基于深層攪拌法的水泥攪拌樁在魯皂水庫重力壩壩基滲流中的應用

何萬信

(興仁市水務局 尖山水庫管理所,貴州 興仁 562300)

0 引 言

在軟土地基加固技術中,深層攪拌樁技術是一種快速、經濟、高效的處理方式,已被廣泛應用于各種軟土地基的加固工程中,并取得了良好的效果[1]。當交通流量增加時,道路地基將迅速下沉,道路結構變得不再穩固,最終可能造成損害。軟土特性經過一系列的化學反應被顯著改變,形成具備良好強度的水泥土和石灰土,提升了軟土的地基穩定性。根據土體特性的不同,其加固機制也不盡相同[2]。

深層攪拌樁能夠有效地將固化劑和原地基軟土混合在一起,以達到最佳的利用效果。采用這種方式攪拌時,對地基側向擠壓的影響極其微弱,不會對周邊環境造成任何不利的影響。在考慮到地基土的特點并符合工程設計需求的前提下,應靈活選擇固化劑和配方。采用這種方法施工,可以在市區和密集建筑群中實現無振動、無噪音、無污染的環境,從而大大提高施工效率。

深層攪拌法的加固技術具有獨特的優勢,其基礎構造包括水泥、水泥系固化劑、石灰以及其他多種添加劑[3-4]。其中,添加劑的比例可根據實際情況進行調整,以達到最佳的加固效果。常用的添加劑包括石膏和氯化鈉。在初期,深層攪拌樁的應用主要是為了加強復合地基,目的是增加地基的承載力,減少軟土地基的沉降量。

深層攪拌樁是一種隨著施工機械和工藝的發展,被廣泛應用于水利工程中的一種新型防滲措施。采用深層攪拌樁組成的防滲墻,其特點是施工機械簡單、施工速度快、防滲效果明顯等[5]。

本文旨在總結深層攪拌樁復合地基的設計、沉降特性以及相關的模擬分析結果,以期更好地理解和掌握這種防滲技術,從而更有效地將其普遍應用于實踐中。

1 深層攪拌樁在壩基滲流中的應用研究

1.1 項目背景

魯皂水庫位于黔西南布依族苗族自治州興仁市城南街道,由煙草行業援建,是以鄉鎮供水、灌溉用水為主、兼顧補充縣城供水的一項綜合性水利工程。魯皂水庫的建成投用,不僅解決了當地的用水難題,還拓寬了村民的收入渠道,提高了當地村民的幸福指數。

魯皂水庫壩址處多年平均徑流量981×104m3,多年平均流量0.311m3/s,總庫容704×104m3/s,為多年調節水庫。魯皂水庫攔河壩壩型為混凝土砌石重力壩,大壩樞紐由重力壩、壩身溢洪道、右岸壩身沖砂底孔、右岸取水口等建筑組成[6]。壩軸線方位角119.50°,壩頂高程1 388.1m,壩頂寬9m,壩頂長148m;壩底高程1 330m,最大壩高58.1m,最大壩底寬62.305m。齒墻設置在壩踵下部,侵入壩基深度5.5m,寬度3.0m,坡比1∶1。其中,溢流壩段布置于河床中部,堰頂高程與水庫正常蓄水位齊平,為1 386m。

針對修建在軟弱地基上的重力壩,應根據水庫的構造和水庫周圍的土質條件,采取適當的技術措施來處理軟土地基和防滲問題,如使用深層攪拌樁、土工合成材料等。處理軟土地基是一個重要的工程問題,特別是對于大壩基礎的穩定性和防滲性能而言。

深層攪拌樁是一種常見的地基處理方法,可以改善軟土地基中土壤的力學性質和防滲性能[7]。當水庫選擇在軟土地基上建設時,為了防止滲漏問題,可使用深層攪拌樁進行地基處理。深層攪拌樁是通過旋挖鉆機將水泥和土壤混合攪拌形成的樁體,用于增加地基的強度和剛度,防止滲漏流經地下路徑。通過進行地質勘察、試驗和數值模擬分析,確定深層攪拌樁的設計參數,并評估其在大壩基礎中防滲性能的效果,以提高大壩的安全性、穩定性和防滲性能,確保水庫運行和水資源的有效管理。

