水利工程施工中不良地基處理技術(shù)

焦政運(yùn) 孟凡冬

（青州市水利建筑總公司，山東 青州 262500）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，人民對(duì)于水利電力的需求量也越來越大，為此國家政府部門也加強(qiáng)對(duì)水利工程的建設(shè)，為了確保水利工程后續(xù)施工的質(zhì)量，就要做好選址等一些基礎(chǔ)性的工作，而在選址過程中地質(zhì)性能的好與壞會(huì)給水利工程施工質(zhì)量帶來直接的影響，決定了其是否能夠長期良好地運(yùn)行下去，同時(shí)還關(guān)系到了施工的安全可靠性、持久耐用性。所以關(guān)于水利工程施工建設(shè)質(zhì)量是當(dāng)前人民比較關(guān)心的問題。由于受到施工環(huán)境的局限性，地質(zhì)條件使水利工程施工時(shí)受到了較大的影響，而不良地基問題便是其中較為突出的。這就需要在施工時(shí)提前做好處理工作，采用先進(jìn)的技術(shù)，確保其性能更加安全穩(wěn)定，足夠的密實(shí)、堅(jiān)固。該文重點(diǎn)針對(duì)水利工程施工過程中不良地基處理技術(shù)進(jìn)行了分析，僅供參考與借鑒。

1 水利工程施工中不良地基處理技術(shù)應(yīng)用的重要意義

1.1 有利于緩解土質(zhì)疏松問題

在水利工程施工環(huán)節(jié)，不良地基所帶來的影響是非常大的，如果此工作做的不到位，后續(xù)施工就不能順利進(jìn)行。在施工過程中不良地基的出現(xiàn)會(huì)造成發(fā)生土質(zhì)疏松的問題，進(jìn)而降低了整個(gè)框架的穩(wěn)定可靠性[1]。當(dāng)土質(zhì)存在疏松問題時(shí)，土壤黏性不達(dá)標(biāo)，破壞了地質(zhì)結(jié)構(gòu)密實(shí)性。當(dāng)土壤不夠密實(shí)時(shí)就會(huì)造成整個(gè)土體結(jié)構(gòu)承受力度失衡，在長期互相擠壓的作用下土體便會(huì)出現(xiàn)移位現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)多起安全事故。只有對(duì)不良地基進(jìn)行科學(xué)合理的處理，才能夠確保水利工程可以根據(jù)規(guī)定的施工進(jìn)度順利完成施工任務(wù)，既保證了安全，又保證了質(zhì)量。所以應(yīng)用不良地基處理技術(shù)可以使這些問題得到有效緩解，避免出現(xiàn)土質(zhì)疏松問題。

1.2 有利于防止施工地基承載力下降

水利工程施工過程中整體體積非常大，質(zhì)量要求較高，為此地基結(jié)構(gòu)的建設(shè)中就要具備較強(qiáng)的承載力，才能確保水利工程后續(xù)施工以及使用更加安全。不良地基處理技術(shù)的應(yīng)用能夠降低塌陷、沉降等問題的發(fā)生概率。通常情況，地基要具有較強(qiáng)的承載力，可以承受整個(gè)工程施加的較大重力。如果水利工程選取的施工地址承載力并不在規(guī)定范圍內(nèi)，那么其承載力便會(huì)逐漸下降，此時(shí)會(huì)使周圍地基壓力增大。所以為了避免地基內(nèi)部出現(xiàn)抗剪力降低的情況發(fā)生，施工的過程中要以地基實(shí)際情況為重要的依據(jù)，進(jìn)而采取科學(xué)合理且有效的處理技術(shù)。

1.3 有效解決引發(fā)的地基不規(guī)則沉降問題

在水利工程施工時(shí)，地基沉降也是普遍存在的問題之一，由于地基的下降進(jìn)而造成了水利工程后續(xù)的工作難以正常施工，進(jìn)而導(dǎo)致很多問題的發(fā)生。產(chǎn)生地基沉降最主要的原因有以下2 種：一是在施工環(huán)節(jié)對(duì)于地基內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而出現(xiàn)了地基下沉；二是地基結(jié)構(gòu)抗剪力降低，當(dāng)?shù)鼗霈F(xiàn)了不規(guī)則沉降時(shí)，便會(huì)對(duì)整個(gè)地基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性帶來影響，降低其承載力。這就需要運(yùn)用不良地基處理的技術(shù)，使下沉問題得到有效解決，進(jìn)而確保水利工程施工進(jìn)度。

