水工建筑物設(shè)計(jì)中地基處理振沖加固技術(shù)研究

陳亮帆

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098）

水工建筑物是為了開發(fā)再利用水資源、控制水流預(yù)防水患所建設(shè)的建筑物，在能源再利用和國土安全保護(hù)中承擔(dān)著重要作用。而地基作為決定建筑安全性和穩(wěn)定性的核心，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)應(yīng)用加固技術(shù)處理。水工建筑地基不同于普通建筑地基，不僅需要保證良好的承受力和穩(wěn)定性，更需要具備防滲透性能，以適應(yīng)環(huán)境要求，因此需要靈活應(yīng)用地基加固技術(shù)，保證水工建筑物安全性。

1 水工建筑物設(shè)計(jì)

水土建筑物主要是指用于承載水力、保護(hù)水資源的建筑物，在農(nóng)田灌溉、水壩建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。因功能不同常被分為擋水建筑物、進(jìn)水建筑物、取水建筑物等多種類型。通常情況下，在設(shè)計(jì)水土建筑物時(shí)需要從以下兩個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)著手。

（1）等級(jí)要求。在設(shè)計(jì)水土建筑物時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際抗洪防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)選擇適合的水土建筑物設(shè)計(jì)等級(jí)。針對(duì)1～4級(jí)的水土建筑物，若遭遇洪水，可在建筑物修復(fù)環(huán)節(jié)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)下調(diào)操作，并以最低標(biāo)準(zhǔn)作為洪水設(shè)計(jì)依據(jù)，這樣才能展現(xiàn)出水土建筑物的防護(hù)優(yōu)勢(shì)。比如，2級(jí)水土建筑物的土石壩高度若≥90m，應(yīng)在原有基礎(chǔ)上增加一級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）安全系數(shù)。水土建筑物在設(shè)計(jì)期間還需注重其安全性，除了需要具備良好的防洪抗滑功能，還應(yīng)具有較高的抗侵襲強(qiáng)度，便于水土建筑物在防洪作業(yè)中體現(xiàn)出有效的防洪排泄作用。一般在設(shè)計(jì)抗滑安全系數(shù)時(shí)，應(yīng)參照建筑物建造標(biāo)準(zhǔn)及防洪要求對(duì)水流面的摩擦阻力進(jìn)行確定。同時(shí)，還可選擇高強(qiáng)度材料，進(jìn)而增強(qiáng)水土建筑物安全性。

2 水工建筑物常見地基加固技術(shù)

2.1 土基加固

若現(xiàn)場軟土厚度較小，可將軟土挖出，更換為黏土、砂土、砂壤土等具有較高含水量的土料。一般情況下，厚度為1～2m的軟土，可進(jìn)行更換。回填時(shí)注意要分層填筑，控制夯實(shí)質(zhì)量，同時(shí)注意施工過程中的排水。也可使用砂井預(yù)壓法，在軟土層內(nèi)安裝砂井，使用水射法進(jìn)行造孔，孔深達(dá)到設(shè)計(jì)的深度后，需要將孔內(nèi)沉積物清除，使用級(jí)配良好的粗砂和中砂進(jìn)行灌注，形成砂井。砂井頂部需要比地面高，在砂井區(qū)域鋪裝0.5～1cm厚度的砂墊層，讓各個(gè)砂井連通，作為排水層。結(jié)束施工后在墊層堆積荷載，荷載值可取設(shè)計(jì)荷載的1.2～1.5倍[1]。還常用樁基礎(chǔ)法加固，尤其是松軟地基，該方法能夠有效減少沉降量，提高水工建筑穩(wěn)定性。樁頂水平位移要控制在0.5mm之內(nèi)，計(jì)算出樁尖平面地基沉降量及壓應(yīng)力，不允許超過地基土荷載量。水工建筑地基條件差，多利用板樁式作業(yè)，將預(yù)制鋼筋混凝土施工為連續(xù)墻，以提高建筑加固性能。

除此之外，振沖擠密法也較為常用，振沖置換法主要使用碎石和砂礫材料，使用振沖器進(jìn)行填充，和原土構(gòu)成復(fù)合地基，同時(shí)使用加固地基進(jìn)行排水，使之具備良好防滲能力。這一加固技術(shù)適合應(yīng)用于粉土、黏性土以及飽和黃土等。利用振動(dòng)和壓力擠密砂顆粒，經(jīng)過重新排列后，可有效減少孔隙，提高建筑防滲加固能力。一般情況下，選擇現(xiàn)場砂、碎石、礦渣等材料施工，根據(jù)工程需要準(zhǔn)備設(shè)備，調(diào)節(jié)地基深度。經(jīng)過處理后，地基寬度滿足擴(kuò)散應(yīng)力需求及施工作業(yè)需求，以提高建筑加固水平。

