黄河规划设计

振冲碎石桩在西霞院地基处理中的应用

刘全鹏随裕芬连惠瑶赵宁(工程设计院) ［摘要］西霞院工程泄洪闸地基砂砾夹砂层处理考虑了各种方法，经综合对比，采用振冲碎石桩挤密加固法以其经济效益显著、工艺简单、工期短、加固效果好等特点，最终被采用。［关键词］振冲碎石桩夹砂层泄洪闸西霞院 1 概述西霞院反调节水库是小浪底水利枢纽的配套工程，其开发任务以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用，并为黄河向北供水创造有利条件。泄洪闸是工程的主要泄洪建筑物，超过1000m３/s后的洪水基本都由泄洪闸宣泄。泄洪闸闸基座落在砂砾石地层上，但其在泄洪闸闸孔21＃～19＃基底下部夹砂层比较发育，最大的夹砂层厚度达9m左右，离闸底板最近处2m～3m。夹砂层较厚可能引起地基不均匀沉降，不仅影响闸室的稳定，其承载力不满足要求，还对闸室结构变形产生一定的影响，且有夹砂层地基和无夹砂层地基的沉降差的影响，易造成止水和结构破坏。经研究，比较了各种地基处理加固方法，换填法、混凝土灌注桩、高压旋喷桩和振冲碎石桩法等措施。振冲碎石桩挤密加固法以其经济效益显著、工艺简单、工期短、加固效果好等特点，最终被选定为本工程夹砂层处理的方案。 2 地层概况2.1 夹砂层分布根据原钻孔资料和现在混凝土防渗墙试验段揭示的情况，闸基下砂卵石层中夹砂层较发育，在夹砂层较厚处而砂砾石层覆盖层较浅，对闸室稳定不利；除一层较厚的夹砂层分布相对稳定外，其它厚度多在0.3m～2.0m，呈小透镜体状分布。较厚的夹砂层为1＃夹砂层，主要分布在19＃～21＃开敞式泄洪闸闸基下。开敞式泄洪闸闸底板高程为113 m，前、后齿的底高程110 m，离夹砂层顶面高程106.1～107.6m较近，夹砂层底面高程98.0～101.5，厚度在5.5～9.0m之间。2＃夹砂层为夹砂层的北部条带，分布在第10＃～12＃孔开敞式泄洪闸闸基下，向下游变薄，南北宽约40m，根据揭露的夹砂层顶面高程为105.2m～106.1m，底面高程为102.5m～103.5m。另外，在南北条带之间的钻孔显示还有一小夹砂层，厚2.0m～2.4m，分布高程较低，顶面高程95.5m～95.9左右，底面高程93.5m左右。闸基下的1＃夹砂层和2＃夹砂层沿顺河向呈条带状展布，2＃夹砂层埋深相对较深，承载力基本满足要求，因此仅考虑处理1＃夹砂层。 2.2 地层特性根据2000年补充勘察的28组夹砂层原状样物理力学试验成果，该夹砂层属密实～中密状态。考虑砂卵石分布不均一性，夹有砂层(砾质砂层)透镜体，以及砂卵石层的间断级配，闸地基砂卵石层较厚(最厚约32m)，且闸基砂卵石层(Q31)承载力标准值(特征值)为600 kPa。砾砂层、夹砂层透镜体分布较集中，以细砂、极细砂为主，局部为中砂，其颗粒级配接近级配良好砂的标准，按砂土新分类标准属粉土质砂。根据夹砂层的干密度平均值、孔隙比等，夹砂层属密实状态，以夹砂层的渗透系数判定该夹砂层属中等透水性；以夹砂层的压缩系数，判定该夹砂层总体上属中等压缩性土，局部为低压缩性土；综合分析，夹砂层总体上属粉土质砂，级配接近好砂的标准，呈密实或接近密实的中等密实状态，属中等压缩性土。因此，夹砂层的承载力标准值(特征值)初步确定为200～280kPa。 2.3 夹砂层物理力学指标夹砂层物理力学指标见表1。 3 处理方案比较根据泄洪闸地基夹砂层的分布情况，进行了以下几种方案的比较。3.1 开挖回填方案按1＃夹砂层区域处理，一次开挖至114.00高程，二次开挖按1：1.5放坡至夹砂层底，然后回填砂卵石至闸底高程。此方案安全可靠，但工期长、费用高，总费用约为550万元。 3.2 混凝土灌注桩混凝土灌注桩的持力层选在夹砂层下部的砂砾石层，桩长根据正三角形布置，桩径1.2m，间、排距为5.0，桩长约30～35m。由于混凝土的刚度较大，使地层处理与不处理之间变形模量差距较大，将引起变形不均匀。