劉 波,牛運(yùn)華,楊 波

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430010)

振沖置換法在長(zhǎng)江護(hù)岸地基處理中的應(yīng)用

劉 波,牛運(yùn)華,楊 波

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430010)

為解決長(zhǎng)江高填方護(hù)岸深厚覆蓋層地基的抗滑穩(wěn)定問(wèn)題,采用振沖置換法對(duì)地基進(jìn)行加固處理。計(jì)算分析表明,振沖碎石樁處理范圍、樁間距、樁長(zhǎng)等參數(shù)應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì),振沖置換法與其他地基處理方式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合能夠取得更好的處理效果;護(hù)岸地基通過(guò)振沖置換處理后,抗滑穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求。采用振沖碎石樁對(duì)軟弱地基進(jìn)行置換形成復(fù)合地基,能夠有效解決地基砂土液化問(wèn)題、承載力問(wèn)題及抗剪強(qiáng)度問(wèn)題。

振沖碎石樁;振沖置換法;高填方護(hù)岸;地基處理;深厚覆蓋層

振沖置換法地基處理技術(shù)可在砂土或黏性土地基中布置一群以石塊、砂礫石等散粒體材料組成的樁體,這些樁體與原始地基構(gòu)成復(fù)合地基,共同承載上部荷載。振沖碎石樁復(fù)合地基具有以下優(yōu)點(diǎn):①施工機(jī)具簡(jiǎn)單、操作方便,施工速度較快;②不需要鋼材和水泥,僅利用碎石、卵石等當(dāng)?shù)赜操|(zhì)材料,造價(jià)較低;③以碎石或卵石等粗骨料振沖置換的天然地基,可加速地震時(shí)超孔隙水壓力的消散,有利于地基抗震和防止液化;④針對(duì)不均勻的天然地基,可根據(jù)地基軟硬程度對(duì)填料進(jìn)行調(diào)整,使處理后的地基較為均勻;⑤振沖力對(duì)軟弱土體施加的側(cè)向擠壓力較大,使得土體密實(shí)效果顯著提高。振沖置換法地基處理技術(shù)在房屋建筑、水利水電工程等地基處理中得到廣泛應(yīng)用,并取得了顯著的效果。

振沖置換法在20世紀(jì)30年代首次用于處理柏林某大樓深達(dá)7.5 m的松砂地基,使得地基密實(shí)度由40%提高到80%,承載力提高了1倍。該技術(shù)在20世紀(jì)80年代引進(jìn)我國(guó)后得到推廣,主要用于房屋建筑、水利、交通等工程的地基加固處理[1-8]。胡瑞生等[9]利用振沖置換法對(duì)某住宅樓黏性土地基進(jìn)行加固,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽樣檢測(cè)表明復(fù)合地基承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求;務(wù)坪水庫(kù)湖積層軟土地基通過(guò)振沖置換處理后,大壩基礎(chǔ)承載力得到較大提高[10];魯基廠水電站壩基為粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉細(xì)砂等地層,采用180 kW大功率電動(dòng)振沖器加鉆機(jī)引孔的施工工藝,成功解決了33.5 m深厚覆蓋層振沖置換的施工技術(shù)難題[11];陰坪水電站利用振沖碎石樁對(duì)地基進(jìn)行大面積、大深度處理,有效解決了地基砂土液化問(wèn)題、承載力問(wèn)題及抗剪強(qiáng)度問(wèn)題[12]。

本文研究的高填方護(hù)岸位于長(zhǎng)江岸坡地帶,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且為深厚覆蓋層地基。護(hù)岸不僅具有防止岸坡崩坍功能,還兼有護(hù)岸上方場(chǎng)平及建筑物的擋土墻作用。在覆蓋層較厚、外荷載較大的條件下,高填方護(hù)岸地基振沖置換處理對(duì)設(shè)計(jì)者的要求更高。

1 工程概況

某場(chǎng)平護(hù)岸工程位于長(zhǎng)江南岸,護(hù)岸工程的主要作用是保證護(hù)岸上方場(chǎng)平的整體穩(wěn)定性,阻擋洪水對(duì)場(chǎng)平岸坡的侵襲,防止庫(kù)岸再造,控制水土流失,改善生態(tài)環(huán)境,護(hù)岸及場(chǎng)平布置如圖1所示。