2 水利工程施工中常用的不良地基處理方法

2.1 排水固結(jié)法

該方法的組成分為了排水、加壓2 種系統(tǒng)，常用于厚度較大而且具備較強(qiáng)的飽和度的軟性黏土地基中，但在具體的使用時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行提前預(yù)壓[2]。需要注意的是在使用砂井施工工藝時(shí)，為確保足夠的密實(shí)、連續(xù)，振動(dòng)時(shí)盡可能使用振動(dòng)錘，振動(dòng)沉樁工藝的使用，要充分考慮到激振力和套管直徑、長度間的關(guān)系，具體見表1。

表1 激振力參考表

2.2 置換法

該方法主要是針對(duì)地面存在不良地基土壤時(shí)可以采用挖除的方法，并且密實(shí)度較好的土壤回填，進(jìn)而使其形成耐用性，提高整體承載力、抗變形、穩(wěn)定性。該方法適宜使用到軟弱黏土地基中，但是對(duì)于排水抗剪性有較高的要求，<20ka 時(shí)就要謹(jǐn)慎使用該方法了。當(dāng)前振沖置換法、碎石樁法、石灰樁法等比較常用。

2.3 振密、擠密法

該方法主要采用的是振動(dòng)、擠壓的形式將地基土壤中的縫隙降低，提高強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地基處理的效果。常用于一些砂性土、粉土或者是部分黏性土壤中，表層壓實(shí)法、振動(dòng)擠密法、砂樁法等比較常用。

2.4 化學(xué)加固法

該方法主要采用的是化學(xué)漿液注入，這些漿液中往往會(huì)融入一些化學(xué)品，能夠在較短時(shí)間內(nèi)凝固，將土粒融結(jié)，借助化學(xué)反應(yīng)，再加上機(jī)械給予攪拌，能夠使土壤具備較強(qiáng)承載力，沉降率降低。常用于砂性土、黏土、黃土中，注漿法、攪拌法等比較常用。

2.5 增大接觸面法

該方法借助軟土鉆孔，進(jìn)而進(jìn)行混凝土樁澆筑，實(shí)現(xiàn)地基加載力提高，可用在邊坡位置，使土方側(cè)壓力具備較強(qiáng)承重，避免土方出現(xiàn)移位現(xiàn)象。多用于一些橋梁的建設(shè)。

3 水利工程施工中不良地基處理常用技術(shù)

3.1 軟土地基處理

軟土往往具備了較大含水量、低滲透性、強(qiáng)壓縮性、低承載力、低抗剪性等特點(diǎn)，屬于軟、流性飽各的土壤，在土壤中有機(jī)質(zhì)的含量較高，當(dāng)天然孔隙比例大于1 時(shí)便成了淤泥。沿海、內(nèi)陸等區(qū)域常見這樣的軟件土，水利工程多將堤壩建于這些軟土之上。也正是具備了以上特點(diǎn)，軟土極易發(fā)生形變、膨脹、滑動(dòng)，以此為地基，難以確保其承載力。當(dāng)前在對(duì)該類不良地基進(jìn)行處理時(shí)，常用的便是置換法、強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法等。

在使用置換法時(shí)，主要是將軟土換作砂層，將軟土層的厚度減少，采用垂直預(yù)壓的方法使下層的軟土能夠快速將水排出，進(jìn)而凝固，使整體的承載力提高，沉積量降低，減少沉降發(fā)生的概率；砂石樁施工的過程中，加大施壓的力度，使軟土短時(shí)間內(nèi)凝固，如果軟土非常厚，可以先對(duì)砂井施工，將塑料排水帶鋪設(shè)好，采用真空預(yù)壓方法，使軟土中的水分排出，以上提到的這些技術(shù)主要都是通過排水固結(jié)進(jìn)而提高不良地基的承載力，如圖1 所示[3]。

