汾河二壩除險加固工程攔河閘地基分析與施工處理措施

李潤清

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 概況

1.1 工程概況

汾河二壩攔屬于大(2)型水閘，在遇到強降雨氣候或者上游地區洪水位較高時，該水閘泄洪排水能力較差，尚且達不到設計行洪能力標準。為了提高水閘行洪排水能力，需對攔河水閘進行除險加固工程改造，在攔河水閘左側增加閘孔數量，提高水閘泄洪排水能力，提高汾河二壩攔河水閘的防洪等級標準[1]。本次除險加固工程需增建6個行洪排水孔，每個孔寬為8m，擴建的閘室結構尺寸為順水方向增建20m，垂直水流方向增建為52m，在新建閘室左側的上游和下游修建翼墻[2]。

1.2 工程地質條件

2 地基土地震液化判別

2.1 初判

根據目前應用較為廣泛的地基液化的判別標準，飽和粉土或砂土在滿足以下條件之一時，可將土質類型判斷為不液化土或不受液化危害的地基土[5]。

(1)在第四紀晚更新世(Q3)及其以前的經過沖擊形成的較為密室的飽和性粉土或砂土，在7～8級地震時可認為地基土不產生液化。

(2)對于7級地震黏粒含量不低于10%、8級地震含量不低于13%、9級地震含量不低于16%的粉土，可認為該類型地基土為不液化土。

(3)當建筑物采用天然地基時，地基土是否會產生液化現象受地下水位和非液化土質覆蓋厚度的影響，當滿足下列條件之一時，可認為地基土不受液化危害影響：

du>d0+db-2;dw>d0+db-3;du+dw>1.5d0+2db-4.5

(1)

式中，dw—地下水位深度，m，一般為建筑物近期最高水位或試用期內年平均最高水位；du—非液化土質覆蓋厚度，m，為扣除了淤泥或淤泥質土層的厚度；db—攔河水閘基礎埋置深度，m，超過2m時為實際埋深，不足2m時按2m計算；d0—液化地基土特征深度，特征深度值按見表1。

表1 液化土特征深度值 單位：m

2.2 公式判別

若地基土初步判別為可液化土層時，仍需進一步對液化土類別進行判斷，一般情況下可采用鉆孔標貫試驗進行計算公式判別，特殊情況下可利用其它判別方法進行判斷[6]。在我國所發生的地基液化深度大于15m的建筑物實例相對較少，一般情況下是對于淺基礎建筑物的地基液化類型進行判別，判別深度為15m。地基深度在15m范圍內的飽和粉土或砂土可按照以下標準進行液化類型判別：

N

(2)

式中，N—飽和土的標準貫入錘擊次數(實測值)；Ncr—液化判別標準貫入錘擊次數臨界值；N0—液化判別標準貫入錘擊次數基準值，根據標準規范要求8級地震區標準貫入錘擊次數為10次；ds—飽和土貫入點深度值，m；ρc—粉土中黏粒含量百分數，當含量小于3%時取3%。

根據飽和性試驗結果該工程攔河水閘地基土屬于飽和土。然后按照標準規范要求進行標準貫入錘擊試驗，試驗數據顯示該地基土標準貫入錘擊次數N為5～10次，而液化判別標準中8級地震時的貫入錘擊次數臨界值Ncr為10～20次，故汾河二壩攔河水閘地基土在8級地震時可發生地震液化。

3 地基處理方案

根據地基土力學性能試驗研究，結果顯示攔河水閘地基土地基承載力范圍為75～95kPa，而當發生8級地震時需要的最大地基承載力為135kPa，翼墻基礎所需要的最大力為205kPa，故攔河水閘天然地基承載力明顯低于發生8級地震時閘基和翼基所需的承載力；根據本文計算結果，汾河二壩攔河水閘地基土若發生8級地震可產生明顯的地震液化。綜上所述，為解決基土承載力不足和地震液化危害兩大問題，應考慮在閘底板四周加設鋼筋混凝土板樁圍護結構，利用振沖碎石樁對新建攔河水閘和翼墻的基底進行加固處理[7]。在充分考慮了工程現場現有的施工機械和施工條件的基礎上，經過有關地基加固技術方面的討論后，最終擬定采用直徑為0.7m的振沖碎石樁對基土進行出現加固處理。樁間距和復合地基承載力標準值計算公式如下所示：

(3)

