振冲加固技术在赤石迳水库地基处理中的应用_余尚兴.pdf

154 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）振冲加固技术在赤石迳水库地基处理中的应用 余尚兴（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关 512000）摘 要：在水工建筑设计施工中，基础处理加固是需要解决的核心问题之一，如果基础的处理不到位，建筑整体的稳定性和可靠性会受到很大影响。从振冲加固技术的作用机理出发，结合赤石迳水库的实际情况，对振冲加固技术在地基处理中的应用进行了探讨。结果显示，在经过加固处理后，地基的稳定性和承载能力得到了显著提升，能够很好地满足工程地基的设计需求。关键词：水工建筑物；水库；地基处理；振冲加固技术 中图分类号：TV551.4 文献标识码：B文章编号:1007-7596（2022）12-0154-04 收稿日期 2022-11-18 作者简介 余尚兴（1 9 9 1-），男，广东韶关人，工程师。0 前 言水工建筑的主要功能是承载水力，保护水资源，在水利工程建设、农业灌溉等方面发挥着非常重要的作用。水工建筑物的基础直接决定了建筑的稳定性和安全性，需要严格依照相关标准和规范进行设计和加固。对比常规建筑地基，水工建筑地基在要求具备良好稳定性和承载能力的同时，也必须具备较强的防渗性能，这样才能适用环境要求，保障建筑的安全性。1 赤石迳水库概况赤石迳水库位于广东省韶关市仁化县西部，距仁化县城 9 公里，为已建的中型水库枢纽工程，总库容 1487 万 m3。坝址以上集雨面积 14.05 km2，全流域面积 138.05 km2。水库四面群山环抱林木茂盛、植被良好，是仁化县主要的灌溉工程之一。赤石迳水库建于 1958 年 5 月，当时兴建的主要工功能以灌溉为主、兼顾防洪。水库建成后为仁化县董塘、丹霞、仁化三镇 1567hm2农田提供灌溉用水，为农业生产打下了良好的基础。1973 年为解决水库管理经费来源，在坝后建成二级电站，总装机 920kW，由于水量不足效益较差。1974 年，赤石迳水库上游建成集雨面积 124km2，总库容 6780万 m3的高坪中型水库，经 13km 渠道，引进 5.3m3/s流量，除保证凡口铅锌矿 0.6 m3/s 流量生产生活用水外，尚有 4.7 m3/s 流量，通过火冲坑电站发电后注入赤石迳水库1。此后赤石迳水库水源充足，水质良好，因此，可行性研究报告中，提出增加向仁化县城供水的任务。所以，赤石迳水库工程任务是以灌溉为主，兼顾防洪、发电、供水等，是综合利用的水库。2 振冲加固技术作用机理振冲加固技术的作用机理体现在两个方面：一是应力集中效应。碎石桩本身在强度和刚度上远远超过了桩间土，而在两者共同作用时，地震剪应力会集中在碎石桩上，桩间土承受的应力大大减小，相应的减少了超孔隙水压力引发的液化问题。借助横向挤密作用，对地基土层进行压缩，减少孔隙。桩体本身较高的承载力在和桩间土组成复合地基DOI:10.14122/ki.hskj.2022.12.037 155 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）后，能够实现对于地基的有效加固；二是振冲挤密作用2。借助振冲机的振动，确保软土中的孔隙水压能够快速消散，加速地基沉降固结，进一步提升土体的固结度，增强地基的承载力。振冲加固技术有着很强的适应能力，在砂土、粉土、素填土等地基加固处理中，都能够取得比较理想的加固效果，理论上，只要地基中小于0.005mm的粒径含量不超过 10%，在借助振冲加固技术进行处理后，挤密效果都可以得到显著提升。