圖1 排水固結(jié)施工示意圖

如果是一些規(guī)模較小的工程，承載力要求較低時(shí)可以使用拋石擠淤法，若上層體積較重，而且要求地基具備較強(qiáng)承重能力。規(guī)模較大水利工程施工過程中，則要選擇樁基處理技術(shù)，可以使用石灰樁法、灰土擠密法等。例如某水利工程施工過程中，要求壩高為55m，針對(duì)淤泥性質(zhì)的軟土進(jìn)行處理，其厚度為20m，主要采用的是振沖碎石樁，例如某水利工程壩高為18m，軟土厚度為15m，主要采用的是砂井處理方法，如高是37m 厚度為5m 的水利工程施工主要采用的是振沖碎石樁法等，這些案例充分說明了針對(duì)不同性質(zhì)的軟土所采用的地基處理的技術(shù)是完全不同的，這就需要在具體的施工過程中根據(jù)實(shí)際情況選擇最佳的方法。

3.2 可液化土層處理

可液化土層往往都是客觀存在的，而且是無法避免的，并且劃分為輕微、中等、嚴(yán)重3 個(gè)等級(jí)（具體見表2）[4]。所以在進(jìn)行處理技術(shù)的運(yùn)用時(shí)，可根據(jù)建筑整體的抗震設(shè)計(jì)要求、類型，采用合理的技術(shù)，在采用樁基礎(chǔ)時(shí)，可將樁端深入液化度以下穩(wěn)定土層中長度計(jì)算出來。如果穩(wěn)定土層是碎石土、粗、中砂等，樁端深入長度在0.8m 以內(nèi)；如果是其他非巖石土?xí)r，深入長度則在1.5m 以上。若采用的是深基礎(chǔ)，那么基礎(chǔ)底面應(yīng)該埋入液化深度以下的穩(wěn)定土層中，深度在0.5m 以上。若采用的是加密法，就需要處理到液化深度下界；將全部液化土層替換為非液化土層，或者是覆蓋一定厚度的非液化土層。在對(duì)基礎(chǔ)邊緣以外寬度處理時(shí)，應(yīng)該保持在基礎(chǔ)底面下深度1/2，并且在基礎(chǔ)寬度的1/5 以內(nèi)。

表2 地基液化等級(jí)表

3.3 濕陷性黃土地基處理

一般情況下，濕陷性黃土地基形成的主要原因是由于受到了水的浸濕，進(jìn)而導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)快速破壞，發(fā)生了較為明顯的濕陷變形，降低了強(qiáng)度，在自重應(yīng)力與由外荷引起的附加應(yīng)力的雙重作用之下，發(fā)生了濕陷。濕陷性黃土多呈現(xiàn)出黃色或者是黃褐色泥土，粒度成分主要是由50%以上的粉土顆粒組成[5]。在對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行處理時(shí)，首先應(yīng)該判定黃土濕陷性，目前多采用的是濕陷系數(shù)δs值，δs可以借助室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)來進(jìn)行測(cè)量。將天然含水量以及結(jié)構(gòu)黃土土樣，在經(jīng)過不斷加壓以后，進(jìn)而達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力，待壓縮穩(wěn)定以后，浸水，含水量飽和，土樣快速下沉，待再次穩(wěn)定以后，獲得浸水后土樣高度hp（見圖2 所示），濕陷系數(shù)δs值如公式（1）所示。

圖2 浸水壓縮試驗(yàn)p-h 曲線

式中：h0表示的是土樣的原始高度（cm）；hp表示的是土樣在保持天然濕度以及結(jié)構(gòu)時(shí)，通過施加壓力到規(guī)定的壓力值，待下沉穩(wěn)定以后的高度（cm）；′表示的是經(jīng)過以上施加壓力后處于穩(wěn)定狀態(tài)的土樣，在通過浸水后，待下沉穩(wěn)定以后的高度（cm）。

濕陷系數(shù)δs壓力的測(cè)定，當(dāng)基礎(chǔ)底面壓力≤300kPa 橋涵，自基底算起，10m 內(nèi)土層采用200kPa，新近堆積黃土采用150kPa，10m 以下至非濕陷性土層頂面，采用其上覆土的飽和自重土壓力，當(dāng)上覆土的飽和自重土壓力＞300kPa 時(shí)，仍采用300kPa；對(duì)于基礎(chǔ)底面壓力＞300kPa 橋涵，應(yīng)采用實(shí)際壓力。當(dāng)濕陷系數(shù)δs≥0.15 時(shí)，為濕陷性黃土，否則為非濕陷性黃土。

