振沖加密技術(shù)在碎石土壩坡加固中的應(yīng)用

施工技術(shù)

振沖加密技術(shù)在碎石土壩坡加固中的應(yīng)用

郭祥初，李秀榮，詹志明

(湖北大禹水利水電建設(shè)有限責(zé)任公司， 武漢430061)

摘要：壇子口水庫大壩下游壩坡回填材料為風(fēng)化碎石土，筑壩時(shí)未碾壓，比較松散。為解決下游城市生活用水問題及防洪需要，擬對(duì)大壩進(jìn)行加高。為保證大壩安全，大壩加高前擬對(duì)下游壩坡風(fēng)化碎石層進(jìn)行加固處理。在水庫正常蓄水位下，采用振沖加密的方法對(duì)下游壩坡進(jìn)行了加固處理。大壩加高后未出現(xiàn)沉降或裂縫等現(xiàn)象，加固效果顯著。

關(guān)鍵詞：碎石土；振沖加密；液化；相對(duì)密度

中圖分類號(hào)：TU472

Application of Vibroflotation Compaction Technology in Gravel

Soil Dam Slope Reinforcement

GUO Xiang-chu, LI Xiu-rong, ZHAN Zhi-ming

(HubeiDayuWaterResourcesandHydropowerConstructionCo.,Ltd.,Wuhan430061,China)

Abstract：Weathered gravel soil is adopted for backfilling downstream dam slope of Tanzikou reservoir dam, which is not rolled during dam construction, therefore the soil is looser. The dam will be heightened according to plan in order to solve downstream urban domestic water consumption problem and flood control demand. Downstream dam slope weathered gravel layer will be reinforced before dam heightening in order to ensure dam safety. Vibroflotation compaction method is adopted for reinforcing downstream dam slope under normal water level in the reservoir. Subsidence or cracks and other problems are not discovered after dam heightening, and the reinforcing effect is significant.

Keywords：gravel soil; vibroflotation compaction; liquefaction; relative density

1工程概況

壇子口水庫位于敖水河上游，總庫容5600萬m3，壩頂全長720m，最大壩高31m，黏土心墻，大壩下游壩坡回填材料為風(fēng)化碎石土，回填厚度一般6～8m，最大15m。為解決下游城市生活用水問題及防洪需要，擬對(duì)大壩進(jìn)行加高，最大加高高度12m，大壩軸線也相應(yīng)后移。由于當(dāng)時(shí)用風(fēng)化碎石土筑壩時(shí)未進(jìn)行碾壓，比較松散，平均干密度約為1.64g/cm3，相對(duì)密度為0.41，室內(nèi)試驗(yàn)壓縮系數(shù)為a1-2=0.66MPa-1，經(jīng)計(jì)算大壩加高后碎石層沉降量將達(dá)到0.93～1.05m，變形量將超出允許范圍，可能危及上游防滲黏土斜墻安全。因此，大壩加高前擬對(duì)下游壩坡風(fēng)化碎石層進(jìn)行加密處理。

2地質(zhì)概況

大壩下游壩坡風(fēng)化碎石層在壩頂和壩腳部分厚度約為6～8m，壩坡中部厚度增大，最大厚度約15m。大壩筑壩時(shí)由于沒有進(jìn)行級(jí)配控制，各部位的碎石土變化較大，顆粒級(jí)配為：大于60mm的占0～38%，小于3mm的占0～20%，平均粒徑8～42mm。

3加固方案的選擇

加固處理方案考慮過強(qiáng)夯、翻挖、振沖等?？紤]到壇子口水庫是下游城市飲用水水源，加固、擴(kuò)建都必須在水庫正常運(yùn)行條件下進(jìn)行，且翻挖成本較高。因此，強(qiáng)夯和翻挖方案不可取，經(jīng)比較后一致認(rèn)為，采用振沖法施工比較安全且能確保工程質(zhì)量和工期。

振沖加固機(jī)械采用75kW振沖器，施工過程中從1號(hào)平臺(tái)(高程最低)向上逐臺(tái)加固。回填料選用半風(fēng)化碎石料及原壩料。為確保加固質(zhì)量，6個(gè)平臺(tái)的加密電流均控制在90～100A。水壓以有利于造孔、成樁為原則，根據(jù)實(shí)際情況控制水壓變化范圍在110～600kPa。

4施工完成的工程量

此次大壩振沖加固施工的工程量見表1。

表1　振沖加固施工工程量

與設(shè)計(jì)要求相比， 1、2號(hào)平臺(tái)施工進(jìn)尺略少于設(shè)計(jì)值，其他各平臺(tái)都超過設(shè)計(jì)工程量。4號(hào)平臺(tái)有12孔未達(dá)到設(shè)計(jì)深度(最大差距為0.8m)，且分布不集中又不宜開挖重新造樁，但到位率高于95%，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5振沖法加固砂礫石和砂基等無黏性土的作用機(jī)理