当土壤挤密度处于合理区间范围时，填料遇到的抵抗阻力较小，需要用到更大半径的桩体，土体和桩体的结合力更大，加固效果更好。如果土壤挤密度过低，在桩间土松动的情况下，土壤和桩体的结合难以达到平衡，地基加固效果也不够理想。通常认为，振冲加固技术更适用桩体抗剪切力超过16kPa的区域3。3 振冲加固技术在赤石迳水库地基处理加 固中的应用3.1 地质状况调查赤石迳水库位于仁化县西北部，属丘陵盆地地貌，以侵蚀堆积外动力地质作用为主。区内地势呈南低北高，北部为海拔 300 500m 的丘陵，山脉走向多为东西向，山体宽厚，山坡为缓斜坡，坡度约 20 40，植被茂盛，南部沿锦江及其支流董塘河发育有较为广袤的冲积盆地。工程区内地貌特征属丘陵盆地地貌，以侵蚀外动力地质作用为主，堆积外动力地质作用次之。水库左坝肩山体边坡浅层土体多次产生大面积滑坡，滑坡体从坡下至坡上由三级次级滑坡组成。2005年 5、6 月份暴雨季节，边坡下部以及中部第级堆积层失稳下滑，又产生了大面积滑坡，原排水沟和挡墙被冲毁；第三级潜在滑坡体处于边坡后缘，地形陡峻，滑面陡倾,坡体结构为：上覆平均厚0.30 3.20m 的残坡积物，下伏基岩为石炭系砂岩、石英砂岩及泥盆系石灰岩，基岩面较陡,雨季接近于临界失稳状态。发生险情后采用截流排水、削方减载并设置重力式挡墙加锚索系统对此边坡进行了加固4。现状山坡坡度以缓斜坡为主，植被基本上发育良好。区域除局部小规模滑塌现象，未发现有严重危害边坡稳定的软弱面及构造组合，也没有发现边坡失稳的迹象，边坡基本上是稳定的，工程区除左坝肩山体滑坡外，未发现其他大规模的崩塌、滑坡、泥石流等不良物理地质现象5。3.2 地基渗透性分析坝基地层主要为强风化、弱风化和微风化粉砂岩等。根据现场注水试验及压水试验成果：强风化粉砂岩为砂状结构，块状构造，灰色青灰色，岩芯多呈碎块状，块径约 1 5cm，棱角状，局部夹饼状、短柱状，长约 5-10cm，断面粗糙稍有光泽，节理裂隙较发育，裂隙面未变色，为软岩。渗透系数为 2.1310-3 1.5110-2cm/s，属于中等透水，渗透性较强。弱风化粉砂岩为砂状结构，块状构造，岩芯多呈短柱状，长约 5 15cm，局部夹饼状、碎块状，块径约 1 5cm，棱角状，断面粗糙，稍有光泽，节理裂隙较发育，裂隙面未变色，为软岩。压水试验透水率为 2.5 10.0Lu，属于弱透水，平均值为5.4Lu。微风化粉砂岩为砂状结构，块状构造，灰色 青灰色，岩芯呈短柱状，长约525cm，断面粗糙，稍有光泽，节理裂隙稍微发育，裂隙面未变色，为较软岩。压水试验透水率为 2.4 5.5Lu，属于弱透水，平均值为 3.8Lu6。3.3 做好施工准备应该对施工现场进行清理，避免杂物影响工程的质量和和进度，如果施工范围内，存在淤泥等难以清理的物质，可以借助抛石挤淤的方法，将淤泥从施工区域挤出，以确保施工的顺利进行；应该做好测量放样。结合该工程的实际情况，在测量放样中，可以采用标记法，对每根桩体的位置进行核对和标记，要求其能够与设计图纸保持高度一致；应该加强技术交底。确定好碎石桩位置后，需要对施工人员进行技术交底，确保其了解施工方案，明确振冲加固技术的施工方法，避免在施工中出现失误。不仅如此，考虑水工建筑基础的实际情况，在运用振冲加固技术进行处理时，还需要准备好施工材料和施工设备，如碎石填料、金属材料、振冲器、起重机等，这样才能最大限度地保障施工的质量和效率；四是确定施工范围。振冲技术的应用能够切实提高地基加固效果，如果在进行地基加固的过程中，发现地基结构松散，需要调整施工范围，在土质挤密区域进行施工。