基于振動三軸試驗的邵伯節(jié)制閘地基加固改造研究

劉　愚

(江西省水利水電建設(shè)有限公司, 江西 南昌　330000)

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基于振動三軸試驗的邵伯節(jié)制閘地基加固改造研究

劉愚

(江西省水利水電建設(shè)有限公司, 江西 南昌330000)

邵伯閘是南水北調(diào)東線工程輸水線路上的涵閘，已嚴重老化。為防止在加固改造過程中出現(xiàn)地基液化的情況，采用局部灌漿的方法對其進行加固。本文針對邵伯閘地基土在局部灌漿前后的液化特性進行振動三軸試驗，并進行數(shù)理分析，研究表明局部灌漿可以有效防止節(jié)制閘地基土的液化，為其他節(jié)制閘改造加固工程提供借鑒。

節(jié)制閘； 地基； 液化； 振動三軸試驗

邵伯閘為南水北調(diào)東線工程輸水線路上的節(jié)制閘，已經(jīng)運行五十多年，目前閘門基本處于關(guān)閉狀態(tài)。由于該閘建成年代早、設(shè)計標準低，運行期間雖經(jīng)多次維修加固，仍存在閘室上游淤積嚴重、混凝土結(jié)構(gòu)老化、閘門漏水、啟閉機電器設(shè)備老化等隱患，根據(jù)《水閘安全鑒定規(guī)定》(SL 214—98)第6.02條規(guī)定，評定邵伯節(jié)制閘為四類閘。

對于節(jié)制閘的加固改造，國內(nèi)的工程實例也多有涉及，但在施工之時普遍遇到了地基土液化問題。地基土液化會造成地基承載力不均勻，導(dǎo)致上部建筑物出現(xiàn)裂紋、甚至崩壞。為了應(yīng)對地基液化，目前工程中采用局部灌漿的方法，以增加地基土的整體性和聯(lián)動性，更好地發(fā)揮最大承載力。但現(xiàn)有工程多針對各自問題進行局部大量灌漿，以求用大量的混凝土來替換原有可能液化的地基土，而忽略了數(shù)理分析，導(dǎo)致工程的參考價值較低、經(jīng)濟性較差。

本文基于振動三軸試驗，對邵伯節(jié)制閘加固改造工程地基土液化問題進行了數(shù)理分析，為加固改造工程提供了理論依據(jù)，并可為其他節(jié)制閘改造提供一定程度的借鑒。

1　工程概況

邵伯閘加固改造工程場地地貌類型屬古瀉湖堆積平原中的沼澤洼地平原，地貌分區(qū)屬于里下河淺洼平原區(qū)。場地地勢較平坦，地面高程為7.50m左右。

場地位于揚子準地臺蘇北拗陷區(qū)之東臺拗陷東南部，下伏漸新統(tǒng)雜色泥砂巖構(gòu)成的基巖，上覆800～1600m厚的上第三系和第四系砂土、黏性土層，除近東西向的宜陵—蔣王廟斷裂和北東向的泰州—安豐斷裂外，附近無其他較大規(guī)模斷裂通過，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

場地在鉆探深度范圍內(nèi)所揭示的土層，按其成因類型及土的性狀自上而下可分為如下各層：

A層(Q4ml)：素填土，灰黃雜灰、灰黑色粉質(zhì)黏土，雜碎石、碎貝殼等，為人工填土，層厚6.5～10.4m。

①層(Q4al)：灰黃色重粉質(zhì)壤土，局部為粉質(zhì)黏土、中粉質(zhì)壤土，含少量鐵錳質(zhì)斑，層厚8.1～9.0m，場地普遍分布。

③層(Q3al)：灰黃色粉質(zhì)黏土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，層厚6.1～7.5m，場地普遍分布。

④層(Q3al)：灰黃夾灰白色重粉質(zhì)壤土，局部為輕粉質(zhì)壤土，層厚3.0～3.9m，場地普遍分布。

⑤層(Q3al)：灰黃夾灰白色粉質(zhì)黏土，重粉質(zhì)壤土，含鐵錳質(zhì)斑，未鉆穿，最大揭示層厚10.0m，場地普遍分布。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，場地的地震動峰值加速度為0.15g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。

