李 丹，何耀勤，袁文陽

(1.中國地質(zhì)大學(xué)江城學(xué)院，湖北武漢 430000;2.河海大學(xué)，江蘇南京 210000;3.武漢長江加固技術(shù)有限公司，湖北武漢 430072)

1 概 述

電排站(泵站)是通過水泵排除低洼地帶的積水，防止內(nèi)澇發(fā)生的水利設(shè)施。電排站是穿過河流干堤的典型地下建筑物，其排水流道為駝峰形流道，通常制成為鋼筋混凝土圓管。

電排站系統(tǒng)建成后，一般經(jīng)歷二三十年后，由于地基缺陷以及堤上荷載的變化，管道作為梁式結(jié)構(gòu)撓度會(huì)有所增加，因而流道會(huì)有環(huán)向裂縫、伸縮縫止水因管道不均勻沉陷而開裂等現(xiàn)象，造成止水失效。流道撓度及裂縫的發(fā)展，嚴(yán)重影響到電排站系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并威脅到河流大堤安全。

某電排站建于1960 年代，排水管道的結(jié)構(gòu)型式即為鋼筋混凝土圓管式。根據(jù)工程檢測報(bào)告，知道該電排站建造在粉細(xì)砂地基上，屬于軟弱土地基的范疇。軟弱土由于土層成陸年代晚、含水量高、固結(jié)程度低，具有強(qiáng)度低、壓縮性大和明顯的觸變性等不良特征，對(duì)建筑危害較大。

鑒于軟弱地基存在的這些問題，在軟弱地基上構(gòu)筑結(jié)構(gòu)物時(shí)，通常就需要對(duì)地基進(jìn)行加固，以保證結(jié)構(gòu)的安全。該電排站在建造時(shí)，曾考慮過地基加固的問題，并實(shí)施過相應(yīng)的處理，但經(jīng)歷幾十年后，這些處理措施已經(jīng)基本失效，必須采取新的加固處理措施，保持電排站的功能持續(xù)發(fā)揮。對(duì)于進(jìn)行地基加固，通常采用的方法有許多種，如地基基礎(chǔ)托換技術(shù)、灌漿技術(shù)加固、加大基礎(chǔ)底面積加固法等。鑒于該電排站地基的現(xiàn)存情況及以后功能的發(fā)揮，采用灌漿技術(shù)加固地基建立新的承臺(tái)是必要的。

新的承臺(tái)是通過灌漿技術(shù)對(duì)管道下部鉆孔充填灌漿，待灌漿排開土壤或滲入土壤后固化而形成的，用以承托管道。其他措施如重建伸縮縫止水、修補(bǔ)滲水點(diǎn)、修補(bǔ)破損裂縫等將一并進(jìn)行。筆者從管床承臺(tái)的施工過程和工藝入手，計(jì)算了管床的力學(xué)形態(tài)，用Ansys 模型分析了承臺(tái)的安全性。

2.1 灌漿漿液材料

常用的灌漿漿液材料有水泥漿材、粉煤灰水泥漿材、硅粉水泥漿材、黏土水泥漿材等，本文采用了水泥漿材。

水泥漿材是以普通硅酸鹽水泥漿為主的漿液，在地下水無侵蝕性條件下，它是一種懸濁液，能形成強(qiáng)度較高和滲透性較小的結(jié)石體。既適用于巖石加固，也適用于地下防滲。在細(xì)裂隙和微孔地層中其可灌性不如化學(xué)漿材好，但若利用劈裂灌漿原理，則不少若透水地層都可用水泥漿進(jìn)行有效的加固。水泥漿的水灰比，一般變化范圍為0.6 ～2.0;常用的水灰比是1∶1。有時(shí)可加入速凝劑或緩凝劑等附加劑調(diào)節(jié)水泥漿的性能。常用的速凝劑有水玻璃和氯化鈣，其用量約為水泥質(zhì)量的1% ～2%;常用的緩凝劑有木質(zhì)素磺酸鈣和酒石酸，其用量約為水泥質(zhì)量的0.2% ～0.5%。高水灰比僅對(duì)提高漿液的可灌性有利，而對(duì)巖土加固意義不大。

2.2 灌漿實(shí)施

2 承臺(tái)的灌漿技術(shù)

灌漿技術(shù)是用氣壓或液壓將無機(jī)或有機(jī)化學(xué)漿液注入土中，使地基固化，起到提高地基土強(qiáng)度、消除其濕陷性或防滲堵漏作用的一種加固方法。

對(duì)整個(gè)管道實(shí)行鉆孔灌漿，漿液注入土中，漿液地基固化后，形成支撐管道的承臺(tái)。在管道伸縮縫止水處，為使該處得到更好的支撐，采取多鉆兩孔，灌漿后形成較寬承臺(tái)。

2.2.1 灌漿工藝流程

(1)沿伸縮縫兩側(cè)，交錯(cuò)布置3 個(gè)灌漿孔，沿管底每隔1m 布置1 個(gè)孔位，鉆制直徑30 ～50mm 的穿透孔(見圖1)。

圖1 管床灌漿布孔示意圖 (單位:mm)