若土质挤密效果不理想，其对于填料的阻力较小，必须加大桩体直径，提高 156 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）土体和桩体之间的结合力，保证基础的牢固性。在地基加固外围区域，应该加宽约 4m，确保地基加固的充分性，外围需要设置振动桩和碎石桩，提升基础处理效果。3.4 重视桩位布设通常情况下，桩位布设采用的形式有矩形、正方形和等边三角形 3 种，矩形最为常见，正方形适用于大面积加固，等边三角形则适用于单独基础的小面积加固。在对桩间距进行设置时，应该将现场的地质条件考虑在内，如果自然土的强度较大，可以适当的加大桩间距，如果自然土的强度较小，则需要适当减小桩间距7。孔位间距的计算同样非常关键，在计算孔位间距时，需要确保相邻桩体之间具备较强的阻力，提升桩体结构的稳定性和承载能力。结合该工程的实际情况分析，最终采用的是三角形的基础结构。3.5 确定桩体长度应该依照地基土质确定桩体长度，若地基为软土且深度较大，需要增大桩体长度，反之则可以使用短桩。结合该工程的实际情况，在考虑各方面影响因素的情况下，采用的是 9.4m 的短桩，通过适当缩小桩间距的方式来确保地基具备较高的承载能力。应该对振冲深度进行控制，在土质砂层较浅的区域，可以穿过砂层来全面加固地基，在土质砂层较深的区域，可以根据地质情况考虑桩体长度。3.6 做好填料施工填料施工的效果会对碎石振冲的效果产生直接影响，可以将桩体更好地挤压到软土层中。在地基力的影响下，石料间的相互作用能够更好的保障地基的稳定性和可靠性。石料将本身有孔隙的存在，可能影响水体的渗透效果，若在相对疏松的砂石区域进行振冲挤密，可以将石料和砂砾充分混合后填充，保证填充的密实性。3.7 施工质量控制施工过程质量控制。在针对地基进行振冲加固处理的过程中，需要对施工用水量进行严格控制，避免水量不足引发的塌孔等质量问题。应该对水压进行严格控制，水压的调节需要结合施工现场土壤的性质进行，例如，在该工程中，地基土体的强度相对较小，需要适当减小水压，如果是高强度土体，则需要增大水压；施工质量检查。在完成振冲加固处理约 30d 后，施工单位和监理单位需要安排专人做好施工质量的检查验收，要求抽检数量不能低于桩体总数的 2%。完成地基加固处理后，可以通过静载试验的方式，对桩体的施工质量进行检验，确保基础施工能够很好地满足水工建筑的整体要求。3.8 加固效果分析对加固效果进行静载荷试验，通过振冲施工前后不同静载荷下的位移，对地基加固程度进行检测。静荷载分布设置为0900kPa，每次以100kPa递增，结果如表 1 所示。表 1 振冲施工前后静荷载试验施工前施工后静荷载/kPa地基位移/mm静荷载/kPa地基位移/mm00001003.381002.142006.442004.333008.973005.9440010.334007.6650015.3250010.2560018.2760011.6770020.3670013.5780022.4480015.2690024.6290017.34位移和静荷载承载力的大小表现为线性变化，施工前静荷载从 400kPa 增长到 500kPa 时，位移出现了较大的变化，表明此时静荷载位移处于突变点。之后静荷载的增长表现平稳，表明振冲加固后，地基的稳定性可以得到保障。对比施工前后，地基的承载力得到显著提升，可以满足工程实际需求8。4 结 语总而言之，在水工建筑物设计中，应用振冲加固技术对地基进行处理，可以显著提高地基的稳定性和承载能力，保证建筑整体的施工效果。