基于振动三轴试验的邵伯节制闸地基加固改造研究

刘　愚

(江西省水利水电建设有限公司, 江西 南昌　330000)



基于振动三轴试验的邵伯节制闸地基加固改造研究

刘愚

(江西省水利水电建设有限公司, 江西 南昌330000)

邵伯闸是南水北调东线工程输水线路上的涵闸，已严重老化。为防止在加固改造过程中出现地基液化的情况，采用局部灌浆的方法对其进行加固。本文针对邵伯闸地基土在局部灌浆前后的液化特性进行振动三轴试验，并进行数理分析，研究表明局部灌浆可以有效防止节制闸地基土的液化，为其他节制闸改造加固工程提供借鉴。

节制闸； 地基； 液化； 振动三轴试验

邵伯闸为南水北调东线工程输水线路上的节制闸，已经运行五十多年，目前闸门基本处于关闭状态。由于该闸建成年代早、设计标准低，运行期间虽经多次维修加固，仍存在闸室上游淤积严重、混凝土结构老化、闸门漏水、启闭机电器设备老化等隐患，根据《水闸安全鉴定规定》(SL 214—98)第6.02条规定，评定邵伯节制闸为四类闸。

对于节制闸的加固改造，国内的工程实例也多有涉及，但在施工之时普遍遇到了地基土液化问题。地基土液化会造成地基承载力不均匀，导致上部建筑物出现裂纹、甚至崩坏。为了应对地基液化，目前工程中采用局部灌浆的方法，以增加地基土的整体性和联动性，更好地发挥最大承载力。但现有工程多针对各自问题进行局部大量灌浆，以求用大量的混凝土来替换原有可能液化的地基土，而忽略了数理分析，导致工程的参考价值较低、经济性较差。

本文基于振动三轴试验，对邵伯节制闸加固改造工程地基土液化问题进行了数理分析，为加固改造工程提供了理论依据，并可为其他节制闸改造提供一定程度的借鉴。

1　工程概况

邵伯闸加固改造工程场地地貌类型属古泻湖堆积平原中的沼泽洼地平原，地貌分区属于里下河浅洼平原区。场地地势较平坦，地面高程为7.50m左右。

场地位于扬子准地台苏北拗陷区之东台拗陷东南部，下伏渐新统杂色泥砂岩构成的基岩，上覆800～1600m厚的上第三系和第四系砂土、黏性土层，除近东西向的宜陵—蒋王庙断裂和北东向的泰州—安丰断裂外，附近无其他较大规模断裂通过，区域地质构造稳定性较好。

场地在钻探深度范围内所揭示的土层，按其成因类型及土的性状自上而下可分为如下各层：

A层(Q4ml)：素填土，灰黄杂灰、灰黑色粉质黏土，杂碎石、碎贝壳等，为人工填土，层厚6.5～10.4m。

①层(Q4al)：灰黄色重粉质壤土，局部为粉质黏土、中粉质壤土，含少量铁锰质斑，层厚8.1～9.0m，场地普遍分布。

③层(Q3al)：灰黄色粉质黏土，含铁锰质结核，层厚6.1～7.5m，场地普遍分布。

④层(Q3al)：灰黄夹灰白色重粉质壤土，局部为轻粉质壤土，层厚3.0～3.9m，场地普遍分布。

⑤层(Q3al)：灰黄夹灰白色粉质黏土，重粉质壤土，含铁锰质斑，未钻穿，最大揭示层厚10.0m，场地普遍分布。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)，场地的地震动峰值加速度为0.15g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。

邵伯节制闸设计流量为50m3/s，根据《水闸设计规范》(SL 265—2001)，邵伯节制闸规模为小(1)型，工程等别为IV等。由于该闸位于高水河东堤段，主要建筑物级别应与所在堤防等级相同。高水河东堤堤防等级为1级，因此，邵伯节制闸闸室、岸墙、防渗范围内上下游翼墙按1级水工建筑物考虑，其余按3级水工建筑物考虑。邵伯闸闸上公路桥原设计荷载等级为汽—6级。本次加固改造设计考虑公路桥建成后与邵伯船闸新建公路桥对接，桥面宽度为8m，闸上公路桥设计荷载等级采用公路—2级。

2　振动三轴试验

2.1试验原理

将试样四周用σ0的压力加载使得试样固结，此后利用激振设备在轴向添加±σd/2的周期压力，在侧向添加mσd/2的压力。如此一来，轴向压力和试样在45°平面上的法向应力不变，该种情况便是地震时候的土层应力状态。频率一般在1～4Hz，该试验取1Hz。在整个试验过程中，实时记录试样相关参数的变化，包括试样轴向应力、试样应变、试样孔隙水压力，当试样孔隙水压力不小于侧向压力mσd/2或者应变达到预定数值的时候，加载停止，记录下剪切应力σdL/2、振动的周数NL。

2.2液化判断标准

如果试样含有土砾质中粗砂，采用式(1)进行判断：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中C——试样中土粒径小于0.075mm的土重量占总体土重量的百分比；

τL——20周加载周期下的剪切应力，kPa;

Nl——标准贯入试验锤击数，负重压力为98.1kPa，次;

