振沖置換法在長江護岸地基處理中的應(yīng)用

劉 波,牛運華,楊 波

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北 武漢 430010)

振沖置換法在長江護岸地基處理中的應(yīng)用

劉 波,牛運華,楊 波

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院,湖北 武漢 430010)

為解決長江高填方護岸深厚覆蓋層地基的抗滑穩(wěn)定問題,采用振沖置換法對地基進行加固處理。計算分析表明,振沖碎石樁處理范圍、樁間距、樁長等參數(shù)應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件進行設(shè)計,振沖置換法與其他地基處理方式進行有機結(jié)合能夠取得更好的處理效果;護岸地基通過振沖置換處理后,抗滑穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求。采用振沖碎石樁對軟弱地基進行置換形成復(fù)合地基,能夠有效解決地基砂土液化問題、承載力問題及抗剪強度問題。

振沖碎石樁;振沖置換法;高填方護岸;地基處理;深厚覆蓋層

振沖置換法地基處理技術(shù)可在砂土或黏性土地基中布置一群以石塊、砂礫石等散粒體材料組成的樁體,這些樁體與原始地基構(gòu)成復(fù)合地基,共同承載上部荷載。振沖碎石樁復(fù)合地基具有以下優(yōu)點:①施工機具簡單、操作方便,施工速度較快;②不需要鋼材和水泥,僅利用碎石、卵石等當(dāng)?shù)赜操|(zhì)材料,造價較低;③以碎石或卵石等粗骨料振沖置換的天然地基,可加速地震時超孔隙水壓力的消散,有利于地基抗震和防止液化;④針對不均勻的天然地基,可根據(jù)地基軟硬程度對填料進行調(diào)整,使處理后的地基較為均勻;⑤振沖力對軟弱土體施加的側(cè)向擠壓力較大,使得土體密實效果顯著提高。振沖置換法地基處理技術(shù)在房屋建筑、水利水電工程等地基處理中得到廣泛應(yīng)用,并取得了顯著的效果。

振沖置換法在20世紀(jì)30年代首次用于處理柏林某大樓深達7.5 m的松砂地基,使得地基密實度由40%提高到80%,承載力提高了1倍。該技術(shù)在20世紀(jì)80年代引進我國后得到推廣,主要用于房屋建筑、水利、交通等工程的地基加固處理[1-8]。胡瑞生等[9]利用振沖置換法對某住宅樓黏性土地基進行加固,通過現(xiàn)場隨機抽樣檢測表明復(fù)合地基承載力能夠滿足設(shè)計要求;務(wù)坪水庫湖積層軟土地基通過振沖置換處理后,大壩基礎(chǔ)承載力得到較大提高[10];魯基廠水電站壩基為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉細砂等地層,采用180 kW大功率電動振沖器加鉆機引孔的施工工藝,成功解決了33.5 m深厚覆蓋層振沖置換的施工技術(shù)難題[11];陰坪水電站利用振沖碎石樁對地基進行大面積、大深度處理,有效解決了地基砂土液化問題、承載力問題及抗剪強度問題[12]。

本文研究的高填方護岸位于長江岸坡地帶,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且為深厚覆蓋層地基。護岸不僅具有防止岸坡崩坍功能,還兼有護岸上方場平及建筑物的擋土墻作用。在覆蓋層較厚、外荷載較大的條件下,高填方護岸地基振沖置換處理對設(shè)計者的要求更高。

1 工程概況

某場平護岸工程位于長江南岸,護岸工程的主要作用是保證護岸上方場平的整體穩(wěn)定性,阻擋洪水對場平岸坡的侵襲,防止庫岸再造,控制水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,護岸及場平布置如圖1所示。

圖1 護岸及場平布置示意圖

護岸場區(qū)西、北、東三面環(huán)水,呈弧形凸出于長江南岸,以河谷階地地貌為主。Ⅰ級階地階面高程160.0～170.0 m,寬10.0～135.0 m,階面坡度5°左右,階面以下至河床岸坡坡度一般26°～30°或呈3～12 m高基巖陡坎、陡崖。Ⅱ級階地階面高程185～200 m,寬度達200～300 m,為基座階地,與Ⅰ級階地呈27°～35°坡度相接,部分地段呈陡坎相接。岸坡沖溝發(fā)育,地形破碎,沿岸坡向下游共發(fā)育有7條較大沖溝,沖溝均發(fā)源于剝蝕殘丘地貌和Ⅱ級階地接觸部位,切割較深。