其次是對(duì)濕陷性黃土地基濕陷類型進(jìn)行劃分，采用的是自重濕陷量Δzs來進(jìn)行判定，如果自重濕陷量Δzs≤7cm時(shí)，判定其為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，如果Δzs＞7cm時(shí)，則判定為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。濕陷性黃土自重濕陷量Δzs如公式（2）所示。

式中：Δzs表示的是自重濕陷量（cm）；δzsi表示的是第i層土在上覆土的飽和（Sr ≥0.85）自重壓力下的自重濕陷系數(shù)；hi表示的是第i層土的厚度（cm）；β0表示的是不同區(qū)域土質(zhì)不同修正的系數(shù)。

自重濕陷量Δzs的累計(jì)自天然地面算起至其下全部濕陷性黃土層的底面為止，如果挖、填方的厚度和面積較大時(shí)，自設(shè)計(jì)地面算起，其中自重濕陷系數(shù)δzs<0.015 的土層可不計(jì)。

然后是判定濕陷性黃土地基濕陷等級(jí)，換言之，也就是地基土受水浸濕以后發(fā)生濕陷的程度，衡量時(shí)可采用地基內(nèi)各個(gè)土層濕陷下沉穩(wěn)定以后所產(chǎn)生的濕陷量總和，如果總濕陷量較大，那么結(jié)構(gòu)物危險(xiǎn)系數(shù)就越大，設(shè)計(jì)以及施工或者處理時(shí)要求便會(huì)較高，基底以下地基濕陷量Δs如公式（3）所示。

式中：δsi為自基底算起第i層土的濕陷系數(shù)；hi為基底以下第i層土的厚度（cm）；β為考慮地基土側(cè)向擠出條件、浸水概率等因素的修正系數(shù)。

基底以下地基的濕陷量Δs應(yīng)自基礎(chǔ)底面進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于非自重濕陷性黃土，累計(jì)至基底以下5m 深度為止。對(duì)于自重濕陷性黃土處的大橋和特大橋，累計(jì)至非濕陷性土層頂面為止；對(duì)于其他橋涵，當(dāng)基底以下自重濕陷性黃土厚度＞10m 時(shí)，隴西、隴東、陜北、晉南、豫西地區(qū)的累計(jì)深度應(yīng)≥15m，其他地區(qū)應(yīng)≥10m，其中濕陷系數(shù)δs<0.015 的土層可不累計(jì)。濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)，應(yīng)根據(jù)自重濕陷量Δzs和基底以下地基濕陷量Δs的大小進(jìn)行判定，具體見表3。

表3 濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)的判定

如果Δs＞30cm，但是卻≤50cm，Δzs＞7cm，但是卻≤30cm 時(shí)，視為Ⅱ級(jí)；如果Δs＞50cm，但是卻≤60cm，Δzs＞30cm，但是卻≤35cm 時(shí)，視為Ⅲ級(jí)。

3.4 強(qiáng)透水層處理

強(qiáng)透水層主要指的就是以礫石、卵石等為主的地基土，此類型的地基土屬于強(qiáng)透水性地層，在開挖地基時(shí)極易導(dǎo)致水土流失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致管涌發(fā)生，造成地基形成了較為固定的水流通道，對(duì)于建筑物整體穩(wěn)定性必然會(huì)帶來威脅。針對(duì)該情況多使用的是防滲處理技術(shù)，在施工的過程中采用止水帷幕將水下滲的路徑阻斷，將混凝土、黏土鋪于大壩前面，使?jié)B水路徑得到有效延伸，同時(shí)還要將漿液灌于大壩前面的混凝土帷幕中，進(jìn)而使混凝土滲透性大幅度降低，徹底清除掉透水層中的礫石、卵石，對(duì)修筑的防滲墻進(jìn)行高壓噴射。

4 結(jié)語

水利工程涉及的是人民利益，不良地基如果處理不當(dāng)，不僅會(huì)使人民利益受損，甚至危及人民生命安全。所以要給予高度重視，針對(duì)不同類型的不良地基，采用最適合的處理技術(shù)，這就需要在具體施工過程中準(zhǔn)確掌握不良地基的具體情況，進(jìn)而采用科學(xué)的方法，進(jìn)而降低由于不良地基而導(dǎo)致水利工程整體結(jié)構(gòu)受到影響的概率，將施工質(zhì)量、效率大幅度提高。