2.2 巖基加固

巖基灌漿處理主要包括黏土灌漿、帷幕灌漿等方法，具體原理是使用具有膠凝性的漿液通過灌漿設(shè)備泵入孔隙中，經(jīng)過硬化膠凝結(jié)，提高建筑地基防滲性能。地基使用時(shí)，遇到破碎帶，不利于建筑安全，需要將破碎巖層清理至基巖上，刷涂水泥砂漿2～3層后，在巖基上開挖水槽，澆筑混凝土構(gòu)成截水墻后，再進(jìn)行灌注施工。

2.3 斷層間隙加固

對(duì)于具備良好填充物膠結(jié)的斷層，可以不另行處理。若斷層填充物存在較大空隙率、松散性，還需要處理斷層；若斷層較淺，需要將斷層完全清除，并使用混凝土進(jìn)行回填；若斷層透水深度較小，將斷層填充物清除后回填砂漿或者混凝土；若斷層透水性以及寬度較大，可以制作混凝土截水墻，但需要開挖3～5倍斷層寬度。

2.4 泉眼裂隙加固

地基施工深度增加，會(huì)造成地基覆蓋層變薄，地下水突破覆蓋層通過裂縫涌出，形成泉眼。對(duì)此，可使用直接堵塞法，用水泥從外向內(nèi)，直接封堵漏水點(diǎn)；也可使用排水過濾法，在泉眼位置挖坑，填補(bǔ)反濾層，經(jīng)過過濾后，泉水夾帶砂泥的水質(zhì)變成清水流出，使用集水井抽出。若涌泉壓力較高，可使用抽水灌漿方法進(jìn)行處理。

3 水工建筑物設(shè)計(jì)中地基處理振沖加固技術(shù)的應(yīng)用

3.1 施工準(zhǔn)備

在設(shè)計(jì)水土建筑物的過程中應(yīng)用地基處理振沖加固技術(shù)，可提高建筑物的穩(wěn)定性與堅(jiān)實(shí)度，由此確保在抵御外來水源侵襲期間展現(xiàn)出較強(qiáng)的防御效果，以免水資源肆意流淌而影響其利用率。在具體操作環(huán)節(jié)，應(yīng)切實(shí)做好施工準(zhǔn)備工作，以此為后期施工內(nèi)容的有效落實(shí)創(chuàng)造有利條件。

（1）對(duì)水土建筑物施工現(xiàn)場進(jìn)行有效清理，以免在布置振沖碎石樁階段出現(xiàn)雜物而影響施工質(zhì)量及施工進(jìn)度。若施工范圍內(nèi)存在大量的淤泥等不易清理的物質(zhì)，可采用拋石擠壓法將淤泥擠出施工點(diǎn)，這樣才能保證振沖加固技術(shù)的順利應(yīng)用[2]。待場地處理工作完成后，需對(duì)施工場地進(jìn)行碎石填筑操作，之后再進(jìn)行碾壓處理，促使施工場地具有良好的加固基礎(chǔ)。

（2）結(jié)合碎石樁的分布位置實(shí)施測量放樣。一般施工人員常需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上標(biāo)注的碎石樁點(diǎn)位進(jìn)行固定。其中需格外注意的是，測量放樣時(shí)應(yīng)以“標(biāo)記法”為主，對(duì)每個(gè)碎石樁的布置點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)核對(duì)并標(biāo)記，確保實(shí)際施工內(nèi)容與設(shè)計(jì)圖紙保持一致性。

（3）當(dāng)確定好碎石樁位置后需對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交底，促使施工人員在全面了解施工方案與振沖加固技術(shù)的應(yīng)用技巧情況下合理處理地基，并保證振沖加固技術(shù)發(fā)揮出真正的強(qiáng)化地基緊密效果的作用，這樣可最大程度地降低施工失誤率。另外，在水土建筑物地基處理部分應(yīng)用振沖加固技術(shù)還應(yīng)事先準(zhǔn)備好相應(yīng)的材料與施工設(shè)備，包括起重機(jī)、振沖器、碎石填料、金屬材料、復(fù)合材料等，從而在保障施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高施工效率。

3.2 明確加固范圍

采用振沖法進(jìn)行加固，使用范圍十分廣泛，可用于細(xì)沙和含礫石的粗砂中。應(yīng)用振沖技術(shù)可以將地基加固到最優(yōu)質(zhì)的狀態(tài)，如果在加固地基時(shí)發(fā)現(xiàn)礫石之間存在阻力，導(dǎo)致地基松弛，建議將振沖技術(shù)用于土質(zhì)擠密效果良好的區(qū)域。土質(zhì)擠密效果較低時(shí)，抵抗填料的阻力越小，在打樁時(shí)就要用到越粗的樁體，以此提升土體和樁體的結(jié)合力，使地基更加牢固。一般情況下，樁體的抗剪切力度應(yīng)當(dāng)大于16kPa。在地基加固外圍加寬4m，實(shí)現(xiàn)地基的滿堂加固，也可以在外圍加固幾根振動(dòng)樁和碎石樁，使地基不再松動(dòng)。

