惠州東江水利樞紐工程閘壩振沖碎石樁復(fù)合地基載荷試驗分析

潘亨永, 李秋萍

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

惠州東江水利樞紐工程閘壩振沖碎石樁復(fù)合地基載荷試驗分析

潘亨永, 李秋萍

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計研究院,廣東 廣州 510635)

惠州東江水利樞紐工程閘壩砂礫卵石地基采用振沖碎石樁加固處理,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。對振沖碎石樁復(fù)合地基承載力采用載荷試驗檢測,得出復(fù)合地基承載力特征值,并計算出變形模量,為工程設(shè)計提供了可靠依據(jù)。試驗表明:振沖碎石樁復(fù)合地基的承載力特征值為300 kPa,滿足設(shè)計要求。就復(fù)合地基靜載荷試驗檢測結(jié)果進(jìn)行分析,為同類工程試驗檢測分析提供了參考。

閘壩;砂礫卵石地基;振沖碎石樁;載荷試驗;惠州東江水利樞紐

1 工程概況

廣東惠州東江水利樞紐工程位于東江干流惠州市下游,壩址距市區(qū)約12 km,是東江干流規(guī)劃的第十一個梯級。樞紐主要由連接土壩、河床式發(fā)電廠房、船閘及攔河水閘等建筑物組成。水庫正常蓄水位10.5 m,相應(yīng)庫容為1.16×108m3,電站裝機(jī)容量為46 MW,設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇,相應(yīng)下泄洪峰流量為10 910 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇,相應(yīng)最大下泄流量為13 000 m3/s,工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型[1]。

該工程壩址區(qū)河床寬約600～700 m,河床砂礫卵石層厚度一般15～18 m,閘壩砂礫卵石地基的加固處理關(guān)系到工程安全與經(jīng)濟(jì),地基處理是本工程的一項關(guān)鍵技術(shù)問題。

閘壩砂礫卵石地基采用振沖碎石樁地基加密處理方法處理,極大地利用了原材料,避免了大量開挖運(yùn)輸、回填混凝土、棄渣造成的土地資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,節(jié)約了資源,達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的,縮短了工期,為第一臺機(jī)組提前發(fā)電創(chuàng)造了條件,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,為同類工程砂礫卵石地基處理積累了成功的經(jīng)驗。

本工程閘壩振沖碎石樁復(fù)合地基檢測對碎石樁樁身及樁間土加密效果采用重型動力觸探檢測,檢測點數(shù)為振沖孔數(shù)的2%,布置在三個振沖孔的三角形中間;對振沖碎石樁復(fù)合地基承載力采用載荷試驗檢測。本文就復(fù)合地基載荷試驗檢測結(jié)果進(jìn)行分析,為同類工程載荷試驗檢測提供參考。

2 閘壩地基砂礫卵石層分布特性及振沖碎石樁布置

惠州東江水利樞紐工程攔河閘壩總長360.7 m,其中左河汊閘壩長164 m,右河汊閘壩長196.7 m,水閘建基面高程1.0 m。

閘壩地基第四系沖積層(Qal)為沖積砂礫卵石層,從上至下分為2-2,2-3,2-4三層。2-2層:主要為粉細(xì)砂、中細(xì)砂及中粗砂,含少量泥質(zhì),松散。本層層底高程一般為0～-4.5 m,厚度3～5 m。本層標(biāo)貫擊數(shù)N為3～10擊,平均5.9擊;重型動力觸探擊數(shù)N63.5為1～11擊,平均4.4擊。

2-3層:為含卵礫中粗砂、礫質(zhì)中粗砂和礫砂,粒徑不均勻,呈松散—稍密狀。層底高程一般-6～-8 m,厚度3～8 m。標(biāo)貫擊數(shù)N為5～25擊,平均13.7擊;重型動力觸探擊數(shù)N63.5為3～20擊,平均7.4擊。

2-4層:為砂卵礫石,卵礫石含量一般>50%,粒徑一般1～3 cm,少量5～6 cm,局部含少量泥質(zhì),呈中密—密實狀。層底高程一般-11～-15 m,厚度5～8 m。重型動力觸探擊數(shù)N63.5為5～50擊,平均22.3擊。