護岸區(qū)域地層由侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰紫色～灰色粉砂巖、灰色長石石英砂巖和第四系(Q)松散堆積物組成。泥巖多呈薄～中厚層狀,失水易裂,浸水軟化崩解,厚度5～30 m不等,以夾層形式分布;砂巖多呈中厚層狀,厚度2.0～9.0 m,層理發(fā)育。

第四系松散堆積物主要由礫卵石、含礫卵石粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂以及淤泥質(zhì)土等組成。粉質(zhì)黏土呈硬塑～可塑狀態(tài),粉粒含量高,厚度0.5～18.0 m;粉土呈中密～密實狀態(tài),干強度低,韌性低,黏粒含量較高,厚度2.0～14.0 m;粉砂多呈稍密狀態(tài),黏粒含量較高,厚度1.4～6.0 m;淤泥質(zhì)土呈流塑～軟塑狀態(tài),黏滯、滑膩,厚度1.5～5.0 m。

護岸結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用頂部直立擋墻與堤式斷面結(jié)合的混合式斷面。堤身采用碾壓堆石體填筑,堤頂高程177.3 m,頂寬8.0 m,臨水側(cè)邊坡與背水側(cè)邊坡均為1∶1.6。在臨水側(cè)邊坡高程157.3 m以下為拋石棱體,內(nèi)側(cè)邊坡為1∶1.6,外側(cè)邊坡為1∶2。分別在高程167.3 m、157.3 m和147.3 m處設(shè)平臺,平臺寬分別為3.0 m、5.0 m和10.0 m。背水側(cè)邊坡與回填料間設(shè)過渡反濾層,厚2.0 m。

圖2 護岸典型斷面(單位：m)

護岸為高填方區(qū),填方高度25～40 m,沖溝處可達40～65 m,主要由碾壓堆石體和拋石棱體構(gòu)成,護岸上方為土石填筑體,高度達38 m,護岸與其上方場平填筑體構(gòu)成的邊坡高度達78 m。護岸地基為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、含礫卵石粉質(zhì)黏土等深厚覆蓋層,最深達30 m。

2 振沖碎石樁設(shè)計

護岸地基采用振沖置換法進行處理,根據(jù)DL/T 5214—2005《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》布樁設(shè)計。根據(jù)類似工程經(jīng)驗,振沖碎石樁樁徑1.2 m,樁間距2.0 m,正三角形布置,在堆石堤腳外緣擴大5排樁。必要時,對個別部位的樁間距調(diào)整為1.8 m。樁體材料采用人工級配碎石料,最大粒徑控制在6 cm以內(nèi),含泥量不大于5%。振沖器功率宜根據(jù)振沖碎石樁的設(shè)計深度和土體特性選用55 kW、75 kW或150 kW。

振沖置換率m計算公式為

(1)

式中：D為樁身直徑;De為樁的等效影響圓直徑,De=1.05d,其中d為樁間距。經(jīng)計算,d=2.0 m時,m=0.3;d=1.8 m時,m=0.4。

原始地基抗剪強度指標(biāo)為cs、φs,樁體的抗剪強度指標(biāo)為cp、φp。復(fù)合地基的抗剪強度指標(biāo)csp、φsp的計算公式為

csp=(1-ω)cs

(2)

tanφsp=ωtanφp+(1-ω)tanφs

(3)

式中ω為參數(shù),取0.5。

無黏性土的cs、φs取天然快剪強度值,黏性土取固結(jié)不排水剪強度值。各層土體經(jīng)振沖置換后的復(fù)合地基抗剪強度指標(biāo)見表1,砂性土體在穩(wěn)定計算時不考慮csp值。

3 護岸抗滑穩(wěn)定分析

護岸主要采用碾壓堆石體結(jié)構(gòu),由于位于三峽水庫水位變幅區(qū),穩(wěn)定分析按SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》規(guī)定采用簡化畢肖普法計算,最小安全系數(shù)正常工況為1.5,非常工況為1.3。