(2)管床灌漿按間隔孔序分兩期施工。

(3)將灌漿鋼管插入穿透孔中(鋼管經(jīng)鉆孔制作，管身布滿漿液噴射孔，前端裝有錐形帽)，土體固結(jié)灌漿深度取1.8m。

(4)將軟管接上灌漿鋼管，通過高壓注漿泵灌注M15 水泥砂漿，漿液從鋼管中噴出，由漿液與流道管外的土體混合凝固后形成水泥土復(fù)合管床 (見圖2)。

圖2 灌漿形成承臺(tái)示意圖

2.2.2 材料及設(shè)備

(1)小型水鉆頂管機(jī)。對(duì)管壁鉆孔，最小直徑45mm。該機(jī)并有頂推管件的功能，可將灌漿鋼管頂入管外土體中。

(2)灌漿鋼管。采用熱軋無縫鋼管 (d =32mm)，管身按一定間距鉆滿噴漿小孔。

(3)水泥砂漿。采用M15 水泥砂漿。

(4)高壓注漿泵、注漿軟管。采用水利水電工程常用的活塞式注漿泵和注漿軟管，并配置相應(yīng)接口。

3 承臺(tái)力學(xué)計(jì)算分析

電排站的管道由原施工工序分為8 個(gè)管段，管道的第一段在泵房內(nèi)，新建承臺(tái)只是承受后7 段管道(見圖3)的荷載。

圖3 管道上方土層示意圖(單位:m)

本文采取了如下荷載組合:管道上方土體荷載、堤壩壩頂交通路汽車荷載、雪荷載。

3.1 承臺(tái)受力計(jì)算

根據(jù)以上各種荷載的計(jì)算值，運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算承臺(tái)所受的壓力。根據(jù)具體情況，現(xiàn)將承臺(tái)設(shè)置為每隔1m 通過灌漿制成一個(gè)承臺(tái)，承臺(tái)直徑計(jì)為0.5m。典型計(jì)算簡圖見圖4 所示。

圖4 第一段管道受力示意圖

3.2 承臺(tái)參數(shù)確定

根據(jù)灌漿機(jī)和現(xiàn)場的地質(zhì)情況分析，以單管灌漿所成承臺(tái)(倒圓臺(tái)形，近乎圓錐，見圖5)可以得出承臺(tái)的具體參數(shù)。

圖5 承臺(tái)外形形式

圓臺(tái)底面直徑= 0.1m，頂面直徑= 0.5m，高=1.8m。

灌漿材料選用M20 的水泥砂漿，泊松比μ=0.2，彈性模量E=300MPa，抗壓強(qiáng)度fcu=23.2MPa，密度ρ=2500kg/m3

土的材料性質(zhì):泊松比μ =0.25，彈性模量E =60MPa，密度ρ=1800kg/m3。

作用在承臺(tái)頂面為均布?jí)毫 =377/0.19625 =3.917MPa;與承臺(tái)頂面相平的土受豎直方向力q1=119.52kN/m2;

承臺(tái)外土層為半徑5.0m、高4.8m 的圓柱形土體。

承臺(tái)的穩(wěn)定性及承載能力主要是靠土體與承臺(tái)的摩擦力保證的，而不是僅靠承臺(tái)底面對(duì)承臺(tái)的支持力維持。

3.3 Ansys 分析

建模說明:建立一個(gè)圓柱模擬無限大的土體，然后建立底面半徑為0.05m、頂面半徑為0.25m、高1.8m 的圓臺(tái)(見圖6)，使用減運(yùn)算，保留圓柱部分。分別賦予圓臺(tái)和圓柱材料參數(shù)，然后劃分網(wǎng)格。圓臺(tái)用六面體單元?jiǎng)澐郑瑘A柱部分用四面體單元?jiǎng)澐?見圖7)。再分別對(duì)圓臺(tái)和圓柱需固定的面進(jìn)行固定，固定面時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)圓柱的底面進(jìn)行X、Y、Z 三個(gè)方向的固定，而對(duì)于圓柱的側(cè)面只進(jìn)行徑向的固定，因?yàn)閳A柱的側(cè)面有豎直方向的位移，而徑向位移需固定方能模擬無限大土體，之后進(jìn)行加載、運(yùn)行。

圖6 計(jì)算模型示意圖

圖7 土體網(wǎng)格劃分示意圖

圖8 承臺(tái)網(wǎng)格劃分示意圖

中間圓臺(tái)為水泥砂漿灌漿而成的管道承臺(tái)，包裹圓臺(tái)的圓柱形部分為土體，土體通過對(duì)承臺(tái)的向上摩擦力提供承臺(tái)對(duì)于管道的承載力(見圖8)。考慮到采用結(jié)點(diǎn)傳遞力時(shí)由土體抗剪切方向的力穩(wěn)定承臺(tái)，與摩擦力提供力產(chǎn)生的結(jié)果相差不大，故采用結(jié)點(diǎn)傳遞土體和承臺(tái)間的力。

經(jīng)分析計(jì)算，灌漿所用的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度為23.2MPa，承臺(tái)的上部滿足應(yīng)力要求，能夠承擔(dān)管道產(chǎn)生的壓應(yīng)力。對(duì)于受管道最大壓力處的承臺(tái)，經(jīng)過分析可知，這些承臺(tái)雖有位移，部分位置也會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，但整體上滿足承臺(tái)的穩(wěn)定性要求，因此可認(rèn)為該設(shè)計(jì)是合理的。因?yàn)樽畲髩毫μ幍某信_(tái)能滿足穩(wěn)定性要求，由此可知所有位置上的承臺(tái)均能夠滿足穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 論

管道進(jìn)行新建承臺(tái)處理后，已運(yùn)行了兩年，總體情況良好，再無沉陷管裂出現(xiàn)，說明設(shè)計(jì)和施工都是成功的，管道的計(jì)算分析也印證了這一點(diǎn)。灌漿處理工程缺陷今后還有較大的用武之地，相信本文結(jié)果對(duì)同類工程有相當(dāng)?shù)慕梃b意義。

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