振沖碎石樁在砂卵礫石地基中的應用

李玉橋，閆路明，刁志明

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院，重慶 401120)

振沖碎石樁是一種有效的地基土體加固措施。通過振沖器水平振動和高壓水流的聯(lián)合作用，在地基土中成孔，然后向孔中分段填入適量碎石，每段填料均在振動作用下被振擠密實，達到設計所要求的密實度后提升振沖器，在土體中自下而上形成碎石樁體，和原地基土構成復合地基共同作用，從而起到提高地基承載力、防止土體液化、減少沉降和不均勻沉降的作用。

本文結合重慶市彭水縣長湖水電站工程閘壩基礎處理實例，分析和探討了振沖碎石樁復合地基在砂卵石基礎中的實用性和設計思路，以期能為類似工程的基礎處理提供一定的借鑒及參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

長湖水電站位于重慶市彭水縣境內(nèi)，是郁江干流梯級開發(fā)規(guī)劃中的第4座電站。電站采用河床式開發(fā)，廠址位于郁江中上游飛水院子河段，行政隸屬重慶市彭水縣連湖鎮(zhèn)，壩址距連湖鎮(zhèn)約5km，距彭水縣城約65km。長湖電站水庫總庫容822萬m3，正常蓄水位363.0m，相應庫容389萬m3，校核水位時過閘流量5020m3/s。電站發(fā)電引用流量為60m3/s(單臺機)，裝機3臺，總裝機容量18MW。其開發(fā)任務為發(fā)電。

樞紐工程布置從右到左依次為右岸重力壩段、沖砂泄洪閘段、廠房段和左岸重力壩段，壩軸線總長237.77m。樞紐工程由非溢流壩、泄洪沖沙閘、河床式主、副廠房及開關站、變電站等組成。泄洪沖沙閘段位于河床右岸，重力壩段和廠房壩段之間，由上游鋪蓋、閘室、消力池和海漫3部分組成。泄洪沖沙閘共布置5孔，每孔凈寬10.0m，中墩寬4.00m，邊墩寬3.0m，泄洪沖沙閘擋水總寬度為72.0m。閘室順水流方向長41.0m，閘墩頂高程370.0m，閘底板高程352.00m，閘墩凈高度18.0m，閘墩采用C20鋼筋混凝土澆筑。工作閘門啟閉機排架頂部高程386.0m，凈高16.0m。樞紐總平面布置圖如圖1所示，泄洪閘剖面如圖2所示。

泄洪沖沙閘及河床式主副廠房設計洪水重現(xiàn)期為30年(P=3.3%)，相應洪峰流量為4005m3/s，校核洪水重現(xiàn)期為200年(P=0.5%)，相應洪峰流量為5771m3/s；重力壩為擋水建筑物的一部分，防洪標準與泄洪沖沙閘相同；閘后消能建筑物設計洪水重現(xiàn)期為20年(P=5.0%)，相應洪峰流量為3628m3/s。

1.2 自然條件

長湖電站位于郁江中游段，電站壩址位于郁江入彭水境內(nèi)河段，地處彭水縣連湖鎮(zhèn)，壩址以上集雨面積1857km2，壩址距離上游已建長順電站約7.9km，距離下游已建馬巖洞電站12.5km。長湖電站壩址至長順電站壩址區(qū)間集雨面積為43.7km2，區(qū)間無較大支流匯入，流域內(nèi)植被較好，森林覆蓋率為27%，河流中含沙量較小，地貌以巖溶形態(tài)為主，侵蝕形態(tài)較少，流域內(nèi)大部分地區(qū)是灰?guī)r，暗河、地下水出露多。

圖1 樞紐總平面布置圖

圖2 泄洪閘縱剖面圖

郁江流域屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，該地區(qū)氣候溫和，雨量充沛多集中，光照偏少云霧多，春來較早多夜雨，夏季炎熱多伏旱，秋季涼爽多綿雨，冬無嚴寒少霜雪。無霜期長，具有典型的季風氣候特征。早春季節(jié)，冷空氣活動頻繁，常有局部大風、冰雹；初夏常有連陰雨；盛夏多伏旱，常有酷暑；秋季多綿雨；冬季少雪無嚴寒，日平均氣溫都在0℃以上。

工程區(qū)多年平均降雨量1226.4mm，多年平均氣溫17.4℃，極端最高氣溫44.1℃(1953年8月19日)，極端最低氣溫-3.8℃(1977年1月29日)；多年平均相對濕度78%；多年平均蒸發(fā)量(20cm蒸發(fā)器)987.8mm；多年平均風速0.8m/s，多年平均最大風速13.2m/s，多年瞬時最大風速33m/s(1992年8月16日)。

1.3 工程地質簡介

擬建壩址屬侵蝕-剝蝕中低山地貌的河流沖積河漫灘河谷地形。郁江近南北向流經(jīng)壩址，河流流向約173°(與巖層走向斜交)，河谷為切向谷。河段較順直，壩址河谷相對開闊，河谷剖面形態(tài)為不對稱的“U”形。高程362m以下為沖洪積漫灘，地形坡度5°～8°，高程362～400m之間為崩坡堆積層，地形坡度為25°～30°斜坡，高程400m以上為基巖直接出露，地形坡度為55°～65°峻坡。

壩址河床寬135～180m，主流偏右岸，河底高程350.0～351.0m。河漫灘靠左岸發(fā)育且較寬闊，寬度50～130m，高程353～363m。壩址右岸山體雄厚，坡高而陡，坡度60°～75°，屬峻坡～懸坡，坡頂最大高程450～550m，相對高差100～200m。

