基于深层搅拌法的水泥搅拌桩在鲁皂水库重力坝坝基渗流中的应用

何万信

(兴仁市水务局 尖山水库管理所,贵州 兴仁 562300)

0 引 言

在软土地基加固技术中,深层搅拌桩技术是一种快速、经济、高效的处理方式,已被广泛应用于各种软土地基的加固工程中,并取得了良好的效果[1]。当交通流量增加时,道路地基将迅速下沉,道路结构变得不再稳固,最终可能造成损害。软土特性经过一系列的化学反应被显著改变,形成具备良好强度的水泥土和石灰土,提升了软土的地基稳定性。根据土体特性的不同,其加固机制也不尽相同[2]。

深层搅拌桩能够有效地将固化剂和原地基软土混合在一起,以达到最佳的利用效果。采用这种方式搅拌时,对地基侧向挤压的影响极其微弱,不会对周边环境造成任何不利的影响。在考虑到地基土的特点并符合工程设计需求的前提下,应灵活选择固化剂和配方。采用这种方法施工,可以在市区和密集建筑群中实现无振动、无噪音、无污染的环境,从而大大提高施工效率。

深层搅拌法的加固技术具有独特的优势,其基础构造包括水泥、水泥系固化剂、石灰以及其他多种添加剂[3-4]。其中,添加剂的比例可根据实际情况进行调整,以达到最佳的加固效果。常用的添加剂包括石膏和氯化钠。在初期,深层搅拌桩的应用主要是为了加强复合地基,目的是增加地基的承载力,减少软土地基的沉降量。

深层搅拌桩是一种随着施工机械和工艺的发展,被广泛应用于水利工程中的一种新型防渗措施。采用深层搅拌桩组成的防渗墙,其特点是施工机械简单、施工速度快、防渗效果明显等[5]。

本文旨在总结深层搅拌桩复合地基的设计、沉降特性以及相关的模拟分析结果,以期更好地理解和掌握这种防渗技术,从而更有效地将其普遍应用于实践中。

1 深层搅拌桩在坝基渗流中的应用研究

1.1 项目背景

鲁皂水库位于黔西南布依族苗族自治州兴仁市城南街道,由烟草行业援建,是以乡镇供水、灌溉用水为主、兼顾补充县城供水的一项综合性水利工程。鲁皂水库的建成投用,不仅解决了当地的用水难题,还拓宽了村民的收入渠道,提高了当地村民的幸福指数。

鲁皂水库坝址处多年平均径流量981×104m3,多年平均流量0.311m3/s,总库容704×104m3/s,为多年调节水库。鲁皂水库拦河坝坝型为混凝土砌石重力坝,大坝枢纽由重力坝、坝身溢洪道、右岸坝身冲砂底孔、右岸取水口等建筑组成[6]。坝轴线方位角119.50°,坝顶高程1 388.1m,坝顶宽9m,坝顶长148m;坝底高程1 330m,最大坝高58.1m,最大坝底宽62.305m。齿墙设置在坝踵下部,侵入坝基深度5.5m,宽度3.0m,坡比1∶1。其中,溢流坝段布置于河床中部,堰顶高程与水库正常蓄水位齐平,为1 386m。

针对修建在软弱地基上的重力坝,应根据水库的构造和水库周围的土质条件,采取适当的技术措施来处理软土地基和防渗问题,如使用深层搅拌桩、土工合成材料等。处理软土地基是一个重要的工程问题,特别是对于大坝基础的稳定性和防渗性能而言。

深层搅拌桩是一种常见的地基处理方法,可以改善软土地基中土壤的力学性质和防渗性能[7]。当水库选择在软土地基上建设时,为了防止渗漏问题,可使用深层搅拌桩进行地基处理。深层搅拌桩是通过旋挖钻机将水泥和土壤混合搅拌形成的桩体,用于增加地基的强度和刚度,防止渗漏流经地下路径。通过进行地质勘察、试验和数值模拟分析,确定深层搅拌桩的设计参数,并评估其在大坝基础中防渗性能的效果,以提高大坝的安全性、稳定性和防渗性能,确保水库运行和水资源的有效管理。