式中，fskp—復合地基承載力特征值，kPa；fsk—經過處理后的樁間土質承載力特征值，kPa，一般去天然土基承載力特征值，kPa;m—面積置換率；n—樁土應力比，其值一般為2～4，當土強度較高時取小值，當土強度較低時取大值；d—振沖碎石樁直徑，m；de—影響等效直徑，m；S—振沖碎石樁間距，m。

結合相關壩基除險加固工程中振沖碎石樁的間距，并考慮了天然地基土層和樁直徑對地基承載力的影響，本文擬定攔河水閘振沖碎石樁樁間距為1.8m，而翼墻基底樁間距為1.5m，樁長8m。通過計算，汾河二壩除險加固工程中經采用振沖碎石樁處理后的復合地基承載力閘基和翼墻基底計算值分別160kPa和224kPa，均滿足該地區發生8級地震時所需的最大地基承載力要求[8]。

4 碎石樁地基處理檢測

攔河水閘地基和翼墻基底按照上述加固方案進行處理后，委托復合地基承載力和土層地震液化檢測的單位對各項性能指標進行檢測，以此驗證經過復合地基處理后的基礎力學性能和地震液化性能是否復合工程設計要求。

表2 攔河水閘地基加壓荷載試驗數據記錄表

4.1 復合地基承載力試驗

對振沖碎石樁復合地基承載力載荷試驗采用4組試驗進行，閘基2組，翼墻2組。

4.1.1 試驗方法

本文采用單樁復合地基荷載壓板試驗，壓板直徑為1m，閘基底和翼墻基底最大加壓荷載分別為320kPa和420kPa，每加一次荷載進行一次承壓板沉降量記錄。當承壓板沉降量在1h小于0.1mm時可進行下一級加壓，當出現以下情況之一時，則終止加壓試驗：

(1)沉降量急劇增加、壓板周圍出現明顯凸起或土體被擠出；

(2)累計沉降量不小于壓板直徑的6%；

(3)當加壓荷載達到設計要求荷載的2倍，還未達到極限荷載時。

4.1.2 壓載試驗結果與分析

每一級加壓荷載引起的樁沉降量和剩余沉降量見表2、3。

由上表數據可知，當加載荷載達到最大值時，各測量點均未發生終止試驗的條件，加載荷載與沉降量之間呈現出平滑的關系曲線。可選用樁變形對承載力特征值進行表征，一般選擇的承載力特征值為最大加壓荷載的1/2，則根據上表試驗數據結果，采用的攔河閘地基和翼墻基底承載力特征值分別為160kPa和210kPa，均滿足在8級地震時所需的最大承載力要求[9]。

4.2 復合地基土地震液化監測

為了對經過振沖碎石樁加固處理的地基液化性能進行檢驗，按照標準規范進行鉆孔標貫試驗，結果顯示經過處理后的復合地基其標準貫入錘擊次數實測值為15～20次，略大于貫入錘擊次數臨界值的10～20次標準。結果表明，經過振沖碎石樁加固處理后的復合地基其抵抗地震液化能力明顯增加，有效的減少了地震液化對地基的危害。

5 施工技術處理措施

首先利用制樁試驗，確定樁體施工工藝參數，振留時間為12s，加密段長為300～500mm，樁體填料沿樁體每米填充0.95m3，制樁施工技術參數見表4。

表4 施工技術參數

在確定了成樁時各施工工藝參數后，選擇合理的振沖器進行振沖成孔，在樁孔成型穩定后將振沖器移出。然后按照一定的次序向樁孔內沿水平方向進行均勻的倒置碎石，并用低壓制樁。碎石在添加過程中應按照每次添加量少，進行多次添加原則進行對于土層較為復雜的階段，應嚴格控制單位長度內的碎石樁進料量。大量的實際工程表明，振沖碎石樁若采用的碎石粒徑較小，則樁體較松其抗剪能力較差，若碎石級配不好，則抗體抗剪能力下降[9]。

6 結語

本文針對目前汾河二壩攔河水閘地基承載力不足的問題以及在8級地震基土時可產生的液化危害問題，提出了采用振沖碎石樁對地基進行除險加固處理方案。通過分析碎石質量對樁體力學性能影響，并合理的控制樁體施工技術參數，制成了適用于攔河水閘地基和翼墻基土加固的碎石樁。然后對振沖碎石樁形成的復合地基進行承載力試驗檢測，結果表明采用振沖碎石樁加固處理技術可明顯提高復合地基承載力，有效降低在8級地震時所引起的基土液化危害，符合工程技術要求，該項技術方案可應用于其他河壩加固處理中。

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