水利水电工程施工中不良地基处理技术分析

卢志斌

(丰城市水利局丰东水资源开发利用中心,江西 宜春 331100)

0 前 言

通常水利水电工程多在恶劣的野外环境施工,环境复杂,且施工过程易受周边地质水文条件的影响,不良地基更是影响工程施工的不利因素,必须要选择合理的处理不良地基施工技术。软土地基由淤泥、粉土等含水量大、土质松软土体构成,具有触变性、渗透性等特点,主要分布在广大沿河沿海区域。水利水电工程在建设中,经常遇到软土地基,若不对其进行技术处理,将导致工程项目存在较大的安全隐患[1-2]。为更好的提升水利水电工程项目施工质量,降低不良地基对工程的安全影响。文章分析了水利水电工程施工中有关不良地基产生的原因和相应的处理技术,并在综合传统技术应用基础上,对技术应用进行展望和创新,有效提升工程项目的整体施工质量,促进水利水电工程更好的发展。

1 水利施工中软土地基处理技术

1.1 置换法

置换法将基础底面部分软弱地基土或不良土用物理力学性能良好的岩体材料分层填充,再机械碾压,形成复合地基层,提高软土地基的承载力,减少沉降,加速排水固结。置换法主要应用于软弱土层中地基较浅的处理。由于软土地基难以承受施工强度,因而要进行加固压实,通过填充碎石、砂等材料,增强地基强度。在置换过程中,工程人员要结合施工需求选择具体的施工技术,如碎石桩法,石灰桩法。

碎石桩法利用振冲器向软土地基喷射高压水,形成一个施工孔,将碎石、沙等坚硬物料填入施工孔中,形成柱状体,由土质和碎石桩结合形成的复合地基强度、稳定性均较高,因而能满足施工要求。采用碎石桩的优势不受地下水影响,施工成本低,呈现较高较好,因而用于淤泥砂土和粉土地基,但需要合理的布置桩体数量和桩体位置。

石灰桩法主要应用于柔软性过高的黏土地基。利用机械打孔建立中空地带,将生石灰填充到中空带,并严密压实,形成地下桩。封闭在地下桩内的生石灰遇水发生化学反应改变黏土性质和土层结构,提升土体的性能,此外,根据工程实际,可在生石灰中加入相关物料发生反应,满足施工要求。

1.2 深层搅拌法

深层搅拌利用深层搅拌机将水泥、石化等化学材料固化剂加入到地基中,与软黏土强制搅拌形成足够稳定的地基土,提高地基承载力,减小沉降。深层搅拌法工期短,但施工成本高,主要用于抗剪强度低、压缩性、含水量高的淤泥质土地基,主要由水泥搅拌桩法,注浆法。水泥搅拌桩法的关键在于固化剂,工程中通常选用石灰和水泥,利用搅拌机将水泥或生石灰混合搅拌形成固化剂直接导入软土层,在进行二次搅拌,将固化剂和土层融合,发挥固化剂加固和稳定作用,水泥搅拌桩法应用于黄土、粉土等含水量较高土层。注浆法是用注浆管钻入软土土层中,以水泥或水泥混合物预制高压混合物,将调制好的高压制备材料导入土体中。在注浆过程中,要保证注浆管能够在土层自由提升和旋转,且提升过程中不停旋转,保证植被材料充分融合。

1.3 预压法

预压法由加压系统和排水系统相互配合,排除软土地基中多余的水分,提升软体地基固态组成。在实际工程施工中,首先将需要加固的软土地基清理干净,土层上铺装铺水平垫层,下层铺设塑料排水板,使垫层横向放置在排水管道后,利用加压系统加强压将软土水分由排水管排除,图1为采用预压法的技术图。加压系统主要用强载预压及真空预压,降低软土地基水位。排水系统一方面可以将排水沙沟中的水分排出,另一方面可利用排水板同时进行水平和垂直向的排水。

图1 预压法软土地基施工

图2 夯点布置

1.4 加筋强夯法

加筋法是将纤维土工织物、复合材料埋在软土层中,通过拉力产生摩擦力,引发土壤结构位移,使材料与土壤融合,减少土壤沉降、提高地基承载力。强夯法是利用其中设备将夯锤提升到一定高度,以自由落体的形式下落,对地基形成一定冲击波,用来克服土颗粒间各种阻力,从而提高地基强度和密实度,采用强夯法可有效消除软土层的湿陷性,提升抗液化能力。

2 强夯置换法加固技术

根据上述对集中软土地基处理技术可以发现,不同技术的应用都各有其特点,如深层搅拌法、加筋法等,尽管该类方法能够达到一步到位的效果,但是工程造价高,工期长,不适合水利水电工程项目的选择。而传统的水利水电工程区域由于上部土壤大部分为松散、密实度低的杂填土,而下部淤泥强度低,含水量高,传统的置换法和预压法工程量大,且施工效果不佳。

