汾河二坝除险加固工程拦河闸地基分析与施工处理措施

李润清

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

1 概况

1.1 工程概况

汾河二坝拦属于大(2)型水闸，在遇到强降雨气候或者上游地区洪水位较高时，该水闸泄洪排水能力较差，尚且达不到设计行洪能力标准。为了提高水闸行洪排水能力，需对拦河水闸进行除险加固工程改造，在拦河水闸左侧增加闸孔数量，提高水闸泄洪排水能力，提高汾河二坝拦河水闸的防洪等级标准[1]。本次除险加固工程需增建6个行洪排水孔，每个孔宽为8m，扩建的闸室结构尺寸为顺水方向增建20m，垂直水流方向增建为52m，在新建闸室左侧的上游和下游修建翼墙[2]。

1.2 工程地质条件

2 地基土地震液化判别

2.1 初判

根据目前应用较为广泛的地基液化的判别标准，饱和粉土或砂土在满足以下条件之一时，可将土质类型判断为不液化土或不受液化危害的地基土[5]。

(1)在第四纪晚更新世(Q3)及其以前的经过冲击形成的较为密室的饱和性粉土或砂土，在7～8级地震时可认为地基土不产生液化。

(2)对于7级地震黏粒含量不低于10%、8级地震含量不低于13%、9级地震含量不低于16%的粉土，可认为该类型地基土为不液化土。

(3)当建筑物采用天然地基时，地基土是否会产生液化现象受地下水位和非液化土质覆盖厚度的影响，当满足下列条件之一时，可认为地基土不受液化危害影响：

du>d0+db-2;dw>d0+db-3;du+dw>1.5d0+2db-4.5

(1)

式中，dw—地下水位深度，m，一般为建筑物近期最高水位或试用期内年平均最高水位；du—非液化土质覆盖厚度，m，为扣除了淤泥或淤泥质土层的厚度；db—拦河水闸基础埋置深度，m，超过2m时为实际埋深，不足2m时按2m计算；d0—液化地基土特征深度，特征深度值按见表1。

表1 液化土特征深度值 单位：m

2.2 公式判别

若地基土初步判别为可液化土层时，仍需进一步对液化土类别进行判断，一般情况下可采用钻孔标贯试验进行计算公式判别，特殊情况下可利用其它判别方法进行判断[6]。在我国所发生的地基液化深度大于15m的建筑物实例相对较少，一般情况下是对于浅基础建筑物的地基液化类型进行判别，判别深度为15m。地基深度在15m范围内的饱和粉土或砂土可按照以下标准进行液化类型判别：

N

(2)

式中，N—饱和土的标准贯入锤击次数(实测值)；Ncr—液化判别标准贯入锤击次数临界值；N0—液化判别标准贯入锤击次数基准值，根据标准规范要求8级地震区标准贯入锤击次数为10次；ds—饱和土贯入点深度值，m；ρc—粉土中黏粒含量百分数，当含量小于3%时取3%。

根据饱和性试验结果该工程拦河水闸地基土属于饱和土。然后按照标准规范要求进行标准贯入锤击试验，试验数据显示该地基土标准贯入锤击次数N为5～10次，而液化判别标准中8级地震时的贯入锤击次数临界值Ncr为10～20次，故汾河二坝拦河水闸地基土在8级地震时可发生地震液化。

3 地基处理方案

根据地基土力学性能试验研究，结果显示拦河水闸地基土地基承载力范围为75～95kPa，而当发生8级地震时需要的最大地基承载力为135kPa，翼墙基础所需要的最大力为205kPa，故拦河水闸天然地基承载力明显低于发生8级地震时闸基和翼基所需的承载力；根据本文计算结果，汾河二坝拦河水闸地基土若发生8级地震可产生明显的地震液化。综上所述，为解决基土承载力不足和地震液化危害两大问题，应考虑在闸底板四周加设钢筋混凝土板桩围护结构，利用振冲碎石桩对新建拦河水闸和翼墙的基底进行加固处理[7]。在充分考虑了工程现场现有的施工机械和施工条件的基础上，经过有关地基加固技术方面的讨论后，最终拟定采用直径为0.7m的振冲碎石桩对基土进行出现加固处理。桩间距和复合地基承载力标准值计算公式如下所示：

(3)