本工程閘壩地基2-2層,粉細(xì)砂、中細(xì)砂及中粗砂層為松散狀,2-3層含卵礫中粗砂、礫質(zhì)中粗砂和礫砂呈松散—稍密狀,為減少地基沉降變形量,提高地基承載力,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,采用振沖法加固處理。閘壩基礎(chǔ)范圍采用振沖碎石樁處理,其中,右河汊閘壩基礎(chǔ)范圍設(shè)計振沖碎石樁1 710根,等邊三角形布置,樁距為2 m,樁徑0.8 m,處理深度穿越2-2、2-3層,進(jìn)入2-4砂卵石層。

3 振沖碎石樁復(fù)合地基載荷試驗檢測

3.1 試驗點平面布置

本工程右河汊閘壩振沖碎石樁復(fù)合地基載荷試驗檢測試驗點共7個,編號分別為Ⅰ-6、Ⅱ-6、B3、B4、B5、B6、B7。試驗點為單樁復(fù)合地基,振沖碎石樁試驗樁直徑600 mm(載荷試驗點的試驗樁直徑為600 mm,試驗論證可行后設(shè)計采用的碎石樁直徑為800 mm,偏于安全),呈等邊三角形布置,樁距2 m。試驗點碎石樁有關(guān)參數(shù)見表1。

表1 試驗點碎石樁有關(guān)參數(shù)

建基面持力層為中粗砂,承壓板為正方形,邊長2 m,面積為4 m2,碎石樁位于承壓板的中心點上。設(shè)計要求試驗壓力為600 kPa(荷載2 400 kN),試驗點平面布置見圖1。

圖1 載荷試驗點平面布置示意圖Fig.1 Layout diagram of load test points

3.2 試驗方法與計算依據(jù)

載荷試驗檢測依據(jù)為《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79—2012),《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)。試驗按照以上規(guī)程中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

試驗采用壓重平臺反力裝置。壓重平臺反力裝置作為荷載反力,將大于預(yù)定最大試驗荷載的荷重在試驗開始前一次性加上平臺,試驗時用油壓千斤頂分級加載。荷載用精密壓力表測控。復(fù)合地基載荷試驗的沉降采用裝設(shè)在荷載壓板上的4個百分表測定,按規(guī)定時間讀取沉降量,百分表精度為0.01 mm。試驗裝置見圖2。

圖2 載荷試驗裝置示意圖Fig.2 Device schematic diagram of load test

試驗最大壓力為設(shè)計荷載300 kPa的2倍,即為600 kPa。最大試驗荷載為2 400 kN。試驗壓力分10級施加,每級60 kPa。

終止試驗的條件為:①沉降急劇增大,土被擠出或承壓板周圍出現(xiàn)明顯的隆起;②承壓板的累計沉降量已大于其寬度的6%;③當(dāng)達(dá)不到極限荷載,而最大加載壓力已達(dá)到設(shè)計要求壓力值的2倍。

復(fù)合地基承載力特征值的確定[2]:單個試驗點的承載力特征值按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)附錄B,B.0.10的要求確定。當(dāng)壓力—沉降曲線上極限荷載能確定,而其值不小于對應(yīng)比例界限的2倍時,取比例界限;當(dāng)其值小于對應(yīng)比例界限的2倍時,取極限荷載值的一半。當(dāng)壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時,按相對變形值確定,對于振沖碎石樁復(fù)合地基,地基以砂土為主,取s/b=0.01所對應(yīng)的壓力,按相對變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半。

試驗點不應(yīng)少于三點,當(dāng)滿足極差不超過其平均值的30%時,取其平均值為復(fù)合地基的承載力特征值。

變形模量按式(1)[3]計算,即:

E0=0.89(1-μ2)a·p/S

(1)

式中:E0為復(fù)合地基的變形模量,單位為kPa;p為試驗土層表面上的壓力,單位為kPa;S為對應(yīng)于各級壓力的累計沉降量(總沉降量),單位為cm(在《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79—2012附錄A、附錄B中代號為s);a為承壓板的邊長(在《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》附錄B中稱為承壓板寬度,代號為b),單位cm,本次試驗承壓板的邊長為200 cm;μ為泊松比。