表1 復(fù)合地基抗剪指標(biāo)

3.1 計算工況

分正常運用與非正常運用兩種情況,設(shè)計8個計算工況如表2所示。

圖3 振沖碎碎樁處理范圍

表3 抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果

3.2 計算剖面

根據(jù)斷面形式、高度以及地質(zhì)情況,選取14—14、18—18、19—19、21—21共4個具有代表性的斷面(圖1)進行振沖碎石樁處理后護岸抗滑穩(wěn)定分析。各計算斷面振沖碎石樁處理范圍如圖3陰影區(qū)域所示。

表2 計算工況設(shè)計

3.3 計算結(jié)果及分析

各計算剖面經(jīng)不同的振沖置換方案處理后,抗滑穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果見表3。

從表3可知:①14—14剖面護岸高度較高,覆蓋層較厚,并與基巖的交界面為順向坡,在孔隙水壓力和上方回填區(qū)的共同作用下,直接在原始地基上進行振沖置換處理,不能滿足各工況下護岸的抗滑穩(wěn)定要求;挖出部分覆蓋層后再進行振沖碎石樁處理,一方面可以降低地基內(nèi)的空隙水壓力,另一方面減緩了地基持力層的順向坡度,最終護岸的抗滑穩(wěn)定滿足要求。②18—18剖面護岸坡腳處的覆蓋層較厚,為抗滑穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié),因此在坡腳進行振沖碎石樁處理。當(dāng)樁間距為2.0 m時,抗滑穩(wěn)定不能滿足要求;當(dāng)樁間距調(diào)整為1.8 m后,適當(dāng)加密碎石樁可以滿足護岸抗滑穩(wěn)定要求。③19—19剖面原始地基覆蓋層厚度達30 m,滑弧深度大于20 m,在振沖置換深度為20 m的情況下,抗滑穩(wěn)定系數(shù)不能滿足要求,加深振沖置換深度,當(dāng)樁長為30 m時,樁底至基巖處抗滑穩(wěn)定可以滿足要求。④21—21剖面覆蓋層厚度不大,但與基巖的交界面坡度較陡,直接對原始地基進行振沖置換處理不能滿足要求,為此采用清挖方式處理,但坡腳處長期位于江水位以下,水下開挖困難,采用振沖置換處理具備干地施工條件,施工相對方便,可操作性較強,最終護岸抗滑穩(wěn)定可以滿足要求。

4 結(jié) 論

a. 經(jīng)振沖置換后的復(fù)合地基與原始地基相比,能有效控制護岸及其上方回填區(qū)的滑移變形。

b. 采用振沖置換技術(shù)進行松軟地基處理時,應(yīng)該結(jié)合地形、地質(zhì)條件以及滑裂面的位置,對振沖置換的范圍、樁間距、樁長進行合理的設(shè)計和優(yōu)化,必要時可采用挖除等其他地基處理方式與振沖置換法進行組合,可以達到更好的地基處理效果。

c. 復(fù)合地基設(shè)計參數(shù)須在施工時予以保證,施工前有必要進行生產(chǎn)性試驗對設(shè)計參數(shù)進行復(fù)核,對施工完成的振沖碎石樁及時進行抽樣檢測,使得施工質(zhì)量有所保證。

[1] 何廣訥.振沖碎石樁復(fù)合地基[M].2版.北京:人民交通出版社,2012.

[2] 康虎,張國飛.振沖碎石樁復(fù)合地基在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計,2014(2):11-14.(KANG Hu,ZHANG Guofei.Application of vibro-replacement stone column composite foundation to thermal power plant[J].Electric Power Survey & Design,2014 (2): 11-14.(in Chinese)

[3] 陳祖煜,周曉光,陳立宏,等.務(wù)坪水庫軟基筑壩基礎(chǔ)處理技術(shù)[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報,2004,2(3):167-171.(CHEN Zuyu,ZHOU Xiaoguang,CHEN Lihong,et al.Foundation improvement techniques applied on a soft clay foundation of Wuping Dam[J].Joural of China Institute of Water Rescourses and Hydropower Research,2004,2(3): 167-171.(in Chinese))

