汪月騰

摘 要：水利工程中，擋土墻能夠有效防止工程土體變形失穩(wěn)的構(gòu)筑物，在一定程度上，防止水利工程發(fā)生滑坡現(xiàn)象，增加水利工程的穩(wěn)定性。而擋土墻的底板處理上，特別是原狀地基土是軟弱層的時(shí)候，可以采用碎石樁來(lái)加固擋土墻?，F(xiàn)階段的碎石樁的施工方法很多，其中的“砂礫石振沖樁”技術(shù)施工便利，應(yīng)用廣泛。為了讓“砂礫石振沖樁”施工技術(shù)能夠應(yīng)地制宜地發(fā)生作用，文章比較了不同樁型，從樁直徑和樁間距的比值角度，比較了不同樁型下對(duì)擋土墻地表沉降、固結(jié)程度以及水平變形的影響，以期找到最佳的“砂礫石振沖樁”加固方式。

關(guān)鍵詞：水利工程;擋土墻;加固技術(shù);振沖碎石樁;施工技術(shù)

引言

全封閉止水壩的建設(shè)是在河流上實(shí)施的常規(guī)防洪機(jī)制。完全封閉的水壩會(huì)在河流中捕獲大量的沉積物，以穩(wěn)定河流的坡度并控制侵蝕。但是，完全封閉的水壩不能選擇性地捕獲沉積物，并且很容易溢出，從而導(dǎo)致它們失去調(diào)節(jié)和保持沉積物的能力。在建設(shè)過(guò)程中，針對(duì)軟土基層，水壩多采用“直墻式全漿砌石擋土墻”，年久使用下，擋土墻往往有變形和沉陷的可能，在縱向和橫向上都可能發(fā)生較大的脆化。為減輕沉降所必須進(jìn)行加固工程中，采用的處理技術(shù)有： 振沖碎石樁、預(yù)制豎向排水溝、真空預(yù)壓、深混合柱等。其中，振沖碎石樁技術(shù)具有機(jī)具設(shè)備簡(jiǎn)單、操作技術(shù)易于掌握、施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

一、技術(shù)介紹

在水利工程的擋土墻中設(shè)置一般的碎石樁具有以下效果：（a）加固效果;（b）減少沉降效果;（c）加速固結(jié)沉降效果。但在不排水粘聚力小于或等于15kpa 的軟土中，振沖碎石樁會(huì)發(fā)生過(guò)大的側(cè)向變形。此外，軟粘土可能會(huì)滲透進(jìn)石樁。以往的研究大多集中在土工合成加筋對(duì)孤立石樁承載力的影響上。在研究了地基承載力、地基剛度、軟土厚度、擋土墻高度等因素對(duì)擋土墻沉降的影響后，為了克服這些問(wèn)題，可以采用振沖碎石樁對(duì)單個(gè)石樁進(jìn)行周邊加固。

振沖碎石樁是利用壓力水的水平振動(dòng)力和振沖裝置在軟土中形成一個(gè)孔，然后填充碎石代替軟土，通過(guò)控制密度流和振動(dòng)停留時(shí)間振動(dòng)形成樁身。樁體與樁間土形成復(fù)合地基。當(dāng)復(fù)合地基承受上部荷載時(shí)，通過(guò)礫石墊層的流量補(bǔ)償作用，將荷載逐漸合理地分配到樁與樁間土上，使樁與土共同承受荷載。同時(shí)，荷載作用下復(fù)合地基產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力通過(guò)樁體消散，使樁間土體排水加固，強(qiáng)度得到提高，達(dá)到加固的目的。具體施工剖面圖如下所示。