式中，fskp—复合地基承载力特征值，kPa；fsk—经过处理后的桩间土质承载力特征值，kPa，一般去天然土基承载力特征值，kPa;m—面积置换率；n—桩土应力比，其值一般为2～4，当土强度较高时取小值，当土强度较低时取大值；d—振冲碎石桩直径，m；de—影响等效直径，m；S—振冲碎石桩间距，m。

结合相关坝基除险加固工程中振冲碎石桩的间距，并考虑了天然地基土层和桩直径对地基承载力的影响，本文拟定拦河水闸振冲碎石桩桩间距为1.8m，而翼墙基底桩间距为1.5m，桩长8m。通过计算，汾河二坝除险加固工程中经采用振冲碎石桩处理后的复合地基承载力闸基和翼墙基底计算值分别160kPa和224kPa，均满足该地区发生8级地震时所需的最大地基承载力要求[8]。

4 碎石桩地基处理检测

拦河水闸地基和翼墙基底按照上述加固方案进行处理后，委托复合地基承载力和土层地震液化检测的单位对各项性能指标进行检测，以此验证经过复合地基处理后的基础力学性能和地震液化性能是否复合工程设计要求。

表2 拦河水闸地基加压荷载试验数据记录表

4.1 复合地基承载力试验

对振冲碎石桩复合地基承载力载荷试验采用4组试验进行，闸基2组，翼墙2组。

4.1.1 试验方法

本文采用单桩复合地基荷载压板试验，压板直径为1m，闸基底和翼墙基底最大加压荷载分别为320kPa和420kPa，每加一次荷载进行一次承压板沉降量记录。当承压板沉降量在1h小于0.1mm时可进行下一级加压，当出现以下情况之一时，则终止加压试验：

(1)沉降量急剧增加、压板周围出现明显凸起或土体被挤出；

(2)累计沉降量不小于压板直径的6%；

(3)当加压荷载达到设计要求荷载的2倍，还未达到极限荷载时。

4.1.2 压载试验结果与分析

每一级加压荷载引起的桩沉降量和剩余沉降量见表2、3。

由上表数据可知，当加载荷载达到最大值时，各测量点均未发生终止试验的条件，加载荷载与沉降量之间呈现出平滑的关系曲线。可选用桩变形对承载力特征值进行表征，一般选择的承载力特征值为最大加压荷载的1/2，则根据上表试验数据结果，采用的拦河闸地基和翼墙基底承载力特征值分别为160kPa和210kPa，均满足在8级地震时所需的最大承载力要求[9]。

4.2 复合地基土地震液化监测

为了对经过振冲碎石桩加固处理的地基液化性能进行检验，按照标准规范进行钻孔标贯试验，结果显示经过处理后的复合地基其标准贯入锤击次数实测值为15～20次，略大于贯入锤击次数临界值的10～20次标准。结果表明，经过振冲碎石桩加固处理后的复合地基其抵抗地震液化能力明显增加，有效的减少了地震液化对地基的危害。

5 施工技术处理措施

首先利用制桩试验，确定桩体施工工艺参数，振留时间为12s，加密段长为300～500mm，桩体填料沿桩体每米填充0.95m3，制桩施工技术参数见表4。

表4 施工技术参数

在确定了成桩时各施工工艺参数后，选择合理的振冲器进行振冲成孔，在桩孔成型稳定后将振冲器移出。然后按照一定的次序向桩孔内沿水平方向进行均匀的倒置碎石，并用低压制桩。碎石在添加过程中应按照每次添加量少，进行多次添加原则进行对于土层较为复杂的阶段，应严格控制单位长度内的碎石桩进料量。大量的实际工程表明，振冲碎石桩若采用的碎石粒径较小，则桩体较松其抗剪能力较差，若碎石级配不好，则抗体抗剪能力下降[9]。

6 结语

本文针对目前汾河二坝拦河水闸地基承载力不足的问题以及在8级地震基土时可产生的液化危害问题，提出了采用振冲碎石桩对地基进行除险加固处理方案。通过分析碎石质量对桩体力学性能影响，并合理的控制桩体施工技术参数，制成了适用于拦河水闸地基和翼墙基土加固的碎石桩。然后对振冲碎石桩形成的复合地基进行承载力试验检测，结果表明采用振冲碎石桩加固处理技术可明显提高复合地基承载力，有效降低在8级地震时所引起的基土液化危害，符合工程技术要求，该项技术方案可应用于其他河坝加固处理中。

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