惠州东江水利枢纽工程闸坝振冲碎石桩复合地基载荷试验分析

潘亨永, 李秋萍

(广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东 广州 510635)

惠州东江水利枢纽工程闸坝振冲碎石桩复合地基载荷试验分析

潘亨永, 李秋萍

(广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东 广州 510635)

惠州东江水利枢纽工程闸坝砂砾卵石地基采用振冲碎石桩加固处理,取得了较好的经济效益。对振冲碎石桩复合地基承载力采用载荷试验检测,得出复合地基承载力特征值,并计算出变形模量,为工程设计提供了可靠依据。试验表明:振冲碎石桩复合地基的承载力特征值为300 kPa,满足设计要求。就复合地基静载荷试验检测结果进行分析,为同类工程试验检测分析提供了参考。

闸坝;砂砾卵石地基;振冲碎石桩;载荷试验;惠州东江水利枢纽

1 工程概况

广东惠州东江水利枢纽工程位于东江干流惠州市下游,坝址距市区约12 km,是东江干流规划的第十一个梯级。枢纽主要由连接土坝、河床式发电厂房、船闸及拦河水闸等建筑物组成。水库正常蓄水位10.5 m,相应库容为1.16×108m3,电站装机容量为46 MW,设计洪水标准为50年一遇,相应下泄洪峰流量为10 910 m3/s,校核洪水标准为200年一遇,相应最大下泄流量为13 000 m3/s,工程规模为Ⅰ等大(1)型[1]。

该工程坝址区河床宽约600～700 m,河床砂砾卵石层厚度一般15～18 m,闸坝砂砾卵石地基的加固处理关系到工程安全与经济,地基处理是本工程的一项关键技术问题。

闸坝砂砾卵石地基采用振冲碎石桩地基加密处理方法处理,极大地利用了原材料,避免了大量开挖运输、回填混凝土、弃渣造成的土地资源浪费和环境污染,节约了资源,达到了节能环保的目的,缩短了工期,为第一台机组提前发电创造了条件,取得了较好的经济效益,为同类工程砂砾卵石地基处理积累了成功的经验。

本工程闸坝振冲碎石桩复合地基检测对碎石桩桩身及桩间土加密效果采用重型动力触探检测,检测点数为振冲孔数的2%,布置在三个振冲孔的三角形中间;对振冲碎石桩复合地基承载力采用载荷试验检测。本文就复合地基载荷试验检测结果进行分析,为同类工程载荷试验检测提供参考。

2 闸坝地基砂砾卵石层分布特性及振冲碎石桩布置

惠州东江水利枢纽工程拦河闸坝总长360.7 m,其中左河汊闸坝长164 m,右河汊闸坝长196.7 m,水闸建基面高程1.0 m。

闸坝地基第四系冲积层(Qal)为冲积砂砾卵石层,从上至下分为2-2,2-3,2-4三层。2-2层:主要为粉细砂、中细砂及中粗砂,含少量泥质,松散。本层层底高程一般为0～-4.5 m,厚度3～5 m。本层标贯击数N为3～10击,平均5.9击;重型动力触探击数N63.5为1～11击,平均4.4击。

2-3层:为含卵砾中粗砂、砾质中粗砂和砾砂,粒径不均匀,呈松散—稍密状。层底高程一般-6～-8 m,厚度3～8 m。标贯击数N为5～25击,平均13.7击;重型动力触探击数N63.5为3～20击,平均7.4击。

2-4层:为砂卵砾石,卵砾石含量一般>50%,粒径一般1～3 cm,少量5～6 cm,局部含少量泥质,呈中密—密实状。层底高程一般-11～-15 m,厚度5～8 m。重型动力触探击数N63.5为5～50击,平均22.3击。

本工程闸坝地基2-2层,粉细砂、中细砂及中粗砂层为松散状,2-3层含卵砾中粗砂、砾质中粗砂和砾砂呈松散—稍密状,为减少地基沉降变形量,提高地基承载力,经技术经济比较,采用振冲法加固处理。闸坝基础范围采用振冲碎石桩处理,其中,右河汊闸坝基础范围设计振冲碎石桩1 710根,等边三角形布置,桩距为2 m,桩径0.8 m,处理深度穿越2-2、2-3层,进入2-4砂卵石层。