二、施工過(guò)程

建立完整的三維模型，以了解加固的長(zhǎng)期行為。典型的全3d 模型采用相對(duì)較細(xì)的網(wǎng)格布局，以便在整合過(guò)程開(kāi)始時(shí)使用較小的時(shí)間步長(zhǎng)（即0.001天以上） ，以達(dá)到更高的準(zhǔn)確性。為了提高預(yù)測(cè)精度，在柱狀土界面區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化，根據(jù)模型的材料性質(zhì)和幾何形狀，按照 plaxis 給出的準(zhǔn)則計(jì)算了臨界時(shí)間步長(zhǎng)，并用于分析。在水力邊界條件下，在軟粘土層頂面設(shè)置地下水位，在此范圍內(nèi)產(chǎn)生靜水孔隙水壓力。在頂部施加了零孔隙壓力邊界條件。左邊界假設(shè)沒(méi)有流動(dòng)進(jìn)入或離開(kāi)對(duì)稱平面。因?yàn)橛疫吔珉x堤岸很遠(yuǎn)，對(duì)結(jié)果有很大影響，所以設(shè)置為不透水。采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)軟粘土、碎石樁和填土進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。土工合成材料加筋模型采用土工格柵單元，由6節(jié)點(diǎn)三角網(wǎng)面單元組成。為了在固結(jié)過(guò)程開(kāi)始時(shí)達(dá)到更高的精度，所有的分析都采用了更精細(xì)的網(wǎng)格布置。對(duì)于具有線彈性理想塑性性能的石柱、擋土墻填土和軟粘土，采用了莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。土工合成材料被模擬為只具有軸向剛度的土工格柵單元。在產(chǎn)生初始應(yīng)力和孔隙水壓力后，用石柱代替軟土單元模擬石柱，并按要求在地基中加入土工合成材料加筋。每層擋土墻在30天內(nèi)建成，在下一階段施工前再加固30天，然后繼續(xù)計(jì)算，直到超孔隙水壓力達(dá)到接近1千帕。

三、技術(shù)應(yīng)用

（一）常見(jiàn)碎石樁的安裝方法

擋土墻抗剪強(qiáng)度特性取決于碎石樁的安裝方法。振沖法分加填料和不加填料兩種。加填料的通常稱為振沖碎石樁法。振沖法適用于處理砂土、粉土、粉質(zhì)粘土、素填土和雜填土等地基。對(duì)于處理不排水抗剪強(qiáng)度不小于20kPa的粘性土和飽和黃土地基，應(yīng)在施工前通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性。不加填料振沖加密適用于處理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。振沖碎石樁主要用來(lái)提高地基承載力，減少地基沉降量，還可用來(lái)提高土坡的抗滑穩(wěn)定性或提高土體的抗剪強(qiáng)度。由于在加載過(guò)程中，巖石柱在徑向上發(fā)生膨脹，引起粘土的側(cè)向位移，幾乎不存在界面的剪切現(xiàn)象。因此，為了使分析簡(jiǎn)單，分析中沒(méi)有考慮界面元素。此外，在實(shí)際施工過(guò)程中，所采取的樁直徑和樁間距的不同，也會(huì)影響擋土墻最終的地表沉降、固結(jié)程度以及水平變形，這也是需要注意的地方。

（二）不同樁型比較分析

本次研究主要探討了不同樁型之間，在地表沉降、固結(jié)程度以及水平變形的不同。

首先，不同砂礫石振沖樁的樁直徑（diameter of stone column）和樁間距（spacing of stone column）比在固結(jié)結(jié)束時(shí)的自然地表沉降不同。以計(jì)算比分別為1.87、2.50、3.12和3.75為例，自然地表沉降分別為1.5 m、2 m、2.5 m和3m，從這個(gè)數(shù)字可以清楚地看出砂礫石振沖樁的樁直徑和間距比對(duì)沉降比率有很大的影響。

其次，由于碎石柱也起排水作用，因此，減小 s / d增加了固結(jié)程度。結(jié)果表明，s / d 比值越大，固結(jié)程度越低，這是由于載荷向柱的轉(zhuǎn)移越小所致。

對(duì)于不同的 s / d 值，碎石樁的水平變形和材料環(huán)向力也有所不同。在實(shí)踐中，可以發(fā)現(xiàn)，隨著 s / d 比的降低，碎石樁的水平變形趨勢(shì)急劇減小。最大水平變形深度為3 m，即石柱直徑的3.75倍。材料環(huán)向力剖面與水平變形剖面的總體趨勢(shì)一致，隨 s / d 比的增大，環(huán)向力呈增大趨勢(shì)，最大環(huán)向力為32kn / m，為直徑的3.75倍。

結(jié)論

綜上所述，在水利工程的擋土墻建設(shè)中，為了在軟土層中加固擋土墻，可采用砂礫石振沖樁施工技術(shù)。由于實(shí)際施工過(guò)程中，不同的樁直徑和樁間距最終會(huì)對(duì)擋土墻的地表沉降、固結(jié)程度以及水平變形造成影響，因此，需要依據(jù)工程的具體要求，選擇合適的樁型。在本次研究中，樁距越小，單樁豎向承載力越大，擋土墻的承載力也越大。

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