·m,2遍夯擊間隔時間以超靜孔壓消散80%為控制標準,通常為8d左右。第三遍為夯點布置在兩個主夯點間,各夯點間距9m,單擊能量控制在4000 kN·m,后續進行2遍低能級普夯,直至滿足夯擊次數。

2.2.2 排水系統設計

動力固結排水法要求在加固下部淤泥的同時,保證軟土微結構不受沖擊載荷的破壞,避免形成“橡皮土”,因此要求動力排水固結法的加固區上部填土較薄。為滿足排水體系消散孔隙壓力,提升軟土層固結能力的要求,需要根據不同土層結構來設置排水系統。通常垂直排水系統用來處理表層淤泥或淤泥粉質黏土層,采用直徑12cm的袋裝砂井做豎向排水通道,呈三角形管布置,砂井底部布置在中粗砂以下1.0m深土層,砂井頂部布位于粗砂墊層內。水平排水系統由厚度≥0.6m中粗砂鋪設而成,砂泥含量<5%,并在區域內設置排水井。

孔隙水壓力反應了土壤層孔壓變化情況,根據不同回填土覆蓋層厚度下空隙水壓力的變化研究可知,采用強夯加固技術進行淺層分布軟土層加固時,可結合動力排水固結法可有效防止“橡皮土”現象,若下臥軟土覆蓋層加厚,可直接進行強夯加固來提升地基承載能力。

2.3 試驗分析

采取室內試驗法對軟弱土層加固方式驗證,分別選擇強夯置換法、動力固結排水法進行填土層夯前、夯后加固效果對比。其中強夯置換法采取6000～8000 kN·m能級強夯置換,處理地基承載力:填土≥350kPa,壓縮模量要求:回填土填土≥10MPa;動力固結排水法要求先施工沙井,在分級夯擊;處理地基承載力:填土≥350kPa,8m內軟土≥120kP,12m內軟土≥80kP,壓縮模量要求:回填土填土≥10MPa。

根據試驗設計活動填土層夯前、夯后加固效果如表1所示。在4～8m深度內的淺層軟土,強夯置換法和動力固結排水法均能通過碎石墩或沙井排水,土體強度均呈現一定的增長,其中平均標貫擊數N均值增加幅度較大;但采用固結排水法時,在8～12m內軟土強度也呈現出較大增幅,而采用強夯置換法對該軟土層的改善效果較小,因此,動力固結法不僅能夠有效提升表層回填土的強度,同時對于深層黏土的加固作用也非常顯著。

表1 填土夯擊加固效果

3 結 論

水利工程建設會遇到各種復雜的地質條件和惡劣的環境因素,不良地基是水利水電工程中常見的基礎類型,地基處理要滿足項目工程具有可靠的承載力和穩定性。通過對不同軟土地基的分類研究,結合工程實際情況和方案設計,探索地基處理的新理念和新技術,正確評價地基處理適用性,共同提升水利水電施工質量,并通過研制新的施工工藝促進水利水電不斷創新發展。