3 振冲碎石桩复合地基载荷试验检测

3.1 试验点平面布置

本工程右河汊闸坝振冲碎石桩复合地基载荷试验检测试验点共7个,编号分别为Ⅰ-6、Ⅱ-6、B3、B4、B5、B6、B7。试验点为单桩复合地基,振冲碎石桩试验桩直径600 mm(载荷试验点的试验桩直径为600 mm,试验论证可行后设计采用的碎石桩直径为800 mm,偏于安全),呈等边三角形布置,桩距2 m。试验点碎石桩有关参数见表1。

表1 试验点碎石桩有关参数

建基面持力层为中粗砂,承压板为正方形,边长2 m,面积为4 m2,碎石桩位于承压板的中心点上。设计要求试验压力为600 kPa(荷载2 400 kN),试验点平面布置见图1。

图1 载荷试验点平面布置示意图Fig.1 Layout diagram of load test points

3.2 试验方法与计算依据

载荷试验检测依据为《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012),《土工试验规程》(SL237—1999)。试验按照以上规程中的有关规定进行。

试验采用压重平台反力装置。压重平台反力装置作为荷载反力,将大于预定最大试验荷载的荷重在试验开始前一次性加上平台,试验时用油压千斤顶分级加载。荷载用精密压力表测控。复合地基载荷试验的沉降采用装设在荷载压板上的4个百分表测定,按规定时间读取沉降量,百分表精度为0.01 mm。试验装置见图2。

图2 载荷试验装置示意图Fig.2 Device schematic diagram of load test

试验最大压力为设计荷载300 kPa的2倍,即为600 kPa。最大试验荷载为2 400 kN。试验压力分10级施加,每级60 kPa。

终止试验的条件为:①沉降急剧增大,土被挤出或承压板周围出现明显的隆起;②承压板的累计沉降量已大于其宽度的6%;③当达不到极限荷载,而最大加载压力已达到设计要求压力值的2倍。

复合地基承载力特征值的确定[2]:单个试验点的承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)附录B,B.0.10的要求确定。当压力—沉降曲线上极限荷载能确定,而其值不小于对应比例界限的2倍时,取比例界限;当其值小于对应比例界限的2倍时,取极限荷载值的一半。当压力—沉降曲线是平缓的光滑曲线时,按相对变形值确定,对于振冲碎石桩复合地基,地基以砂土为主,取s/b=0.01所对应的压力,按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半。

试验点不应少于三点,当满足极差不超过其平均值的30%时,取其平均值为复合地基的承载力特征值。

变形模量按式(1)[3]计算,即:

E0=0.89(1-μ2)a·p/S

(1)

式中:E0为复合地基的变形模量,单位为kPa;p为试验土层表面上的压力,单位为kPa;S为对应于各级压力的累计沉降量(总沉降量),单位为cm(在《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2012附录A、附录B中代号为s);a为承压板的边长(在《建筑地基处理技术规范》附录B中称为承压板宽度,代号为b),单位cm,本次试验承压板的边长为200 cm;μ为泊松比。

3.3 载荷试验变形特性分析

本次试验,共进行了7个点载荷试验,代表性p-S曲线有Ⅰ-6、Ⅱ-6、B3、B5 四点,见图3-图6,试验结果与分析如下。

3.3.1 Ⅰ-6试验点

p-S曲线见图3。曲线特征为第1级、第2级荷载加载后出现明显的压密,曲线出现明显下降,以后各级沉降较小,较均匀。试验荷载加至300 kPa(1 200 kN)时,沉降量为15.76 mm;加荷至最大试验荷载600 kPa时,总沉降量为25.15 mm,p-S曲线中部较为下凸,无转折陡降段。卸载为0后,回弹量为7.28 mm,回弹率为28.95%。该试验点的极限承载力Qu≥600 kPa。相应于s/b=0.01,即s=20 mm时对应的压力为457.7 kPa(用内插法求得),大于试验最大加载压力600 kPa的一半,取试验最大加载压力的一半,即300 kPa为承载力特征值。

试验压力为300 kPa时,总沉降量为15.76 mm,相应的变形模量为31.8 MPa。试验最大压力为600 kPa时,总沉降量为25.15 mm,变形模量为39.8 MPa。