第①層：弱風化炭質頁巖，泥質結構，含碳質成分，層厚6.0～7.0m，地基承載力標準值fk=1480kPa。

第②層：強風化頁巖，泥質結構，層厚約2.0m，地基承載力標準值fk=250kPa。

第③層：淺表段沖積層砂卵礫石，低壓縮性土，濕～飽和，松散～稍密，層厚4.0m。壓縮模量10.3MPa，地基承載力標準值fk=200kPa。

第④層：下部段沖積層砂卵礫石，低壓縮性土，濕～飽和，稍密～中密，層厚1.0～11.5m。壓縮模量15.5MPa，地基承載力標準值fk=400kPa。

根據(jù)地質資料和基礎應力分析計算，沖積層砂卵礫石地基承載力較低，不能滿足閘壩基礎的承載力要求及地基沉降要求，需要對閘壩基礎的砂卵礫石地基進行處理，處理后的地基承載力不應小于400kPa。

按照“安全、經(jīng)濟、可靠、簡便”的原則，經(jīng)過對埋石混凝土置換基礎和振沖碎石樁復合地基基礎兩種方案進行技術經(jīng)濟比較，選擇施工較方便、工期較短、施工受外界條件干擾較小的振沖碎石樁處理地基方案。

2 振沖碎石樁設計

2.1 樁平面布置及面積置換率

根據(jù)目前國內(nèi)振沖器設備現(xiàn)狀，結合閘壩上部荷載及地基情況，碎石樁樁徑確定為1.0m。從避免樁基礎施工可能引起的松弛效應和擠壓效應對相鄰樁的不利影響和使樁群構成整體基礎等方面考慮，樁距2.0m，呈等邊三角形滿堂布置。根據(jù)擬定的樁徑及樁間距按下式進行面積置換率計算：

(1)

式中，m—面積置換率；d—樁身平均直徑，取1.0m；de—單根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，等邊三角形布樁，de=1.5s，s為樁間距，取2.0m。

通過計算，本基礎的面積置換率m=0.227。

2.2 振沖范圍及設計深度

根據(jù)基礎的受力條件，基礎的壓力會向基礎外擴散，需側向約束條件保證，同時考慮基礎下靠外邊樁擠密效果較差，設計地基處理范圍為基礎范圍外緣擴大3排樁。閘壩基礎右側為重力壩段基礎置于基巖，左側為廠房壩段，基礎置于基巖，故閘壩左右側外緣不需要擴大地基處理范圍，閘壩底板上游防滲墻限制，閘壩上游側不擴大地基處理范圍；因此，僅在基礎范圍上下游側外緣擴大3排樁，則基礎處理面積為72.0m×47.0m。碎石樁控平面布置如圖3所示。

閘壩基礎下砂卵礫石，最大厚度約13.0m。根據(jù)承載力要求，碎石樁基礎嵌入置于強風化頁巖2.0m。扣除閘壩底板及墊層厚度后碎石樁最大樁長約10.0m。

圖3 碎石樁平面布置圖

2.3 復合地基承載力計算

振沖碎石樁復合地基承載力特征值按散體材料增強體復合地基承載力計算。計算公式如下：

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

(2)

式中，fspk—復合地基承載力特征值，kPa；fsk—處理后樁間土承載力特征值，取300kPa；n—復合地基樁土應力比，取2.5；m—面積置換率。

通過計算，fspk=402kPa>400kPa，滿足工程設計要求。

目前長湖水電站閘壩基礎加固已完成生產(chǎn)性實驗，從檢測結果看，當復合地基最大荷載加載至850kPa時，地基最大沉降為10.2mm。處理后復合地基承載力特征值為425kPa>400kPa，滿足地基承載力設計要求。

2.4 地基沉降計算

振沖碎石樁復合地基最終沉降量按下式計算：

(3)

(4)

式中，Ai—第i層復合土層附加應力系數(shù)沿土層厚度的積分值；Aj—加固土層以下的第j層土附加應力系數(shù)沿土層厚度的積分值；Espi—第i層復合土層的壓縮模量，MPa；Esj—加固土層以下的第j層土的壓縮模量，MPa。

表1 復合地基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)表

復合土層的壓縮模量Esi可按下式計算：

(5)

式中，Espi—第i層復合土層的壓縮模量，MPa；fspk—復合地基承載力特征值，kPa；fsk—基礎底面下天然地基承載力特征值，kPa。經(jīng)計算，本復合地基沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψsp=0.25，地基最終變形量s=12.1mm<150mm，滿足工程設計要求。

3 結語

振沖碎石樁是進行軟土地基處理最常用的方法之一，具有施工簡便、投資省、施工進度快、避免大開挖和深基坑等優(yōu)點。上世紀70年代以來，振沖碎石樁在國內(nèi)水利、交通、建筑等行業(yè)地基處理中得到了廣泛的應用。受振沖器和施工水平的限制，在中等密實和稍密實的砂卵礫石地基中使用較少。近年來隨著振沖器生產(chǎn)技術和施工技術水平的不斷積累，振沖碎石樁復合地基在越來越多的砂卵礫石地基中使用。振沖碎石樁處理后的復合地基提高了地基承載力，加快地基固結并減少了地基沉降，在水利工程的砂卵礫石地基中可結合地質及施工條件推廣使用。