2.1 软土地基处理

通常水利水电工程的表层土分布着不等厚的淤泥质土层,所以不仅要满足表层持力层的地基承载力,同时需要保证软弱层的强度。因此可在表层土壤上加固一定厚度的硬壳层和浅层软土,对于深层的软弱土层,可通过扩散地基应力来满足地基承载力强度。由于深层淤泥质土容易出现沉降,因此可以采用柔性面层结构,通过定期回填来消除沉降作用,满足场地要求。因此,针对水利水电工程实际情况提出强夯法和固结排水法形成一种强夯置换法来进行水利工程软土地基处理,在满足生产使用要求下,提高施工进度,节省工程投资。

水利水电工程项目通常处于深山洪沟中,场地表层厚度变化较大,且大部分为粒径较大的杂填土粒径较大,因此在处理方法的设计上进行了区分。对于顶高程<-1.5m区域,当回填至预留沉降高程后,控制顶面覆盖层厚度应>6m,由强夯置换获得满足强度要求的墩体,并通过井点降水提升加固层效果。对于顶高程>-1.5m区域,仅仅通过回填覆盖层难以保证软弱下卧层的承载能力,并且单独采用强夯法容易导致空隙压力集中,形成橡皮土,因此结合排水固结法,通过在水平和竖向设置排水体系消散孔隙压力,提升软土层固结能力,同时能让淤泥层在短时内大量沉降,提升了覆盖层厚度。

2.2 加固技术参数

2.2.1 夯击参数设计

夯击参数的设置以少击多遍、循序渐进为原则,具体根据填土厚度来调整夯击能力,通常单击能量保持在6000～8000kN·m范围,对于填土厚度<6m的软土地基层,取下限值,软土地基层>8m时,单击能量取上限值。单点夯击次数根据最后两击平均夯沉量来确定,单击夯击能4000～6000kN·m 时,以最后两击平均夯沉量100mm确定单击次数,夯击能>6000kN·m时,最后两击平均夯沉量200mm;首次夯击前,采用开山石料填充至预留下沉顶高程4.5m,每次夯击结束,用开山碎石推盘夯坑。

根据水利水电工程土基地质条件,采用图3所示位置进行软弱土层的夯点布置,其中第1、2遍为主夯点,采用正方形布置,控制单击能量6000～8000 kN·m,2遍夯击间隔时间以超静孔压消散80%为控制标准,通常为8d左右。第三遍为夯点布置在两个主夯点间,各夯点间距9m,单击能量控制在4000 kN·m,后续进行2遍低能级普夯,直至满足夯击次数。

2.2.2 排水系统设计

动力固结排水法要求在加固下部淤泥的同时,保证软土微结构不受冲击载荷的破坏,避免形成“橡皮土”,因此要求动力排水固结法的加固区上部填土较薄。为满足排水体系消散孔隙压力,提升软土层固结能力的要求,需要根据不同土层结构来设置排水系统。通常垂直排水系统用来处理表层淤泥或淤泥粉质黏土层,采用直径12cm的袋装砂井做竖向排水通道,呈三角形管布置,砂井底部布置在中粗砂以下1.0m深土层,砂井顶部布位于粗砂垫层内。水平排水系统由厚度≥0.6m中粗砂铺设而成,砂泥含量<5%,并在区域内设置排水井。

孔隙水压力反应了土壤层孔压变化情况,根据不同回填土覆盖层厚度下空隙水压力的变化研究可知,采用强夯加固技术进行浅层分布软土层加固时,可结合动力排水固结法可有效防止“橡皮土”现象,若下卧软土覆盖层加厚,可直接进行强夯加固来提升地基承载能力。

2.3 试验分析

采取室内试验法对软弱土层加固方式验证,分别选择强夯置换法、动力固结排水法进行填土层夯前、夯后加固效果对比。其中强夯置换法采取6000～8000 kN·m能级强夯置换,处理地基承载力:填土≥350kPa,压缩模量要求:回填土填土≥10MPa;动力固结排水法要求先施工沙井,在分级夯击;处理地基承载力:填土≥350kPa,8m内软土≥120kP,12m内软土≥80kP,压缩模量要求:回填土填土≥10MPa。

根据试验设计活动填土层夯前、夯后加固效果如表1所示。在4～8m深度内的浅层软土,强夯置换法和动力固结排水法均能通过碎石墩或沙井排水,土体强度均呈现一定的增长,其中平均标贯击数N均值增加幅度较大;但采用固结排水法时,在8～12m内软土强度也呈现出较大增幅,而采用强夯置换法对该软土层的改善效果较小,因此,动力固结法不仅能够有效提升表层回填土的强度,同时对于深层黏土的加固作用也非常显著。

表1 填土夯击加固效果

3 结 论

水利工程建设会遇到各种复杂的地质条件和恶劣的环境因素,不良地基是水利水电工程中常见的基础类型,地基处理要满足项目工程具有可靠的承载力和稳定性。通过对不同软土地基的分类研究,结合工程实际情况和方案设计,探索地基处理的新理念和新技术,正确评价地基处理适用性,共同提升水利水电施工质量,并通过研制新的施工工艺促进水利水电不断创新发展。