处理夹砂层地基的费用约为850万元。3.3 高压旋喷根据基坑高压旋喷试验成果，高压旋喷可以有效地加固砂砾石层中的夹砂层。但施工中夹砂层上部的砂砾石地层遇有孤石，将影响施工进度，需要先用回旋钻钻透砂砾石层孤石而后再在夹砂层中施喷，这样费用将很高。利用高压旋喷桩处理夹砂层地基的费用约为450万元。 3.4 振冲碎石桩法处理振冲碎石桩挤密加固法是按照一定的间距分布振冲碎石桩，形成碎石桩体与挤密后的桩间土组成复合地基。其作用原理是桩间土与碎石桩共同作用，彼此变形协调，共同承担荷载。根据初步估算，采用振冲碎石桩法处理夹砂层地基的造价约为340万元。经过综合对比，振冲碎石桩挤密加固法以其经济效益显著、工艺简单、工期短，加固效果好等特点，最终被选定为本工程夹砂层处理的方案。并且，类似本工程地质条件，采用振冲碎石桩法加固已有成功的实例(如铜街子水电站大坝左岸地基夹砂层处理)。根据目前振冲技术的发展现状，西霞院泄洪闸基础夹砂层透镜体采用振冲碎石桩法处理是可行的。 4 振冲碎石桩设计4.1 桩长与桩径确定根据设计要求，碎石桩必须穿过较软弱的夹砂层并伸入承载力相对较大、压缩性较低的下部砂砾石层一定深度。初步按伸入下部砂砾石层0.5m～1.5m考虑。根据目前国内施工设备的现状，初步确定按桩径1.0m设计。 4.2 桩距确定设计中按正三角形布置的振冲碎石桩，采用《建筑地基处理技术规范》挤密桩的公式(8.2.2-1)理论计算，为安全不考虑振动下沉密实作用取ξ=1。桩距计算公式：其中：S—桩间距，单位m；d—桩直径，按设计取d=1.0m；e0—为天然孔隙比,为安全计，取最大孔隙比e0=0.644；e1—为处理后要求达到的孔隙比。地基挤密后要求达到的孔隙比，可根据工程对地基承载力的要求按《建筑地基处理技术规范》的公式8.2.2-3计算：e1=emax-Dr(emax-emin) emax—砂土的最大孔隙比,取0.644； emin—砂土的最小孔隙比，取0.345。 Dr —地基挤密后要求达到的相对密度，按规范可取0.7—0.85，为安全稳妥，本处取Dr =0.80。根据设计，地基挤密后要求达到的孔隙比e1=emax-Dr(emax-emin)=0.41，代入桩间距计算公式可得：s=2.54m，设计时取s = 2.5m。 4.3 复合地基的承载力特征值复合地基的承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》的公式(6.2.8-1)计算：fsp,k=mfp,k+(1-m)fs,k 其中： fsp,k—复合地基的承载力特征值； fp,k—桩体单位面积的承载力特征值，根据基础应力情况，要求桩体承载力特征值为fp,k=700 kPa(根据工程经验及试验资料，碎石桩承载力特征值可达700 kPa以上)； fs,k—挤密后桩间砂体单位面积的承载力特征值，当夹砂层的孔隙比达到0.41时，其挤密后桩间砂体单位面积的承载力特征值fs,k在300～340kPa，本处取fs,k=300 kPa；m-桩体相对于复合地基的面积置换率，m=d2/de2 de—碎石桩等效影响圆的直径，对于正三角形布置的圆形挤密振冲碎石桩，按规范取de=1.05S，可得：de =2.63m、m=0.1451 经计算得：fsp,k=358.04 kPa 取地基承载力允许值为fsp,k=350 kPa，其最大值为允许值的1.2倍。 fmax=1.2×350=420 kPa 根据计算，采用振冲碎石桩挤密法对夹砂层进行处理后能满足泄洪闸的基底应力要求。 4.4 最终设计方案本工程最终设计方案为：振冲碎石桩按正三角形布置，碎石桩桩体最小直径1.0m，桩间距2.5m；桩体填料为粒径20～80mm的碎石；处理范围为桩号2+177.50～2+245.00m区间，闸上游处理至坝上0-008.00，闸下游处理至坝下0+034.00。碎石桩桩长在闸室段穿过夹砂层并伸入下部砂砾石层0.5～1.5m。