3.3 載荷試驗變形特性分析

本次試驗,共進(jìn)行了7個點載荷試驗,代表性p-S曲線有Ⅰ-6、Ⅱ-6、B3、B5 四點,見圖3-圖6,試驗結(jié)果與分析如下。

3.3.1 Ⅰ-6試驗點

p-S曲線見圖3。曲線特征為第1級、第2級荷載加載后出現(xiàn)明顯的壓密,曲線出現(xiàn)明顯下降,以后各級沉降較小,較均勻。試驗荷載加至300 kPa(1 200 kN)時,沉降量為15.76 mm;加荷至最大試驗荷載600 kPa時,總沉降量為25.15 mm,p-S曲線中部較為下凸,無轉(zhuǎn)折陡降段。卸載為0后,回彈量為7.28 mm,回彈率為28.95%。該試驗點的極限承載力Qu≥600 kPa。相應(yīng)于s/b=0.01,即s=20 mm時對應(yīng)的壓力為457.7 kPa(用內(nèi)插法求得),大于試驗最大加載壓力600 kPa的一半,取試驗最大加載壓力的一半,即300 kPa為承載力特征值。

試驗壓力為300 kPa時,總沉降量為15.76 mm,相應(yīng)的變形模量為31.8 MPa。試驗最大壓力為600 kPa時,總沉降量為25.15 mm,變形模量為39.8 MPa。

圖3 Ⅰ-6試點p-S曲線Fig.3 p-S curves of Ⅰ-6 test point

3.3.2 Ⅱ-6試驗點

p-S曲線見圖4,曲線形狀與Ⅰ-6試驗點相似,但沉降量較Ⅰ-6試驗點小。曲線特征為開始的第1級—第3級荷載加載后曲線出現(xiàn)較明顯下降,以后各級沉降較小,較均勻。試驗荷載加至300 kPa時,沉降量為13.3 mm;加荷至最大試驗荷載600 kPa時,總沉降量為20.66 mm,p-S曲線無轉(zhuǎn)折陡降段。卸載為0后,回彈量為8.44 mm,回彈率為40.85%。該試驗點的極限承載力Qu≥600 kPa。相應(yīng)于s/b=0.01,即s=20 mm時對應(yīng)的壓力為575.7 kPa,大于試驗最大加載壓力600 kPa的一半,取承載力特征值為300 kPa。

試驗壓力為300 kPa時,總沉降量為15.76 mm,相應(yīng)的變形模量為37.6 MPa。試驗壓力為600 kPa時,總沉降量為20.66 mm,相應(yīng)的變形模量為48.5 MPa。

圖4 Ⅱ-6試點p-S曲線Fig.4 p-S curves of Ⅱ-6 test point

3.3.3 B3試驗點

p-S曲線見圖5。曲線特征為開始的第1級—第2級荷載加載后曲線下降較明顯,第3級—第8級荷載沉降較小、較均勻,最后兩級荷載沉降明顯增大。試驗荷載加至300 kPa時,沉降量為9.8 mm;加荷至最大試驗荷載600 kPa時,總沉降量為23.1 mm,p-S曲線無轉(zhuǎn)折陡降段。卸載為0后,回彈量為8.17 mm,回彈率為35.37%。該試驗點的極限承載力Qu≥600 kPa。相應(yīng)于s/b=0.01,即s=20 mm時對應(yīng)的壓力為550.8 kPa,大于試驗最大加載壓力600 kPa的一半,取承載力特征值為300 kPa。

圖5 B3試點p-S曲線Fig.5 p-S curves of B3 test point

試驗壓力為300 kPa時,總沉降量為9.8 mm,相應(yīng)的變形模量為51.1 MPa。試驗壓力為600 kPa時,總沉降量為23.1 mm,相應(yīng)的變形模量為43.3 MPa。