圖1 護(hù)岸及場(chǎng)平布置示意圖

護(hù)岸場(chǎng)區(qū)西、北、東三面環(huán)水,呈弧形凸出于長(zhǎng)江南岸,以河谷階地地貌為主。Ⅰ級(jí)階地階面高程160.0～170.0 m,寬10.0～135.0 m,階面坡度5°左右,階面以下至河床岸坡坡度一般26°～30°或呈3～12 m高基巖陡坎、陡崖。Ⅱ級(jí)階地階面高程185～200 m,寬度達(dá)200～300 m,為基座階地,與Ⅰ級(jí)階地呈27°～35°坡度相接,部分地段呈陡坎相接。岸坡沖溝發(fā)育,地形破碎,沿岸坡向下游共發(fā)育有7條較大沖溝,沖溝均發(fā)源于剝蝕殘丘地貌和Ⅱ級(jí)階地接觸部位,切割較深。

護(hù)岸區(qū)域地層由侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J3s)紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、灰紫色～灰色粉砂巖、灰色長(zhǎng)石石英砂巖和第四系(Q)松散堆積物組成。泥巖多呈薄～中厚層狀,失水易裂,浸水軟化崩解,厚度5～30 m不等,以?shī)A層形式分布;砂巖多呈中厚層狀,厚度2.0～9.0 m,層理發(fā)育。

第四系松散堆積物主要由礫卵石、含礫卵石粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂以及淤泥質(zhì)土等組成。粉質(zhì)黏土呈硬塑～可塑狀態(tài),粉粒含量高,厚度0.5～18.0 m;粉土呈中密～密實(shí)狀態(tài),干強(qiáng)度低,韌性低,黏粒含量較高,厚度2.0～14.0 m;粉砂多呈稍密狀態(tài),黏粒含量較高,厚度1.4～6.0 m;淤泥質(zhì)土呈流塑～軟塑狀態(tài),黏滯、滑膩,厚度1.5～5.0 m。

護(hù)岸結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用頂部直立擋墻與堤式斷面結(jié)合的混合式斷面。堤身采用碾壓堆石體填筑,堤頂高程177.3 m,頂寬8.0 m,臨水側(cè)邊坡與背水側(cè)邊坡均為1∶1.6。在臨水側(cè)邊坡高程157.3 m以下為拋石棱體,內(nèi)側(cè)邊坡為1∶1.6,外側(cè)邊坡為1∶2。分別在高程167.3 m、157.3 m和147.3 m處設(shè)平臺(tái),平臺(tái)寬分別為3.0 m、5.0 m和10.0 m。背水側(cè)邊坡與回填料間設(shè)過(guò)渡反濾層,厚2.0 m。

圖2 護(hù)岸典型斷面(單位：m)

護(hù)岸為高填方區(qū),填方高度25～40 m,沖溝處可達(dá)40～65 m,主要由碾壓堆石體和拋石棱體構(gòu)成,護(hù)岸上方為土石填筑體,高度達(dá)38 m,護(hù)岸與其上方場(chǎng)平填筑體構(gòu)成的邊坡高度達(dá)78 m。護(hù)岸地基為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、含礫卵石粉質(zhì)黏土等深厚覆蓋層,最深達(dá)30 m。

2 振沖碎石樁設(shè)計(jì)

護(hù)岸地基采用振沖置換法進(jìn)行處理,根據(jù)DL/T 5214—2005《水電水利工程振沖法地基處理技術(shù)規(guī)范》布樁設(shè)計(jì)。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),振沖碎石樁樁徑1.2 m,樁間距2.0 m,正三角形布置,在堆石堤腳外緣擴(kuò)大5排樁。必要時(shí),對(duì)個(gè)別部位的樁間距調(diào)整為1.8 m。樁體材料采用人工級(jí)配碎石料,最大粒徑控制在6 cm以內(nèi),含泥量不大于5%。振沖器功率宜根據(jù)振沖碎石樁的設(shè)計(jì)深度和土體特性選用55 kW、75 kW或150 kW。

振沖置換率m計(jì)算公式為

(1)

式中：D為樁身直徑;De為樁的等效影響圓直徑,De=1.05d,其中d為樁間距。經(jīng)計(jì)算,d=2.0 m時(shí),m=0.3;d=1.8 m時(shí),m=0.4。

原始地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為cs、φs,樁體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為cp、φp。復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)csp、φsp的計(jì)算公式為

csp=(1-ω)cs

(2)

tanφsp=ωtanφp+(1-ω)tanφs

(3)

式中ω為參數(shù),取0.5。

無(wú)黏性土的cs、φs取天然快剪強(qiáng)度值,黏性土取固結(jié)不排水剪強(qiáng)度值。各層土體經(jīng)振沖置換后的復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1,砂性土體在穩(wěn)定計(jì)算時(shí)不考慮csp值。

3 護(hù)岸抗滑穩(wěn)定分析

護(hù)岸主要采用碾壓堆石體結(jié)構(gòu),由于位于三峽水庫(kù)水位變幅區(qū),穩(wěn)定分析按SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算,最小安全系數(shù)正常工況為1.5,非常工況為1.3。