[4] 劉勇剛,嚴(yán)兵,袁凱.蘇丹上阿特巴拉水利樞紐軟弱基礎(chǔ)快速振沖處理[J].水電與新能源,2014(10):11-13.(LIU Yonggang,YAN Bing,YUAN Kai.Rapid vibroflotation for soft foundation of dam complex of Upper Atbara Project in Sudan[J].Hydropower and New Energy,2014(10):11-13.(in Chinese))

[5] 張輝杰,胡先舉,李學(xué)海,等.三峽二期圍堰風(fēng)化砂礫振沖加固檢測成果分析[J].長江科學(xué)院院報,2002,19(4):30-32.(ZHANG Huijie,HU Xianju,LI Xuehai,et al.Analysis on vibrocompaction effects on weathered rock soil in second stage cofferdam of TGP[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2002,19(4):30-32.(in Chinese))

[6] 何開勝,過興發(fā).吹填粉細砂的無填料振沖密實試驗與工程應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2012,33(4):1129-1133.(HE Kaishen,GUO Xingfa.Test and application of vibro-compaction of dredging silty fine sands without additional backfill materials[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(4):1129-1133.(in Chinese))

[7] 周健,胡寅,林曉斌,等.粉細砂的室內(nèi)無填料振沖試驗研究[J].巖土力學(xué),2003,24(5):790-794.(ZHOU Jian,HU Yin,LIN Xiaobin,et al.Laboratory test of vibroflotation on hydraulic backfilled silty and fine sand without backfill[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(5):790-794.(in Chinese))

[8] 何林,張邦全.田灣河流域仁宗海水庫電站壩基振沖加固處理施工技術(shù)[J].四川水力發(fā)電,2006,25(4):78-81.(HE Lin,ZHANG Bangquan.Construction technology for vibrating consolidation at dam foundation of Renzonghai Reservoir in Tianwanhe River Basin[J].Sichuan Water Power,2006,25(4):78-81.(in Chinese))

[9] 胡瑞生,鐘華.振沖置換法在黏性土地基加固中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2002,21(9):1425-1426.(HU Ruisheng,ZHONG Hua.Application of vibration and substitution method in reinforcement of cohesive soil foundation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(9): 1425-1426.(in Chinese))

[10] 王克.務(wù)坪水庫基礎(chǔ)處理振沖碎石樁的設(shè)計與施工[J].人民長江,2005,36(9):30-33.(WANG Ke.Design and construction of crushed-stone piles using vibrating and impacting driver for Wuping Reservoir[J].Yangtze River,2005,36(9): 30-33.(in Chinese))

[11] 李全福.大功率振沖器在水電站壩基深厚覆蓋層中的振沖試驗與施工[J].四川水力發(fā)電,2010,29(3):106-108.(LI Quanfu.Vibration and percussion pest and construction in deep overburden by using powerful percussion vibrator in dam foundation of hydropower station[J].Sichuan Water Power,2010,29(3):106-108.(in Chinese))

[12] 李進元.振沖碎石樁法地基處理在陰坪水電站中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2013,32(增刊1):2968-2976.(LI Jinyuan.Application of foundation treatment with vibro-replacement stone piles to Yinping Hydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(Sup1): 2968-2976.(in Chinese))

Application of vibro-replacement method in foundation treatment for Yangtze River revetment

/LIU Bo, NIU Yunhua, YANG Bo

(ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China)

In order to solve the anti-sliding stability problem of the high-fill revetment along the Yangzte River, the vibro-replacement method was used to treat the deep overburden foundation of high-fill revetment. The results show that the design of the range of vibration stone columns, pile spacing, and pile length should be matched with the terrain and geological conditions. The vibro-substitution method combined with other foundation treatment methods can achieve better treatment effects. Through vibro-replacement, the anti-sliding stability of the revetment can meet the requirements of specifications. Using the vibration stone column to replace the soft foundation replacement to form a composite foundation, the problems of sand liquefaction, bearing capacity, and shear strength of the foundation can be solved effectively.

vibration stone column; vibro-replacement method; high-fill revetment; foundation treatment; deep overburden

劉波(1983—),男,高級工程師,博士,主要從事水利水電工程施工設(shè)計工作。E-mail:wave0912@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.014

TV861

：A

：1006-7647(2017)02-0078-04

2015-11-29 編輯：鄭孝宇)