邵伯節(jié)制閘設(shè)計流量為50m3/s，根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265—2001)，邵伯節(jié)制閘規(guī)模為小(1)型，工程等別為IV等。由于該閘位于高水河?xùn)|堤段，主要建筑物級別應(yīng)與所在堤防等級相同。高水河?xùn)|堤堤防等級為1級，因此，邵伯節(jié)制閘閘室、岸墻、防滲范圍內(nèi)上下游翼墻按1級水工建筑物考慮，其余按3級水工建筑物考慮。邵伯閘閘上公路橋原設(shè)計荷載等級為汽—6級。本次加固改造設(shè)計考慮公路橋建成后與邵伯船閘新建公路橋?qū)樱瑯蛎鎸挾葹?m，閘上公路橋設(shè)計荷載等級采用公路—2級。

2　振動三軸試驗

2.1試驗原理

將試樣四周用σ0的壓力加載使得試樣固結(jié)，此后利用激振設(shè)備在軸向添加±σd/2的周期壓力，在側(cè)向添加mσd/2的壓力。如此一來，軸向壓力和試樣在45°平面上的法向應(yīng)力不變，該種情況便是地震時候的土層應(yīng)力狀態(tài)。頻率一般在1～4Hz，該試驗取1Hz。在整個試驗過程中，實時記錄試樣相關(guān)參數(shù)的變化，包括試樣軸向應(yīng)力、試樣應(yīng)變、試樣孔隙水壓力，當試樣孔隙水壓力不小于側(cè)向壓力mσd/2或者應(yīng)變達到預(yù)定數(shù)值的時候，加載停止，記錄下剪切應(yīng)力σdL/2、振動的周數(shù)NL。

2.2液化判斷標準

如果試樣含有土礫質(zhì)中粗砂，采用式(1)進行判斷：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中C——試樣中土粒徑小于0.075mm的土重量占總體土重量的百分比；

τL——20周加載周期下的剪切應(yīng)力，kPa;

Nl——標準貫入試驗錘擊數(shù)，負重壓力為98.1kPa，次;

N——實測標準貫入試驗錘擊數(shù)單位為次。

2.3試驗過程

為了密實注漿，注漿之前的試樣都必須進行振動三軸試驗，使用原狀土樣進行實驗；此外如果試樣注入了水泥漿，必須進行振動三軸試驗，使用人工配樣。土體內(nèi)水泥的摻入含量為5%，不進行養(yǎng)護，馬上進行振動三軸試驗。

試樣的直徑為3.91cm，高度為8cm。首先對試樣進行抽氣飽和，然后將試樣安裝在實驗儀器上。圍壓力設(shè)置為100kPa，固結(jié)比Kc設(shè)置為1.0和1.5兩種情況。當固結(jié)比Kc=1.0的時候，激振力設(shè)置為40kPa、45kPa、50kPa；當固結(jié)比Kc=1.5的時候，激振力設(shè)置為60kPa、70kPa、80kPa；對于摻入5%水泥的試樣，當固結(jié)比Kc=1.0的時候，激振力設(shè)置為75kPa、85kPa、95kPa；當固結(jié)比Kc=1.5的時候，激振力設(shè)置為95kPa、100kPa、110kPa、130kPa。

當應(yīng)變達到5%的時候，認為破壞。記錄此時的振動周數(shù)，即為液化周數(shù)；記錄此時的剪切應(yīng)力，即為液化剪切應(yīng)力。

2.4試驗結(jié)果

將試驗數(shù)據(jù)繪制成圖，圖1為Kc=1.0時動應(yīng)變隨振動周數(shù)的變化情況，分別考慮了摻入水泥的試樣(右側(cè))和摻入5%水泥的試樣(左側(cè))；圖2為Kc=1.5時動應(yīng)變隨振動周數(shù)的變化情況，分別考慮了摻入水泥的試樣(右側(cè))和摻入5%水泥的試樣(左側(cè))。圖3為Kc=1.0時動剪應(yīng)力隨振動周數(shù)的變化情況，分別考慮了摻入水泥的試樣(右側(cè))和摻入5%水泥的試樣(左側(cè))；圖4為Kc=1.5時動剪應(yīng)力隨振動周數(shù)的變化情況，分別考慮了摻入水泥的試樣(右側(cè))和摻入5%水泥的試樣(左側(cè))。Kc=1.0時不同土樣液化剪應(yīng)力的變化情況如表1所列；Kc=1.5時不同土樣液化剪應(yīng)力的變化情況如表2所列。