表1 復(fù)合地基抗剪指標(biāo)

3.1 計(jì)算工況

分正常運(yùn)用與非正常運(yùn)用兩種情況,設(shè)計(jì)8個(gè)計(jì)算工況如表2所示。

圖3 振沖碎碎樁處理范圍

表3 抗滑穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 計(jì)算剖面

根據(jù)斷面形式、高度以及地質(zhì)情況,選取14—14、18—18、19—19、21—21共4個(gè)具有代表性的斷面(圖1)進(jìn)行振沖碎石樁處理后護(hù)岸抗滑穩(wěn)定分析。各計(jì)算斷面振沖碎石樁處理范圍如圖3陰影區(qū)域所示。

表2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

各計(jì)算剖面經(jīng)不同的振沖置換方案處理后,抗滑穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知:①14—14剖面護(hù)岸高度較高,覆蓋層較厚,并與基巖的交界面為順向坡,在孔隙水壓力和上方回填區(qū)的共同作用下,直接在原始地基上進(jìn)行振沖置換處理,不能滿足各工況下護(hù)岸的抗滑穩(wěn)定要求;挖出部分覆蓋層后再進(jìn)行振沖碎石樁處理,一方面可以降低地基內(nèi)的空隙水壓力,另一方面減緩了地基持力層的順向坡度,最終護(hù)岸的抗滑穩(wěn)定滿足要求。②18—18剖面護(hù)岸坡腳處的覆蓋層較厚,為抗滑穩(wěn)定的薄弱環(huán)節(jié),因此在坡腳進(jìn)行振沖碎石樁處理。當(dāng)樁間距為2.0 m時(shí),抗滑穩(wěn)定不能滿足要求;當(dāng)樁間距調(diào)整為1.8 m后,適當(dāng)加密碎石樁可以滿足護(hù)岸抗滑穩(wěn)定要求。③19—19剖面原始地基覆蓋層厚度達(dá)30 m,滑弧深度大于20 m,在振沖置換深度為20 m的情況下,抗滑穩(wěn)定系數(shù)不能滿足要求,加深振沖置換深度,當(dāng)樁長(zhǎng)為30 m時(shí),樁底至基巖處抗滑穩(wěn)定可以滿足要求。④21—21剖面覆蓋層厚度不大,但與基巖的交界面坡度較陡,直接對(duì)原始地基進(jìn)行振沖置換處理不能滿足要求,為此采用清挖方式處理,但坡腳處長(zhǎng)期位于江水位以下,水下開挖困難,采用振沖置換處理具備干地施工條件,施工相對(duì)方便,可操作性較強(qiáng),最終護(hù)岸抗滑穩(wěn)定可以滿足要求。

4 結(jié) 論

a. 經(jīng)振沖置換后的復(fù)合地基與原始地基相比,能有效控制護(hù)岸及其上方回填區(qū)的滑移變形。

b. 采用振沖置換技術(shù)進(jìn)行松軟地基處理時(shí),應(yīng)該結(jié)合地形、地質(zhì)條件以及滑裂面的位置,對(duì)振沖置換的范圍、樁間距、樁長(zhǎng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,必要時(shí)可采用挖除等其他地基處理方式與振沖置換法進(jìn)行組合,可以達(dá)到更好的地基處理效果。

c. 復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)須在施工時(shí)予以保證,施工前有必要進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核,對(duì)施工完成的振沖碎石樁及時(shí)進(jìn)行抽樣檢測(cè),使得施工質(zhì)量有所保證。

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Application of vibro-replacement method in foundation treatment for Yangtze River revetment

/LIU Bo, NIU Yunhua, YANG Bo

(ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China)

In order to solve the anti-sliding stability problem of the high-fill revetment along the Yangzte River, the vibro-replacement method was used to treat the deep overburden foundation of high-fill revetment. The results show that the design of the range of vibration stone columns, pile spacing, and pile length should be matched with the terrain and geological conditions. The vibro-substitution method combined with other foundation treatment methods can achieve better treatment effects. Through vibro-replacement, the anti-sliding stability of the revetment can meet the requirements of specifications. Using the vibration stone column to replace the soft foundation replacement to form a composite foundation, the problems of sand liquefaction, bearing capacity, and shear strength of the foundation can be solved effectively.

vibration stone column; vibro-replacement method; high-fill revetment; foundation treatment; deep overburden

劉波(1983—),男,高級(jí)工程師,博士,主要從事水利水電工程施工設(shè)計(jì)工作。E-mail:wave0912@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.014

TV861

：A

：1006-7647(2017)02-0078-04

2015-11-29 編輯：鄭孝宇)