3.3.4 B5試驗點

p-S曲線見圖6。曲線特征為開始的第1級—第2級荷載加載后曲線下降較明顯,第3級—第10級荷載沉降較小、較均勻。試驗荷載加至300 kPa時,沉降量為13.91 mm;加荷至最大試驗荷載600 kPa時,總沉降量為27.27 mm,p-S曲線無轉(zhuǎn)折陡降段,卸載為0后,回彈量為9.99 mm,回彈率為39.63%。該試驗點的極限承載力Qu≥600 kPa。相應(yīng)于s/b=0.01,即s=20 mm時對應(yīng)的壓力為448.7 kPa,大于試驗最大加載壓力600 kPa的一半,取承載力特征值為300 kPa。

試驗壓力為300 kPa時,總沉降量為13.91 mm,相應(yīng)的變形模量為36.0 MPa。試驗壓力為600 kPa時,總沉降量為27.27 mm,相應(yīng)的變形模量為30.1 MPa。

圖6 B5試點p-S曲線Fig.6 p-S curves of B5 test point

3.4 承載力特征值及變形模量

3.4.1 承載力特征值

本工程復(fù)合地基載荷試驗的壓力—沉降曲線為平緩曲線型,對于振沖碎石樁復(fù)合地基承載力特征值的確定,地基以砂土為主,可取s/b=0.01所對應(yīng)的壓力為承載力特征值,(b為承壓板寬度,即2 000 mm),按此相對變形值確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半。各試驗點的承載力特征值取值分析結(jié)果見表2。

根據(jù)表2所列結(jié)果,相對變形值s/b=0.01,即s=20 mm對應(yīng)的試驗壓力(通過內(nèi)插法確定)為432.2～575.7 kPa,均大于最大加載壓力的一半(300 kPa),按規(guī)范規(guī)定,取最大加載壓力的一半,即300 kPa為承載力特征值。

作為承載力特征值富裕度分析,相對變形值s/b=0.01,即s=20 mm對應(yīng)的試驗壓力為432.2～575.7 kPa,平均值為499.3 kPa,極差為平均值的28.7%,可取平均值499.3 kPa為承載力特征值,但因超出最大加載壓力的一半,按規(guī)范只能取最大加載壓力的一半,即300 kPa為承載力特征值,由于試驗未加載至破壞,實際的承載力特征值應(yīng)>300 kPa。

為進(jìn)一步探索在初步設(shè)計時,如何合理估算此類振沖碎石樁復(fù)合地基的承載力特征值,本文根據(jù)試驗結(jié)果,結(jié)合本工程地質(zhì)勘察成果進(jìn)行了合理的估算分析。

初步設(shè)計時，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》,復(fù)合地基的承載力特征值可按式(2)估算,即:

fspk=[1+m(n-1)]fsk

(2)

表2 承載力特征值取值分析結(jié)果表

式中:fspk為復(fù)合地基的承載力特征值,根據(jù)本工程試驗結(jié)果,fspk取300 kPa;m為面積置換率,m=d2/de2=0.62/(1.05×2)2=0.081 63(等邊三角形布樁);n為樁土應(yīng)力比,對于砂,規(guī)范規(guī)定可取n=1.5～3;fsk為處理后樁間土承載力特征值。

由此可反算估算出處理后樁間土承載力特征值fsk,為估算復(fù)合地基的承載力特征值fspk提供參考。取不同的樁土應(yīng)力比,反算出處理后樁間土承載力特征值fsk(表3)。

本工程砂卵礫石地基處理前為松散—稍密狀,按經(jīng)驗估計處理前天然地基的承載力特征值約150～180 kPa。由表3可見,經(jīng)振沖碎石樁處理后,對應(yīng)于樁土應(yīng)力比n為1.5～3,樁間土承載力特征值fsk可達(dá)257.9～288.2 kPa,對于本工程,取樁土應(yīng)力比n為2.0～2.5較合適,處理后樁間土承載力特征值fsk可達(dá)267.3～277.4 kPa。