图3 Ⅰ-6试点p-S曲线Fig.3 p-S curves of Ⅰ-6 test point

3.3.2 Ⅱ-6试验点

p-S曲线见图4,曲线形状与Ⅰ-6试验点相似,但沉降量较Ⅰ-6试验点小。曲线特征为开始的第1级—第3级荷载加载后曲线出现较明显下降,以后各级沉降较小,较均匀。试验荷载加至300 kPa时,沉降量为13.3 mm;加荷至最大试验荷载600 kPa时,总沉降量为20.66 mm,p-S曲线无转折陡降段。卸载为0后,回弹量为8.44 mm,回弹率为40.85%。该试验点的极限承载力Qu≥600 kPa。相应于s/b=0.01,即s=20 mm时对应的压力为575.7 kPa,大于试验最大加载压力600 kPa的一半,取承载力特征值为300 kPa。

试验压力为300 kPa时,总沉降量为15.76 mm,相应的变形模量为37.6 MPa。试验压力为600 kPa时,总沉降量为20.66 mm,相应的变形模量为48.5 MPa。

图4 Ⅱ-6试点p-S曲线Fig.4 p-S curves of Ⅱ-6 test point

3.3.3 B3试验点

p-S曲线见图5。曲线特征为开始的第1级—第2级荷载加载后曲线下降较明显,第3级—第8级荷载沉降较小、较均匀,最后两级荷载沉降明显增大。试验荷载加至300 kPa时,沉降量为9.8 mm;加荷至最大试验荷载600 kPa时,总沉降量为23.1 mm,p-S曲线无转折陡降段。卸载为0后,回弹量为8.17 mm,回弹率为35.37%。该试验点的极限承载力Qu≥600 kPa。相应于s/b=0.01,即s=20 mm时对应的压力为550.8 kPa,大于试验最大加载压力600 kPa的一半,取承载力特征值为300 kPa。

图5 B3试点p-S曲线Fig.5 p-S curves of B3 test point

试验压力为300 kPa时,总沉降量为9.8 mm,相应的变形模量为51.1 MPa。试验压力为600 kPa时,总沉降量为23.1 mm,相应的变形模量为43.3 MPa。

3.3.4 B5试验点

p-S曲线见图6。曲线特征为开始的第1级—第2级荷载加载后曲线下降较明显,第3级—第10级荷载沉降较小、较均匀。试验荷载加至300 kPa时,沉降量为13.91 mm;加荷至最大试验荷载600 kPa时,总沉降量为27.27 mm,p-S曲线无转折陡降段,卸载为0后,回弹量为9.99 mm,回弹率为39.63%。该试验点的极限承载力Qu≥600 kPa。相应于s/b=0.01,即s=20 mm时对应的压力为448.7 kPa,大于试验最大加载压力600 kPa的一半,取承载力特征值为300 kPa。

试验压力为300 kPa时,总沉降量为13.91 mm,相应的变形模量为36.0 MPa。试验压力为600 kPa时,总沉降量为27.27 mm,相应的变形模量为30.1 MPa。

图6 B5试点p-S曲线Fig.6 p-S curves of B5 test point

3.4 承载力特征值及变形模量

3.4.1 承载力特征值

本工程复合地基载荷试验的压力—沉降曲线为平缓曲线型,对于振冲碎石桩复合地基承载力特征值的确定,地基以砂土为主,可取s/b=0.01所对应的压力为承载力特征值,(b为承压板宽度,即2 000 mm),按此相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半。各试验点的承载力特征值取值分析结果见表2。

根据表2所列结果,相对变形值s/b=0.01,即s=20 mm对应的试验压力(通过内插法确定)为432.2～575.7 kPa,均大于最大加载压力的一半(300 kPa),按规范规定,取最大加载压力的一半,即300 kPa为承载力特征值。

作为承载力特征值富裕度分析,相对变形值s/b=0.01,即s=20 mm对应的试验压力为432.2～575.7 kPa,平均值为499.3 kPa,极差为平均值的28.7%,可取平均值499.3 kPa为承载力特征值,但因超出最大加载压力的一半,按规范只能取最大加载压力的一半,即300 kPa为承载力特征值,由于试验未加载至破坏,实际的承载力特征值应>300 kPa。

为进一步探索在初步设计时,如何合理估算此类振冲碎石桩复合地基的承载力特征值,本文根据试验结果,结合本工程地质勘察成果进行了合理的估算分析。

初步设计时，根据《建筑地基处理技术规范》,复合地基的承载力特征值可按式(2)估算,即:

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

(2)

表2 承载力特征值取值分析结果表

式中:fspk为复合地基的承载力特征值,根据本工程试验结果,fspk取300 kPa;m为面积置换率,m=d2/de2=0.62/(1.05×2)2=0.081 63(等边三角形布桩);n为桩土应力比,对于砂,规范规定可取n=1.5～3;fsk为处理后桩间土承载力特征值。