5.1擠密效應(yīng)

振沖過程中對(duì)松散砂礫石、砂基有三種加密作用：振擠作用、振浮作用和固結(jié)作用。在上述三種加密作用下，砂土的相對(duì)密度增加，孔隙比減小，干密度和內(nèi)摩擦角增大，土的物理力學(xué)性能得以改善，地基承載力提高，因此，抗液化的性能得以改善。

5.2排水減壓作用

振沖密實(shí)加固松散地基的排水減壓作用類似于砂基中砂樁的排水減壓作用，簡單來說就是砂土地基振沖加密并設(shè)置碎石樁，不僅地基的相對(duì)密度增加，而且改善了排水條件，能降低振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，提高抗液化能力。

5.3預(yù)振效應(yīng)

相同密實(shí)度條件下，經(jīng)過預(yù)震后的砂土地基比未經(jīng)預(yù)振的砂土地基具有高很多的抗震性能。預(yù)振之所以能提高抗液化能力，主要是受周期應(yīng)力的影響，使砂礫土和砂土獲得了更加致密的結(jié)構(gòu)。

6加固效果檢測(cè)

6.1取樣密度試驗(yàn)

檢測(cè)選擇3號(hào)和5號(hào)平臺(tái)，取樣深度和土樣密度檢測(cè)結(jié)果見下頁表2。結(jié)果顯示：?振沖加固后碎石樁的密度明顯增大；?加密電流為100A時(shí)碎石土的密度比90A時(shí)高；?碎石樁的密度超過2.0g/cm3時(shí)，樁間土密度大于1.86g/cm3。根據(jù)樁距，按樁和樁間土面積加權(quán)平均后，各檢測(cè)區(qū)的綜合密度指標(biāo)見下頁表3。

由于壩坡碎石土的密度和天然級(jí)配不同，振沖加固后的檢測(cè)結(jié)果表明并非間距小密度必然大，或加密電流高密度就大。但是當(dāng)加密電流為100A時(shí)，樁距為2.0m和2.25m時(shí)，振后干密度都大于1.88g/cm3，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2　各檢測(cè)區(qū)振沖后實(shí)測(cè)密度指標(biāo)

表3　各檢測(cè)區(qū)綜合密度指標(biāo)

6.2室內(nèi)試驗(yàn)

大壩下游壩坡由于未經(jīng)壓實(shí)，密度小，抗剪強(qiáng)度低。探坑開挖取得的碎石土物理力學(xué)性指標(biāo)為：干密度為1.53～1.93g/cm3，平均為1.64g/cm3，相對(duì)密度為0.41，壓縮系數(shù)a1-2=0.66MPa-1,內(nèi)摩擦角φ=23°。

室內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目有顆粒比重試驗(yàn)、相對(duì)密度試驗(yàn)、壓縮和剪力試驗(yàn)。取8組試樣檢測(cè)，風(fēng)化碎石土比重為2.90～2.94，平均值為2.92。在2號(hào)平臺(tái)挖探坑取土樣用作相對(duì)密度試驗(yàn)料，采用兩種方法試驗(yàn)：?原級(jí)配料；?去掉大于60mm粒徑部分的替換級(jí)配。檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4　相對(duì)密度試驗(yàn)成果

表4顯示，碎石樁的密度大于室內(nèi)試驗(yàn)最大密度，這是由于振沖器振動(dòng)能量比室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)?zāi)芰看?，風(fēng)化碎石被振碎并充滿碎石空隙，樁間土振沖后相對(duì)密度也達(dá)0.75。

7振沖法加固土石壩的優(yōu)點(diǎn)

a. 施工工藝簡單，效果顯著。振沖法的施工機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，維修方便。大量的工程實(shí)踐表明：經(jīng)振沖法加固的砂礫石土、砂性土密度均大大提高，基本都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的抗液化標(biāo)準(zhǔn)。尤其是提高砂基或砂殼壩體抗液化效果更佳。

b. 振沖法可以在已建壩的壩坡上施工，也可以在土石壩的填筑過程中應(yīng)用，這就為利用振沖法加固已建壩壩坡和新建壩填筑過程中的應(yīng)用提供了可能。

c. 振沖法施工與預(yù)壓法(控制填筑速率法)相比工期可大大縮短。

d. 與翻挖、強(qiáng)夯等其他加固方法相比較，振沖法加固土石壩的綜合費(fèi)用相對(duì)較低。

8結(jié)語

壇子口水庫大壩下游壩坡碎石土深層振沖加密在水庫正常蓄水位和不進(jìn)行大量開挖的情況下順利完成，證明了振沖法是加固病險(xiǎn)堤壩工程既經(jīng)濟(jì)安全又簡便的施工方法。這為今后用振沖法代替碾壓法、以提高土石壩的施工速度和降低施工成本提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。