表3 處理后樁間土承載力特征值估算結(jié)果

此項分析的意義在于,在初步設(shè)計時,對于與此工程類似的砂、砂礫卵石地基,經(jīng)過振沖碎石樁處理后,樁間土承載力特征值fsk可達(dá)約267～277 kPa,結(jié)合實際工程樁的布置確定面積置換率m,選取合理的樁土應(yīng)力比n,就能合理地估算出經(jīng)處理后的復(fù)合地基承載力特征值fspk,為工程設(shè)計提供依據(jù)。

3.4.2 變形模量計算分析

對于各試驗點,對應(yīng)其各級壓力p和相應(yīng)的累計沉降量S,按式(1)計算出相應(yīng)的變形模量。各試驗點變形模量計算統(tǒng)計及建議值見表4。

對變形模量計算,選取不同的泊松比(μ=0.20,0.25、0.30)計算表明:變形模量E0對μ不敏感[4],μ增加0.05,變形模量減少約1 MPa,相應(yīng)于變形模量平均值約35 MPa,μ增加0.05,變形模量降低約1/35=2.86%。為了便于比較,本文變形模量計算μ取0.25。

表4 各試驗點變形模量計算統(tǒng)計及建議值表

注:帶*號者結(jié)果偏大,不參與統(tǒng)計;表中E0的單位為MPa。

計算統(tǒng)計結(jié)果,試驗壓力p為0.30 MPa時,變形模量為31.8～37.6 MPa,平均35.2 MPa,建議值35 MPa。試驗最大壓力p為0.60 MPa時,變形模量為30.1～48.5 MPa,平均39.5 MPa,建議值40 MPa。

4 結(jié)語

本工程閘壩砂礫卵石地基成功地采用振沖碎石樁加固處理,載荷試驗結(jié)果分析為同類工程地基振沖碎石樁加固處理承載力檢測積累了經(jīng)驗。

載荷試驗結(jié)果表明:7個載荷試驗點在檢測過程中均未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象,其極限承載力均≥600 kPa。

本工程復(fù)合地基載荷試驗的壓力—沉降曲線為平緩曲線型,對于振沖碎石樁復(fù)合地基承載力特征值的確定,地基以砂土為主,s/b=0.01對應(yīng)的壓力為432.2～575.7 kPa,均大于最大加載壓力600 kPa的一半,按規(guī)范,取最大加載壓力的一半即300 kPa為復(fù)合地基的承載力特征值。本工程砂礫卵石地基經(jīng)振沖加固處理后,復(fù)合地基的承載力特征值為300 kPa,滿足設(shè)計要求。

[1] 潘享永,可洪有,王殿春.廣東惠州東江水利樞紐工程初步設(shè)計報告:3工程地質(zhì)[R].廣州:廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院,2004.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基處理技術(shù)規(guī)范:JGJ 79—2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013.

[3] 南京水利科學(xué)研究院.土工試驗規(guī)程:SL 237—1999[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[4] 潘亨永,李智英.陽江抽水蓄能電站下水庫主壩壩基載荷試驗分析[J].人民珠江,2015,36(1):108-112.

(責(zé)任編輯：陳文寶)

Analysis of Static Load Test on Composite Foundation withVibro Replacement Stone Column of Sluice Dam of the East RiverHydro-Junction Project in Huizhou

PAN Hengyong, LI Qiuping

(GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou,Guangdong510635)

The sluice dam foundation composed with sand and gravel of the East River Hydro-Junction Project in Huizhou is treated by vibro replacement stone column and obvious economic effect is achieved. The characteristic value of bearing capacity and deformation modulus of the composite foundation are obtained by static load test to provide a basis for engineering design. The static load test shows that the characteristic value of bearing capacity of the composite foundation is 300kPa meeting design requirements. In the paper,the static load test results are analyzed for similar project reference.

sluice dam; alluvial sand and gravel foundation; vibro replacement stone column; static load test; the East River Hydro-Junction Project in Huizhou

2016-04-15;改回日期:2016-04-22

潘亨永(1963-),男,教授級高級工程師,博士,巖土工程專業(yè),從事巖土工程勘察與研究工作。E-mail:panhy12@163.com

TV223.2

A

1671-1211(2016)03-0339-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.022

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.008.html 數(shù)字出版日期:2016-05-04 09:24