由此可反算估算出处理后桩间土承载力特征值fsk,为估算复合地基的承载力特征值fspk提供参考。取不同的桩土应力比,反算出处理后桩间土承载力特征值fsk(表3)。

本工程砂卵砾石地基处理前为松散—稍密状,按经验估计处理前天然地基的承载力特征值约150～180 kPa。由表3可见,经振冲碎石桩处理后,对应于桩土应力比n为1.5～3,桩间土承载力特征值fsk可达257.9～288.2 kPa,对于本工程,取桩土应力比n为2.0～2.5较合适,处理后桩间土承载力特征值fsk可达267.3～277.4 kPa。

表3 处理后桩间土承载力特征值估算结果

此项分析的意义在于,在初步设计时,对于与此工程类似的砂、砂砾卵石地基,经过振冲碎石桩处理后,桩间土承载力特征值fsk可达约267～277 kPa,结合实际工程桩的布置确定面积置换率m,选取合理的桩土应力比n,就能合理地估算出经处理后的复合地基承载力特征值fspk,为工程设计提供依据。

3.4.2 变形模量计算分析

对于各试验点,对应其各级压力p和相应的累计沉降量S,按式(1)计算出相应的变形模量。各试验点变形模量计算统计及建议值见表4。

对变形模量计算,选取不同的泊松比(μ=0.20,0.25、0.30)计算表明:变形模量E0对μ不敏感[4],μ增加0.05,变形模量减少约1 MPa,相应于变形模量平均值约35 MPa,μ增加0.05,变形模量降低约1/35=2.86%。为了便于比较,本文变形模量计算μ取0.25。

表4 各试验点变形模量计算统计及建议值表

注:带*号者结果偏大,不参与统计;表中E0的单位为MPa。

计算统计结果,试验压力p为0.30 MPa时,变形模量为31.8～37.6 MPa,平均35.2 MPa,建议值35 MPa。试验最大压力p为0.60 MPa时,变形模量为30.1～48.5 MPa,平均39.5 MPa,建议值40 MPa。

4 结语

本工程闸坝砂砾卵石地基成功地采用振冲碎石桩加固处理,载荷试验结果分析为同类工程地基振冲碎石桩加固处理承载力检测积累了经验。

载荷试验结果表明:7个载荷试验点在检测过程中均未出现破坏现象,其极限承载力均≥600 kPa。

本工程复合地基载荷试验的压力—沉降曲线为平缓曲线型,对于振冲碎石桩复合地基承载力特征值的确定,地基以砂土为主,s/b=0.01对应的压力为432.2～575.7 kPa,均大于最大加载压力600 kPa的一半,按规范,取最大加载压力的一半即300 kPa为复合地基的承载力特征值。本工程砂砾卵石地基经振冲加固处理后,复合地基的承载力特征值为300 kPa,满足设计要求。

[1] 潘享永,可洪有,王殿春.广东惠州东江水利枢纽工程初步设计报告:3工程地质[R].广州:广东省水利电力勘测设计研究院,2004.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基处理技术规范:JGJ 79—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3] 南京水利科学研究院.土工试验规程:SL 237—1999[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[4] 潘亨永,李智英.阳江抽水蓄能电站下水库主坝坝基载荷试验分析[J].人民珠江,2015,36(1):108-112.

(责任编辑：陈文宝)

Analysis of Static Load Test on Composite Foundation withVibro Replacement Stone Column of Sluice Dam of the East RiverHydro-Junction Project in Huizhou

PAN Hengyong, LI Qiuping

(GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou,Guangdong510635)

The sluice dam foundation composed with sand and gravel of the East River Hydro-Junction Project in Huizhou is treated by vibro replacement stone column and obvious economic effect is achieved. The characteristic value of bearing capacity and deformation modulus of the composite foundation are obtained by static load test to provide a basis for engineering design. The static load test shows that the characteristic value of bearing capacity of the composite foundation is 300kPa meeting design requirements. In the paper,the static load test results are analyzed for similar project reference.

sluice dam; alluvial sand and gravel foundation; vibro replacement stone column; static load test; the East River Hydro-Junction Project in Huizhou

2016-04-15;改回日期:2016-04-22

潘亨永(1963-),男,教授级高级工程师,博士,岩土工程专业,从事岩土工程勘察与研究工作。E-mail:panhy12@163.com

TV223.2

A

1671-1211(2016)03-0339-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.022

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.008.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24