圖1　Kc=1.0時動應(yīng)變的變化情況

圖2　Kc=1.5時動應(yīng)變的變化情況

圖3　Kc=1.0時動剪應(yīng)力的變化情況

圖4　Kc=1.5時動剪應(yīng)力的變化情況

液 化 周 數(shù)5102030405080120原狀土樣液化剪應(yīng)力/MPa45.1641.5238.4136.7334.7233.6231.6129.02摻入5%水泥的土樣液化剪應(yīng)力/MPa92.6286.7381.7777.9275.3573.6769.1266.72提升幅度/%105.09108.89112.89112.14117.02119.13118.66129.91

表2　Kc=1.5時不同土樣的液化剪應(yīng)力的變化情況

通過表1、表2可以看出，在Kc=1.0的情況下，摻入5%水泥的土樣液化剪應(yīng)力比原樣土樣液化剪應(yīng)力評價提高了115.47%；在Kc=1.5的情況下，摻入5%水泥的土樣液化剪應(yīng)力比原樣土樣液化剪應(yīng)力評價提高了77.05%。參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50287—99)，因為該工程勘測結(jié)果顯示標準貫入擊數(shù)為7擊，最小的埋深為4米，C=35%，根據(jù)式(1)，最大液化周期為0.345，即試驗結(jié)果如果大于0.345，則土樣不會液化。試驗結(jié)果顯示原裝土樣最小的液化周期為0.317，如果將液化周期提高9%即可以保持土體不液化。故而，試驗中摻入了5%的水泥，完全滿足工程要求。

3　施工改造

根據(jù)試驗結(jié)果，對邵伯節(jié)制閘進行改造施工。

a.采用1500kN·m能級對土體進行點夯。

b.最大振動速0.03m/s作為停錘標準。

c.每個夯點不少于4擊。

4　結(jié)　論

對可能存在液化的土體進行水泥摻入，可以很好地提高土體的整體性和聯(lián)動性。本文基于振動三軸試驗，對邵伯節(jié)制閘加固改造工程地基土液化問題進行了數(shù)理分析，用分析結(jié)果為邵伯節(jié)制閘加固改造工程提供理論依據(jù)，很好地解決了邵伯節(jié)制閘地基可能液化的問題。

[1]李冬明,沈雪梅,江季忠.正常運行條件下的南通節(jié)制閘液壓啟閉系統(tǒng)改造方法[J].水利建設(shè)與管理,2014,34(1):55-57.

[2]趙翠萍,王霞,李頻.高港樞紐節(jié)制閘地基穩(wěn)定復(fù)核計算及分析[J].水利建設(shè)與管理,2011,31(12):6-7.

[3]馬錦錦,李凱,阿木爾.改進阻力系數(shù)法在節(jié)制閘工程中的運用[J].水利建設(shè)與管理,2014,34(12):27-29.

Research on Shaobo Regulating Sluice foundation reinforcement and reconstruction based on vibration triaxial experiment

LIU Yu

(Jiangxi Water and Hydropower Construction Co., Ltd., Nanchang 330000, China)

Shaobo Sluice is a sluice gate on water conveyance line of South-to-North Water Diversion East Line Project, which has been aged seriously. Local grouting method is adopted for consolidation in order to prevent foundation liquefaction possibility during the reinforcement process. In the paper, vibration triaxial experiment is carried out aiming at the liquefaction characteristics of Shaobo Sluice foundation soil before and after local grouting. Foundation soil liquefaction problem is studied mathematically, thereby providing reference for other regulating sluice transformation and reinforcement projects.

regulating sluice; foundation; liquefaction; vibration triaxial experiment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.007

TV223

A

1005- 4774(2016)08- 0024- 05