砂砾石振冲桩施工在水利工程中的技术应用

汪月腾

摘 要：水利工程中，挡土墙能够有效防止工程土体变形失稳的构筑物，在一定程度上，防止水利工程发生滑坡现象，增加水利工程的稳定性。而挡土墙的底板处理上，特别是原状地基土是软弱层的时候，可以采用碎石桩来加固挡土墙。现阶段的碎石桩的施工方法很多，其中的“砂砾石振冲桩”技术施工便利，应用广泛。为了让“砂砾石振冲桩”施工技术能够应地制宜地发生作用，文章比较了不同桩型，从桩直径和桩间距的比值角度，比较了不同桩型下对挡土墙地表沉降、固结程度以及水平变形的影响，以期找到最佳的“砂砾石振冲桩”加固方式。

关键词：水利工程;挡土墙;加固技术;振冲碎石桩;施工技术

引言

全封闭止水坝的建设是在河流上实施的常规防洪机制。完全封闭的水坝会在河流中捕获大量的沉积物，以稳定河流的坡度并控制侵蚀。但是，完全封闭的水坝不能选择性地捕获沉积物，并且很容易溢出，从而导致它们失去调节和保持沉积物的能力。在建设过程中，针对软土基层，水坝多采用“直墙式全浆砌石挡土墙”，年久使用下，挡土墙往往有变形和沉陷的可能，在纵向和横向上都可能发生较大的脆化。为减轻沉降所必须进行加固工程中，采用的处理技术有： 振冲碎石桩、预制竖向排水沟、真空预压、深混合柱等。其中，振冲碎石桩技术具有机具设备简单、操作技术易于掌握、施工简便等特点。

一、技术介绍

在水利工程的挡土墙中设置一般的碎石桩具有以下效果：（a）加固效果;（b）减少沉降效果;（c）加速固结沉降效果。但在不排水粘聚力小于或等于15kpa 的软土中，振冲碎石桩会发生过大的侧向变形。此外，软粘土可能会渗透进石桩。以往的研究大多集中在土工合成加筋对孤立石桩承载力的影响上。在研究了地基承载力、地基刚度、软土厚度、挡土墙高度等因素对挡土墙沉降的影响后，为了克服这些问题，可以采用振冲碎石桩对单个石桩进行周边加固。

振冲碎石桩是利用压力水的水平振动力和振冲装置在软土中形成一个孔，然后填充碎石代替软土，通过控制密度流和振动停留时间振动形成桩身。桩体与桩间土形成复合地基。当复合地基承受上部荷载时，通过砾石垫层的流量补偿作用，将荷载逐渐合理地分配到桩与桩间土上，使桩与土共同承受荷载。同时，荷载作用下复合地基产生的超静孔隙水压力通过桩体消散，使桩间土体排水加固，强度得到提高，达到加固的目的。具体施工剖面图如下所示。

二、施工过程

建立完整的三维模型，以了解加固的长期行为。典型的全3d 模型采用相对较细的网格布局，以便在整合过程开始时使用较小的时间步长（即0.001天以上） ，以达到更高的准确性。为了提高预测精度，在柱状土界面区域进行了网格细化，根据模型的材料性质和几何形状，按照 plaxis 给出的准则计算了临界时间步长，并用于分析。在水力边界条件下，在软粘土层顶面设置地下水位，在此范围内产生静水孔隙水压力。在顶部施加了零孔隙压力边界条件。左边界假设没有流动进入或离开对称平面。因为右边界离堤岸很远，对结果有很大影响，所以设置为不透水。采用10节点四面体单元对软粘土、碎石桩和填土进行有限元网格划分。土工合成材料加筋模型采用土工格栅单元，由6节点三角网面单元组成。为了在固结过程开始时达到更高的精度，所有的分析都采用了更精细的网格布置。对于具有线弹性理想塑性性能的石柱、挡土墙填土和软粘土，采用了莫尔-库仑破坏准则。土工合成材料被模拟为只具有轴向刚度的土工格栅单元。在产生初始应力和孔隙水压力后，用石柱代替软土单元模拟石柱，并按要求在地基中加入土工合成材料加筋。每层挡土墙在30天内建成，在下一阶段施工前再加固30天，然后继续计算，直到超孔隙水压力达到接近1千帕。

三、技术应用

（一）常见碎石桩的安装方法

挡土墙抗剪强度特性取决于碎石桩的安装方法。振冲法分加填料和不加填料两种。加填料的通常称为振冲碎石桩法。振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘性土和饱和黄土地基，应在施工前通过现场试验确定其适用性。不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振冲碎石桩主要用来提高地基承载力，减少地基沉降量，还可用来提高土坡的抗滑稳定性或提高土体的抗剪强度。由于在加载过程中，岩石柱在径向上发生膨胀，引起粘土的侧向位移，几乎不存在界面的剪切现象。因此，为了使分析简单，分析中没有考虑界面元素。此外，在实际施工过程中，所采取的桩直径和桩间距的不同，也会影响挡土墙最终的地表沉降、固结程度以及水平变形，这也是需要注意的地方。

（二）不同桩型比较分析

本次研究主要探討了不同桩型之间，在地表沉降、固结程度以及水平变形的不同。

首先，不同砂砾石振冲桩的桩直径（diameter of stone column）和桩间距（spacing of stone column）比在固结结束时的自然地表沉降不同。以计算比分别为1.87、2.50、3.12和3.75为例，自然地表沉降分别为1.5 m、2 m、2.5 m和3m，从这个数字可以清楚地看出砂砾石振冲桩的桩直径和间距比对沉降比率有很大的影响。

其次，由于碎石柱也起排水作用，因此，减小 s / d增加了固结程度。结果表明，s / d 比值越大，固结程度越低，这是由于载荷向柱的转移越小所致。

对于不同的 s / d 值，碎石桩的水平变形和材料环向力也有所不同。在实践中，可以发现，随着 s / d 比的降低，碎石桩的水平变形趋势急剧减小。最大水平变形深度为3 m，即石柱直径的3.75倍。材料环向力剖面与水平变形剖面的总体趋势一致，随 s / d 比的增大，环向力呈增大趋势，最大环向力为32kn / m，为直径的3.75倍。

结论

综上所述，在水利工程的挡土墙建设中，为了在软土层中加固挡土墙，可采用砂砾石振冲桩施工技术。由于实际施工过程中，不同的桩直径和桩间距最终会对挡土墙的地表沉降、固结程度以及水平变形造成影响，因此，需要依据工程的具体要求，选择合适的桩型。在本次研究中，桩距越小，单桩竖向承载力越大，挡土墙的承载力也越大。

参考文献：

[1]姜涛.西藏地区振冲碎石桩复合地基试桩施工与检测[J].建筑施工，2018，40（11）：1886-1888.

[2]魏勇，刘爱国.振冲桩在地连墙码头后方薄层砂基处理中的应用[J].港工技术，2017，54（02）：93-96.