在实践中，施工单位需要切实做好前期施工准备工作，结合现场地质勘察数据，对振冲加固技术进行合理应用，将技术的优势充分发挥出来，切实提高水工建筑地基的承载能力和稳定性，满足建筑地基使用的现实需求，实现对于水力资源的开发利用，继而带动区域经济的快速发展。157 2022 年 第 12 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.12.2022 （第 50 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.50）参考文献：1 刘强,卢伟,李晓力,等.超深振冲碎石桩加固处理深厚 覆盖层围堰堰基应用研究 J.水利水电快报,2022,(04):90-95.2 于淑云,卢俊岭.红山水库主坝坝基加固处理方法及作用 J.内蒙古水利,2021,(05):24-26.3 蔡少奇,高建文.论水工建筑物地基处理中的振冲加固技 术 J.陕西水利,2020,(11):153-155.4 廖世强,陈汨梨.深水大厚度换填砂加固地基在重力式码 头中的应用 J.水道港口,2020,(03):324-328.5 宋宇.水利水电工程建筑地基施工技术研究 J.山西水 利,2020,(02):34-35.6 郭学潮.水工建筑物地基处理中的振冲加固技术研究 J.地下水,2019,(05):248-249,270.7 孙长帅,杜姜开林.无填料振冲法在孟加拉国吹填粉细砂 场地地基处理中的应用 J.中国水运:下半月,2019,(04):240-241.8 李继才,丛建,曹军.振冲法加固砂土地基工艺选择及施 工参数控制 J.水运工程,2018,(10):197-202.（上接第 45 页）（c）粉煤灰 （d）减水剂图 4 淤泥试样含水率变化趋势以上结果的形成主要因为不同固化剂具有不同的反应机理。水泥水化后会在一定时间内生成坚硬、致密且具有胶结作用的 C-S-H 物质，促使淤泥试样强度提升；生石灰遇水会快速生成 Ca(OH)2碱性物质，同时释放热量，并加速水泥生成C-S-H物质，所以生石灰掺加后能使淤泥含水率快速降低，强度快速提升；粉煤灰自身活性差，早期主要起到填充淤泥固化土孔隙的作用，随着龄期增长，其中的可溶性物质便与 Ca(OH)2发生反应，生成胶凝物质，增强淤泥固化土强度；减水剂具有调节反应面积、增强活性的作用，可充分激发水泥的水化作用，降低淤泥含水率，提升强度。4 结 论综上所述，对于河道淤泥而言，有机质含量对水泥水化过程起到抑制作用，故在其他条件相同的情况下，有机质含量越低的淤泥固化土干湿耐久性越好。高含水率河道淤泥经过改性、固结处理后能作为工程土料使用，可达到淤泥资源化利用的目的，淤泥固结土物理力学属性主要受固化剂类型、掺量及养护龄期等的影响。对于常见的水泥、生石灰、粉煤灰、减水剂等固化剂，在强度方面，水泥效果最优，且淤泥固化土强度随水泥掺量的增多而线性增长；在含水率方面，生石灰吸水效果最显著，且淤泥固化土含水率下降速率随生石灰掺量的增大而增加。对于具体工程而言，必须充分考虑处治效果、造价、工期等因素，选择切实可行的固化剂配方，取得最优的河道淤泥固化处治效果。参考文献：1 徐杨,曹磊,阎长虹,等.城市河道淤泥固化土干湿耐久 性试验研究 J.防灾减灾工程学报:1-7.2 张志勇,严娟.城市河道淤泥固化技术试验研究 J.人民 长江,2021,52(12):210-213.3 张慧超,马旭.城市河道淤泥固化土的力学特性研究 J.山西建筑,2021,47(09):77-80.4 郑相华.脱水固化技术在黑臭河道疏浚淤泥处理中的应 用研究 J.建材与装饰,2019(24):152-153.