N——实测标准贯入试验锤击数单位为次。

2.3试验过程

为了密实注浆，注浆之前的试样都必须进行振动三轴试验，使用原状土样进行实验；此外如果试样注入了水泥浆，必须进行振动三轴试验，使用人工配样。土体内水泥的掺入含量为5%，不进行养护，马上进行振动三轴试验。

试样的直径为3.91cm，高度为8cm。首先对试样进行抽气饱和，然后将试样安装在实验仪器上。围压力设置为100kPa，固结比Kc设置为1.0和1.5两种情况。当固结比Kc=1.0的时候，激振力设置为40kPa、45kPa、50kPa；当固结比Kc=1.5的时候，激振力设置为60kPa、70kPa、80kPa；对于掺入5%水泥的试样，当固结比Kc=1.0的时候，激振力设置为75kPa、85kPa、95kPa；当固结比Kc=1.5的时候，激振力设置为95kPa、100kPa、110kPa、130kPa。

当应变达到5%的时候，认为破坏。记录此时的振动周数，即为液化周数；记录此时的剪切应力，即为液化剪切应力。

2.4试验结果

将试验数据绘制成图，图1为Kc=1.0时动应变随振动周数的变化情况，分别考虑了掺入水泥的试样(右侧)和掺入5%水泥的试样(左侧)；图2为Kc=1.5时动应变随振动周数的变化情况，分别考虑了掺入水泥的试样(右侧)和掺入5%水泥的试样(左侧)。图3为Kc=1.0时动剪应力随振动周数的变化情况，分别考虑了掺入水泥的试样(右侧)和掺入5%水泥的试样(左侧)；图4为Kc=1.5时动剪应力随振动周数的变化情况，分别考虑了掺入水泥的试样(右侧)和掺入5%水泥的试样(左侧)。Kc=1.0时不同土样液化剪应力的变化情况如表1所列；Kc=1.5时不同土样液化剪应力的变化情况如表2所列。

图1　Kc=1.0时动应变的变化情况

图2　Kc=1.5时动应变的变化情况

图3　Kc=1.0时动剪应力的变化情况

图4　Kc=1.5时动剪应力的变化情况

液 化 周 数5102030405080120原状土样液化剪应力/MPa45.1641.5238.4136.7334.7233.6231.6129.02掺入5%水泥的土样液化剪应力/MPa92.6286.7381.7777.9275.3573.6769.1266.72提升幅度/%105.09108.89112.89112.14117.02119.13118.66129.91

表2　Kc=1.5时不同土样的液化剪应力的变化情况

通过表1、表2可以看出，在Kc=1.0的情况下，掺入5%水泥的土样液化剪应力比原样土样液化剪应力评价提高了115.47%；在Kc=1.5的情况下，掺入5%水泥的土样液化剪应力比原样土样液化剪应力评价提高了77.05%。参照《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287—99)，因为该工程勘测结果显示标准贯入击数为7击，最小的埋深为4米，C=35%，根据式(1)，最大液化周期为0.345，即试验结果如果大于0.345，则土样不会液化。试验结果显示原装土样最小的液化周期为0.317，如果将液化周期提高9%即可以保持土体不液化。故而，试验中掺入了5%的水泥，完全满足工程要求。

3　施工改造

根据试验结果，对邵伯节制闸进行改造施工。

a.采用1500kN·m能级对土体进行点夯。

b.最大振动速0.03m/s作为停锤标准。

c.每个夯点不少于4击。

4　结　论

对可能存在液化的土体进行水泥掺入，可以很好地提高土体的整体性和联动性。本文基于振动三轴试验，对邵伯节制闸加固改造工程地基土液化问题进行了数理分析，用分析结果为邵伯节制闸加固改造工程提供理论依据，很好地解决了邵伯节制闸地基可能液化的问题。

[1]李冬明,沈雪梅,江季忠.正常运行条件下的南通节制闸液压启闭系统改造方法[J].水利建设与管理,2014,34(1):55-57.

[2]赵翠萍,王霞,李频.高港枢纽节制闸地基稳定复核计算及分析[J].水利建设与管理,2011,31(12):6-7.

[3]马锦锦,李凯,阿木尔.改进阻力系数法在节制闸工程中的运用[J].水利建设与管理,2014,34(12):27-29.

Research on Shaobo Regulating Sluice foundation reinforcement and reconstruction based on vibration triaxial experiment

LIU Yu

(Jiangxi Water and Hydropower Construction Co., Ltd., Nanchang 330000, China)

Shaobo Sluice is a sluice gate on water conveyance line of South-to-North Water Diversion East Line Project, which has been aged seriously. Local grouting method is adopted for consolidation in order to prevent foundation liquefaction possibility during the reinforcement process. In the paper, vibration triaxial experiment is carried out aiming at the liquefaction characteristics of Shaobo Sluice foundation soil before and after local grouting. Foundation soil liquefaction problem is studied mathematically, thereby providing reference for other regulating sluice transformation and reinforcement projects.

regulating sluice; foundation; liquefaction; vibration triaxial experiment

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.007

TV223

A

1005- 4774(2016)08- 0024- 05