鲁皂水库拦河坝坝型为混凝土砌石重力坝,研究计划将原有的重力坝渠道改建成矩形,并在其两侧安装钢筋混凝土悬臂式挡土墙,同时在其下方进行粉喷桩的地基处理。地基处理水泥土搅拌桩布置图见图1。

1.2 深层搅拌桩复合地基设计和沉降

深层搅拌桩的平面布桩方式与地基处理的工程量和加固效果有较大关系。采取何种布桩方法,可以根据加固的土体性质、处理后的复合地基的承载力等来确定[8-9]。目前,工程中广泛应用柱状、壁状、格栅状、块状和长短桩的组合形式。各布桩形式见图2。

图2 深层搅拌桩布桩形式

由于采用半刚性桩,固化剂与原地基软土可在当地进行有效混合,充分发挥土壤潜力。由于搅拌过程中不会导致地基侧向挤压,因此对周围环境的影响可以忽略不计。根据不同的地基土特性,结合工程设计要求,精心选择固化剂和配方,使设计更加灵活多变[10]。其中,柱状更适用于表层或桩端土较好的局部饱和软弱夹层,多布置为正方形和等边三角形。壁状更适用于软土层中的深基坑支护,它能有效阻止岸壁的滑动和滑坡。栅格状适合于具有较大面积、对沉降要求较高的建筑物基础的加固。这种埋设方式可使深层搅拌桩在基础内成为一个密闭的整体,从而使桩的总体刚度、强度得到明显提高,并增强其对不均匀沉降的抵抗能力。对于上层建筑面积较大、对不均匀沉降要求较高的工程,适合采用块状模式;采用块状排桩的方式,可以有效抑制基坑底部的上浮。在场地条件比较复杂、建筑地基土构造比较复杂时,采用短桩与长桩相互搭接,形成墙型或格构型。深层搅拌桩是一种长、短桩相结合的施工方法,在降低地基差异沉降的同时,还可以降低工程造价。

在深层搅拌桩的设计与计算过程中,主要包含水泥掺量的确定、壁状桩体加固地基的设计计算等。深层搅拌桩是一种新型的桩基,其承载力主要是由桩间土与桩身共同承受。在其沉降过程中,可以分为3种类型,即初始沉降、快速沉降和缓慢沉降[11-12]。初始沉降是指施工期间的沉降;快速沉降是指竣工后复合地基的固结变形;缓慢沉降是指复合地基竣工后的次固结变形。桩身刚度、桩身承载力、置换率及自然土体特性等都会对桩身的变形和沉降产生影响。同时,通过静力加载试验,可以分析各种影响因素对复合地基变形和沉降的影响。加固区域和软弱下卧层两部分,构成了深层搅拌桩复合地基沉降。通过分层方法,对复合地基以及桩端以下软弱下卧层的压缩变形进行研究。公式如下:

s=s1+s2

(1)

式中:s为复合地基总变形量;s1、s2分别为复合土层压缩变形量和桩端以下软弱土层压缩变形量。

由于深层搅拌桩在工程中的应用越来越普遍,对其沉降特征的计算也越来越多。基于常规分层法,可采用保荷法、整体变形法以及有限元方法,尤其是采用有限元方法,通过ABAQUS、COMSOL Multiphysics等软件,对基础的沉降量进行分析和计算。

1.3 深层搅拌桩坝基防渗

通过使用深层水泥搅拌桩,可以将软土、沙子等材料与固化剂混合,从而增强地基的硬结性能并提高其强度。在实际工程中,渗流可能会涉及地下水、土壤和岩石等不同介质的流动。这些渗流所构成的空间就是渗流场。渗流可以按照渗流场所处的位置来划分,可以按照其基本特征量是否随着时间的改变来划分,还可以按照其稳定性和不稳定性来划分。进行渗流分析时,需要综合多种因素,目前普遍采用的渗流分析技术包括理论解析、实物模型模拟以及数值模拟[13]。

在水利工程中,有大量的渗漏现象。渗透是一种危害很大的水工结构物,因此对其进行深入研究具有重要意义。目前,长江和黄河等地区的水利工程和土木工程均采用深层搅拌桩的防渗墙技术。与传统的防渗方法和类似的技术相比较,深层搅拌桩防渗墙具有成墙质量可靠、防渗效果好、使用寿命长、成墙成本低于其他类似技术等优势,被广泛用于水库大坝、堤坝、闸基和基坑等工程中,并开展相应的力学特性研究。1998年,由于深层搅拌技术的进一步发展,在年久水库、堤防除险加固等工程中,采用了多头小直径深层搅拌桩,其施工流程见图3。