3.3 計(jì)算地基荷載力

計(jì)算地基承載力時(shí)，應(yīng)該保證承載力能夠承受建筑壓力，并采用式（1）計(jì)算。

式中：fkc和fkp分別為荷載力的標(biāo)準(zhǔn)值和碎石樁荷載標(biāo)準(zhǔn)值；AC為樁的作用面積；Ap為樁的截面積；m為面積置換；fak為天然地基承載力特征值。

3.4 計(jì)算孔位間距

計(jì)算打樁孔位間距時(shí)，應(yīng)保持樁和樁之間有著足夠的阻力，以此發(fā)揮樁體的承受能力。對(duì)于大面積的水工建筑，建議采用三角形地基，憑借三角形的穩(wěn)定性加固地基[3]。使用振沖器時(shí)應(yīng)根據(jù)土質(zhì)情況，如果土質(zhì)緊密，建議使孔的排布緊密一些，對(duì)于1.5m左右的孔，建議采用式（2）、式（3）計(jì)算孔和孔之間的間距。

式中：d為孔間距；a為系數(shù)，即等邊三角形中系數(shù)為1.075；VP為樁的填料量，取值在0.3～0.5；V為地基在緊密度情況下的填料量；e0為土質(zhì)孔隙比；ez為樁孔隙比；e為要求孔隙比；fke為填料樁標(biāo)準(zhǔn)荷載力。

3.5 確定樁長

按照地基土質(zhì)確定樁長，若地基土壤為較深的軟土，建議使用較長的樁；如果是較淺的軟土層，且下面是巖石，可使用短一點(diǎn)的樁。在打樁時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮施工經(jīng)濟(jì)成本，10m之內(nèi)的樁經(jīng)濟(jì)成本較少。因此，施工中對(duì)于軟土土質(zhì)，建議使用10m以下的短樁，提高樁體的密度，保證地基承載能力。加強(qiáng)對(duì)振沖深度的控制，其大小和土質(zhì)密切相關(guān)，如果土質(zhì)砂層不是很深，建議將砂層振穿，實(shí)現(xiàn)對(duì)地基的全面加固；如果砂層比較厚，建議按照地質(zhì)的實(shí)際情況，當(dāng)?shù)刭|(zhì)抗震等級(jí)較高時(shí)，建議將砂層振穿。

3.6 填料施工

填料施工能夠發(fā)揮碎石振沖效果，將樁體擠壓到軟土層中。受地基力的影響，石料間的相互作用可以更好地穩(wěn)定地基。石料間存在孔隙，可影響水的滲透效果，如果振沖擠密疏松砂石地，建議將石料和砂礫混合填充，讓小直徑的砂礫填入大直徑砂礫縫隙內(nèi)[4]。砂礫具有較強(qiáng)的滲水能力，可以讓地基不再積水。

3.7 質(zhì)量控制

（1）對(duì)施工過程進(jìn)行質(zhì)量控制。施工期間嚴(yán)格控制水量，保持水量足夠，避免出現(xiàn)塌孔問題。合理控制水壓，根據(jù)地基土壤性質(zhì)進(jìn)行水壓的調(diào)控，針對(duì)高強(qiáng)度的軟土可以加強(qiáng)水壓，針對(duì)低強(qiáng)度的軟土減小土壓。（2）做好施工的安全控制。為保證施工電壓穩(wěn)定，在超出電流狀況時(shí)應(yīng)當(dāng)停止施工，合理預(yù)留留振時(shí)間，按照規(guī)定的深度控制施工。為了符合工程規(guī)定的施工設(shè)計(jì)深度，施工單位在作業(yè)期間應(yīng)當(dāng)采取有效的防護(hù)措施，防止在施工過程中有任何安全隱患問題出現(xiàn)。（3）對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。在振沖碎石樁的1個(gè)月后進(jìn)行質(zhì)量檢查，要求檢驗(yàn)數(shù)量必須超過樁孔量的2%。地基施工后還應(yīng)采用靜載試驗(yàn)的方法對(duì)土質(zhì)和樁質(zhì)量進(jìn)行檢測，以此保證樁基施工質(zhì)量能夠達(dá)到工程的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

總而言之，在水工建筑物設(shè)計(jì)中采用地基處理振沖加固技術(shù)，有利于發(fā)揮振沖法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高地基穩(wěn)定性，保證地基處理效果。對(duì)此，需要做好施工準(zhǔn)備工作，明確加固范圍，然后將振沖技術(shù)用于土質(zhì)擠密效果良好的區(qū)域，科學(xué)計(jì)算地基荷載力和孔位間距，保持樁和樁之間有足夠的阻力，按照地基土質(zhì)確定樁長，通過填料施工發(fā)揮碎石振沖效果，以此提高工程施工的經(jīng)濟(jì)效益。