魯皂水庫攔河壩壩型為混凝土砌石重力壩,研究計劃將原有的重力壩渠道改建成矩形,并在其兩側安裝鋼筋混凝土懸臂式擋土墻,同時在其下方進行粉噴樁的地基處理。地基處理水泥土攪拌樁布置圖見圖1。

1.2 深層攪拌樁復合地基設計和沉降

深層攪拌樁的平面布樁方式與地基處理的工程量和加固效果有較大關系。采取何種布樁方法,可以根據加固的土體性質、處理后的復合地基的承載力等來確定[8-9]。目前,工程中廣泛應用柱狀、壁狀、格柵狀、塊狀和長短樁的組合形式。各布樁形式見圖2。

圖2 深層攪拌樁布樁形式

由于采用半剛性樁,固化劑與原地基軟土可在當地進行有效混合,充分發揮土壤潛力。由于攪拌過程中不會導致地基側向擠壓,因此對周圍環境的影響可以忽略不計。根據不同的地基土特性,結合工程設計要求,精心選擇固化劑和配方,使設計更加靈活多變[10]。其中,柱狀更適用于表層或樁端土較好的局部飽和軟弱夾層,多布置為正方形和等邊三角形。壁狀更適用于軟土層中的深基坑支護,它能有效阻止岸壁的滑動和滑坡。柵格狀適合于具有較大面積、對沉降要求較高的建筑物基礎的加固。這種埋設方式可使深層攪拌樁在基礎內成為一個密閉的整體,從而使樁的總體剛度、強度得到明顯提高,并增強其對不均勻沉降的抵抗能力。對于上層建筑面積較大、對不均勻沉降要求較高的工程,適合采用塊狀模式;采用塊狀排樁的方式,可以有效抑制基坑底部的上浮。在場地條件比較復雜、建筑地基土構造比較復雜時,采用短樁與長樁相互搭接,形成墻型或格構型。深層攪拌樁是一種長、短樁相結合的施工方法,在降低地基差異沉降的同時,還可以降低工程造價。

在深層攪拌樁的設計與計算過程中,主要包含水泥摻量的確定、壁狀樁體加固地基的設計計算等。深層攪拌樁是一種新型的樁基,其承載力主要是由樁間土與樁身共同承受。在其沉降過程中,可以分為3種類型,即初始沉降、快速沉降和緩慢沉降[11-12]。初始沉降是指施工期間的沉降;快速沉降是指竣工后復合地基的固結變形;緩慢沉降是指復合地基竣工后的次固結變形。樁身剛度、樁身承載力、置換率及自然土體特性等都會對樁身的變形和沉降產生影響。同時,通過靜力加載試驗,可以分析各種影響因素對復合地基變形和沉降的影響。加固區域和軟弱下臥層兩部分,構成了深層攪拌樁復合地基沉降。通過分層方法,對復合地基以及樁端以下軟弱下臥層的壓縮變形進行研究。公式如下:

s=s1+s2

(1)

式中:s為復合地基總變形量;s1、s2分別為復合土層壓縮變形量和樁端以下軟弱土層壓縮變形量。

由于深層攪拌樁在工程中的應用越來越普遍,對其沉降特征的計算也越來越多。基于常規分層法,可采用保荷法、整體變形法以及有限元方法,尤其是采用有限元方法,通過ABAQUS、COMSOL Multiphysics等軟件,對基礎的沉降量進行分析和計算。

1.3 深層攪拌樁壩基防滲

通過使用深層水泥攪拌樁,可以將軟土、沙子等材料與固化劑混合,從而增強地基的硬結性能并提高其強度。在實際工程中,滲流可能會涉及地下水、土壤和巖石等不同介質的流動。這些滲流所構成的空間就是滲流場。滲流可以按照滲流場所處的位置來劃分,可以按照其基本特征量是否隨著時間的改變來劃分,還可以按照其穩定性和不穩定性來劃分。進行滲流分析時,需要綜合多種因素,目前普遍采用的滲流分析技術包括理論解析、實物模型模擬以及數值模擬[13]。

在水利工程中,有大量的滲漏現象。滲透是一種危害很大的水工結構物,因此對其進行深入研究具有重要意義。目前,長江和黃河等地區的水利工程和土木工程均采用深層攪拌樁的防滲墻技術。與傳統的防滲方法和類似的技術相比較,深層攪拌樁防滲墻具有成墻質量可靠、防滲效果好、使用壽命長、成墻成本低于其他類似技術等優勢,被廣泛用于水庫大壩、堤壩、閘基和基坑等工程中,并開展相應的力學特性研究。1998年,由于深層攪拌技術的進一步發展,在年久水庫、堤防除險加固等工程中,采用了多頭小直徑深層攪拌樁,其施工流程見圖3。