图3 多头小直径深层搅拌桩防渗墙工艺流程图

深层搅拌桩的防渗机制,是使用水泥浆液等作为固化材料,借助一种特定的小直径深层搅拌设备来实现。通过一次多头钻进,将水泥浆喷射到土层中,经过不停地搅拌操作,固化剂与土壤产生系列物理和化学反应,使水泥土得以硬化,生成具备稳定性、整体性以及防渗特性的水泥土桩。然后,通过多个桩体相互链接,构建出密度适中且连续的防渗墙,达到防止渗透的目的[14]。在实际工程中,基于桩身强度、桩顶沉降、渗流计算,深层搅拌桩防渗墙的设计根据工程现场土壤特性及分布情况,选取最佳的水泥用量及渗透控制措施。

2 工程案例分析

2.1 深层搅拌桩复合地基沉降量分析

在静荷载为500MPa时,对不同置换率和深层搅拌桩桩体长径比和复合地基沉降的关系进行对比分析,结果见图4。

图4 复合地基沉降量和置换率、桩体长径比关系

由图4可以看出,在深层搅拌桩的置换率为20%、25%的情况下,随着桩体长径比的增大,复合地基的沉降量随之降低,但在一定范围内,低置换率条件下的沉降量总体上大于高置换率条件下的沉降量。在不同的桩体长径比下,深层搅拌桩的沉降随着桩长比的变化规律是不同的。

从图4可以看出,随着置换率的增加,复合地基沉降量降低。并且在桩体长径较小的情况下,整个沉降量的数值要比桩体长径较大的情况下要高。

2.2 渗流分析

对不同条件下的大坝基础渗流进行分析,得出无深层搅拌桩建基面节点处的渗透坡降曲线图以及压力水头曲线。见图5。

图5 无深层搅拌桩建基面参数曲线情况

由图5可以看出,当没有设置深层搅拌桩时,坝基断面渗流量为1.016×10-5m3/s。

为了进一步分析渗流情况,设置14m深层搅拌桩,曲线变化情况见图6。

图6 14m深层搅拌桩建基面参数曲线情况

在大坝与地基为同一种材料下,从参数曲线图的变化情况来看,埋设深层搅拌桩后,桩端的渗流坡度明显减小;将深层搅拌桩置于坝踵之前,对坝基和坝体基础面的压差影响不大;随着深层搅拌桩的埋设,其埋设深度越深,渗透线的高度越低,桩身前后的压力水头也越小。当设置14m深层搅拌桩时,坝基总渗流量为8.002×10-6m3/s。在采用深层搅拌桩的情况下,坝基的渗流量有所下降,而采用14m深度搅拌桩时坝基的渗透率达到最小。当坝基和坝体的材料属性不同时,建基面的参数曲线情况见图7。

图7 坝基和坝体材料属性不同时建基面参数曲线情况

从分析得出的渗透坡降等值线图来看,在坝基和坝体材料不同的情况下,大坝迎水面的渗透坡降非常大,而在坝踵附近的渗透坡降则显著减小;在渗透率比坝基小的情况下,渗透系数会降低;坝基剖面渗流量为7.428 8×10-6m3/s,表明坝体渗透系数对坝体渗透性的影响较大,大坝的渗透性系数越低,大坝的渗透率越低。

3 结 论

深层搅拌桩法是一种快速、经济的地基处理技术,已被广泛应用于各类软土地基的处理。为了解决大坝基础中深层搅拌桩的防渗问题,本文提出了一种新的思路,即对深层搅拌桩复合地基的设计、沉降规律等进行研究,并对深层搅拌桩坝基防渗进行分析。结果说明,当桩体长径比和置换率增加时,复合地基的沉降量显著减少。埋设深层搅拌桩后,桩端的渗流坡度明显减小;随着深层搅拌桩的埋设,其埋设深度越深,渗透线的高度越低;采用14m深度搅拌桩时,坝基的渗透率达到最小。