振沖法在水庫壩基抗液化處理中的應用

高艷

（北票市三寶水利服務站，遼寧 北票 122121）

0 引言

攔河大壩是水庫工程的核心組成部分，隨著水庫規(guī)模的不斷擴大，對攔河壩的要求也不斷增加，其中最重要的防滲性、堅固穩(wěn)定性是首要考慮因素，而這又與壩基有著直接關系。壩基一旦處理不好，可能會造成滲漏、變形、失穩(wěn)等眾多問題，甚至壩體崩潰。

1 工程概況

曹家堡水庫位于遼寧鞍山市海城市曹家堡村，總庫容約1 250 萬m3，之前曹家堡水庫于1969年12月投入使用，經(jīng)過專家評估已無除險加固必要，且各項指標已達不到相關標準要求，因此決定拆除重建。經(jīng)地質(zhì)勘查，設計壩基屬于第四系地層，由上而下依次為：粉質(zhì)粘土層（1.50～3.00 m）、粉砂層（2.20～6.50 m）、細砂土層（3.20～6.60 m）、中砂層（1.20～3.70 m），其中粉砂層厚度及層位及其不穩(wěn)定，且存在地震液化問題，必須進行處理。

2 壩基液化程度分析及處理方案設計

2.1 壩基液化程度分析

通過從地震局查閱相關資料，此項目區(qū)地震基本烈度值約6.65度，按照7度作為標準，基本加速度值設計0.15 g。在此沿著壩軸線，每隔50 m設置一個鉆孔（共計63個），其中超過85%的鉆孔存在液化問題，集中在粉砂層。

在此根據(jù)試驗室動三軸試驗計算壩基土的抗液化剪應力比△T/σf0，并依據(jù)美國seed簡化法來判別壩基土液化程度，計算見公式（1）。當計算值大于試驗值時，則可判斷為存在液化可能，見表1所示。由此可知：在同一壩基深度下，粉砂和細砂均有液化的危險，而中砂則沒問題，因此確定壩基處理深度為15 m，范圍由壩基腳內(nèi)15 m延伸至腳外5 m。

表1 壩基砂土液化分析表

式中：τav為地震作用平均水平剪應力，kPa；σv為初始有效上覆壓力，kPa；amax為基本加速度值，0.15 g；g為重力加速度，9.80 N/kg；σ0為總上覆壓力，kPa；k為應力折減系數(shù)。

2.2 壩基液化處理方案設計

新建曹家堡水庫大壩為土石壩，且處于地震區(qū)，為了消除附加孔隙水壓力影響，可以通過減小壩坡角度或在壩腳處填筑壓重平臺來達到目的，但前者會大大增加填筑工程量，后者只能減小但無法根除液化，因此經(jīng)過論證后全部否定。目前針對地基液化病害，常見的處理方式為強夯法，但受制于壩區(qū)實際情況以及環(huán)保要求，該方法也被排除，最終確定最合適的處理方案為振沖碎石（砂）樁法。

2.2.1 現(xiàn)場試驗設計

為了確定合理的施工參數(shù)（諸如：布置間距、填料等），在現(xiàn)場共設計4個試驗區(qū)，編號1～4，每個區(qū)具體設計參數(shù)見表2。

表2 振沖試驗4個區(qū)參數(shù)設計表

2.2.2 試驗結果分析

此項目利用“標貫法”和“剪切波速法”分別對壩基液化處理效果進行檢測，若兩個結果均顯示良好才算合格。

①“標貫法”液化判別。此項目采用“標貫法”判定為液化的標準為：N63.5＜Ncr，其中液化臨界錘擊數(shù)Ncr計算見公式（2）。

式中：N0為飽和土液化臨界標準貫入錘擊數(shù)，取值6；ds為標準點在地面下深度，m；dw為地下水位深度，m；ρc為系數(shù)，取值3.00%。

②“剪切波速法”液化判別。此項目采用的“剪切波速法”為單孔法和跨孔法，前者激發(fā)源位于地面，后者激發(fā)源位于孔內(nèi)（另一個孔接收）。“剪切波速法”判定為液化的標準為：土層剪切波速Vs＜Vst（上限剪切波速），其中Vst計算見公式（3）。

式中：KH為地震加速度系數(shù)，取值0.10；Z為深度，m；rd為深度折減系數(shù)，取值0.20。

通過兩種方法的獨立判別，結果表明：4個試驗區(qū)內(nèi)，深度不超過2.50 m時，均存在液化砂土（程度輕微）；振沖砂樁間的飽和砂土僅1個測試孔出現(xiàn)輕微液化問題，其他孔基本不存在（共計20個孔）；振沖碎石樁間的飽和砂土測試孔均未發(fā)現(xiàn)液化問題。由此可知經(jīng)振沖碎石（砂）樁處理后效果顯著，可以應用。

3 振沖法具體應用分析

3.1 方案布置

由于曹家堡水庫大壩周邊無足夠粗砂料可供使用，但附近有風化碎石料（安山巖為主），經(jīng)過技術人員檢測其含泥量約為7%，抗壓強度80 MPa，運距大概15 km，經(jīng)濟上可行。因此最終確定此項目處理方案為“振沖碎石樁為主，振沖粗砂樁為輔”。

結合試驗數(shù)據(jù)，確定布樁形式為“等邊三角形”，樁距均為3 m，樁徑0.90 m，加密電流80 A，填料量為1.00 m3/m（±0.20 m3），其余參數(shù)均與表2 保持一致。共計工期60 d，振沖樁共計4 850 根，為了降低孔位間影響，按照1→2→3 序孔施工順序，見圖1。

圖1 振沖樁布置示意圖

3.2 施工分析

①測量和機具放位。測量人員嚴格按照布置圖標記樁位，誤差要求在2 cm以內(nèi)；打樁機就位后合攏樁尖，樁管向下垂直對準位置入土，角度誤差控制在1.50%以內(nèi)。②插拔管要點。考慮到此項目壩基土層松軟，設計采用“反插法”施工方式，即先振動再拔管。當填充料高度超過1/3管長時開始拔管；為了控制樁體均勻性，要嚴格控制拔管速度（≤0.50 m/min），每提升0.50～1.00 m，再將樁管下沉0.30 m（要求不宜大于活瓣樁尖長度的2/3）。拔管前先振動10 s，邊振動邊拔，每拔出0.50 m 停止振動，拔管過程中分段添加填充料，要求管內(nèi)填充料始終高出地表面（或者高出地下水位1.00 m以上）。③樁體質(zhì)檢。此項目要求施工1 周后對樁體進行質(zhì)量檢查，方法要求兩種以上，在此采用“載荷試驗+動力觸探試驗”。檢測點位置取等邊三角形中心點，檢測點數(shù)量240個（不得低于總樁數(shù)的2.00%），包括：樁體、樁間土、復合地基。此項目檢測點合格率達到了98%（低于90%則需要采取補救措施），滿足規(guī)定要求，因此加固工程合格。

4 結語

曹家堡水庫壩基經(jīng)過振沖碎石（粗砂）樁處理后，壩基液化問題被圓滿解決，但在施工過程中遇到一些問題需要注意：振沖法相對來說對淺部地層擠密效果不出眾，可以適當加密或聯(lián)合其他方法；振沖樁在處理深度較大孔時，施工難度大，且無法擴大樁徑；振沖樁對拔管、留振施工要求很高，此項目就出現(xiàn)了3 次技術不達標事故。因此在使用該方法時應保證地質(zhì)勘查的準確性，且施工時嚴格監(jiān)測。