圖3 多頭小直徑深層攪拌樁防滲墻工藝流程圖

深層攪拌樁的防滲機制,是使用水泥漿液等作為固化材料,借助一種特定的小直徑深層攪拌設備來實現。通過一次多頭鉆進,將水泥漿噴射到土層中,經過不停地攪拌操作,固化劑與土壤產生系列物理和化學反應,使水泥土得以硬化,生成具備穩定性、整體性以及防滲特性的水泥土樁。然后,通過多個樁體相互鏈接,構建出密度適中且連續的防滲墻,達到防止滲透的目的[14]。在實際工程中,基于樁身強度、樁頂沉降、滲流計算,深層攪拌樁防滲墻的設計根據工程現場土壤特性及分布情況,選取最佳的水泥用量及滲透控制措施。

2 工程案例分析

2.1 深層攪拌樁復合地基沉降量分析

在靜荷載為500MPa時,對不同置換率和深層攪拌樁樁體長徑比和復合地基沉降的關系進行對比分析,結果見圖4。

圖4 復合地基沉降量和置換率、樁體長徑比關系

由圖4可以看出,在深層攪拌樁的置換率為20%、25%的情況下,隨著樁體長徑比的增大,復合地基的沉降量隨之降低,但在一定范圍內,低置換率條件下的沉降量總體上大于高置換率條件下的沉降量。在不同的樁體長徑比下,深層攪拌樁的沉降隨著樁長比的變化規律是不同的。

從圖4可以看出,隨著置換率的增加,復合地基沉降量降低。并且在樁體長徑較小的情況下,整個沉降量的數值要比樁體長徑較大的情況下要高。

2.2 滲流分析

對不同條件下的大壩基礎滲流進行分析,得出無深層攪拌樁建基面節點處的滲透坡降曲線圖以及壓力水頭曲線。見圖5。

圖5 無深層攪拌樁建基面參數曲線情況

由圖5可以看出,當沒有設置深層攪拌樁時,壩基斷面滲流量為1.016×10-5m3/s。

為了進一步分析滲流情況,設置14m深層攪拌樁,曲線變化情況見圖6。

圖6 14m深層攪拌樁建基面參數曲線情況

在大壩與地基為同一種材料下,從參數曲線圖的變化情況來看,埋設深層攪拌樁后,樁端的滲流坡度明顯減小;將深層攪拌樁置于壩踵之前,對壩基和壩體基礎面的壓差影響不大;隨著深層攪拌樁的埋設,其埋設深度越深,滲透線的高度越低,樁身前后的壓力水頭也越小。當設置14m深層攪拌樁時,壩基總滲流量為8.002×10-6m3/s。在采用深層攪拌樁的情況下,壩基的滲流量有所下降,而采用14m深度攪拌樁時壩基的滲透率達到最小。當壩基和壩體的材料屬性不同時,建基面的參數曲線情況見圖7。

圖7 壩基和壩體材料屬性不同時建基面參數曲線情況

從分析得出的滲透坡降等值線圖來看,在壩基和壩體材料不同的情況下,大壩迎水面的滲透坡降非常大,而在壩踵附近的滲透坡降則顯著減小;在滲透率比壩基小的情況下,滲透系數會降低;壩基剖面滲流量為7.428 8×10-6m3/s,表明壩體滲透系數對壩體滲透性的影響較大,大壩的滲透性系數越低,大壩的滲透率越低。

3 結 論

深層攪拌樁法是一種快速、經濟的地基處理技術,已被廣泛應用于各類軟土地基的處理。為了解決大壩基礎中深層攪拌樁的防滲問題,本文提出了一種新的思路,即對深層攪拌樁復合地基的設計、沉降規律等進行研究,并對深層攪拌樁壩基防滲進行分析。結果說明,當樁體長徑比和置換率增加時,復合地基的沉降量顯著減少。埋設深層攪拌樁后,樁端的滲流坡度明顯減小;隨著深層攪拌樁的埋設,其埋設深度越深,滲透線的高度越低;采用14m深度攪拌樁時,壩基的滲透率達到最小。