王根華，余小明

(中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司,安徽 合肥 230601)

1 工程概況

息縣樞紐工程位于河南省息縣東南的淮河干流上，是一座以城鎮(zhèn)供水和農業(yè)灌溉為主、兼顧改善生態(tài)壞境的大型骨干水源工程，主要建筑物包括攔河節(jié)制閘、魚道、生態(tài)基流設施等，同時在樞紐左右岸分別布置有船閘和電站。節(jié)制閘正常蓄水位39.20m，設計流量9300m3/s，校核流量15600m3/s，共布置26孔、每孔凈寬15m，閘室總寬469m，蓄水庫容1.2億m3。

2 地質概況

工程區(qū)位于秦嶺緯向構造帶與新華夏系第二沉降帶的復合地區(qū)，基本地震動峰值加速度為0.10g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。

3 閘基特性與處理方案比選

3.1 閘基特性分析

河床內松軟狀中細砂、淤泥質土，總厚度4.8～8.0m，屬軟弱地基，為閘基的主要持力層；閘邊孔和翼墻處于河岸及灘地上，持力層為稍密～中密狀④層中粗砂、⑤層中密狀粗砂。閘基具有以下特性：①河床內上部淤泥質土標貫擊數(shù)1～3擊，液性指數(shù)為1.20，下部砂土標貫擊數(shù)4～7擊，在7度地震條件下，存在淤泥質土震陷、砂土液化問題，液化等級屬中等～嚴重；②淤泥質土、松散砂土抗剪強度低、允許承載力60～80kPa，屬中等～高壓縮性土：③河床內因多次采砂，且每次采砂深度、程度不同，導致采砂點周圍的砂土和淤泥質土的分布厚度變化大，上部淤泥質土厚度多在2.0～2.5m，下部砂土受到不同程度擾動，強度差異較大；局部未采砂或少，基本保留原狀砂土特性；多處采砂范圍大且深，其中靠近右岸采砂深度近至粘土層，淤泥質土厚達4m，與河岸的砂土工程特性差異大，經理論計算，這兩部位閘基沉降量分別為150余mm、21mm。故閘基地層結構復雜、均勻性差、沉降及不均勻沉降問題嚴重。

3.2 處理方案比選

工程設計要求，在7度地震條件下砂土不液化，閘室下砂土相對密度≥0.70，基底壓力：閘室和翼墻為180～200kPa、鋪蓋、消力池等部位為125kPa，河床內軟弱地基和河岸灘地④層中粗砂地基不能滿足建筑物的要求，需對其進行加固處理。針對閘基土特性，并綜合考慮工期(汛前完成主體工程)、經濟等因素，在比選灌注樁和復合地基方案基礎上，重點選取換填法、振沖法、強夯法進行比選，地基處理方法比選見表1。

通過表1分析，僅用單種地基處理方法，難以完全解決閘基存在的地質問題。強夯法因施工時震動大會影響基坑邊坡穩(wěn)定和損壞降水管井而被否；換填法因基坑深達13.0m，若換填全部軟弱土層，從施工、質量控制、安全方面考慮均不利，但可換填河床上部淤泥質土；振沖法對河床內下部松散砂土和河岸砂土加固效果好，若兩者結合可解決閘基存在地質問題。振沖法填料可采用碎石、中粗砂等，因碎石運距遠且緊缺，碎石樁造價相對高、工期難保證，而場區(qū)中粗砂儲量豐富就地取材，且砂樁與天然地基土質相近，地基均勻性更好，綜合上述分析，確定采取清淤換填砂與振沖擠密砂樁聯(lián)合處理方案，即采取3步驟處理：①先清除河床內上部淤泥質土和含泥量高的砂質土，②回填中粗砂至設計建基面以上1.5～2.0m，③采用振沖擠密砂樁加密處理。

4 現(xiàn)場試驗研究

為研究分析河岸原狀砂土與河床內回填砂基采用振沖擠密砂樁的加固效果、優(yōu)選樁間距和施工參數(shù)，使得處理后的閘基既滿足設計要求，又經濟合理，選在兩典型地基河岸原狀砂土和河床內回填砂土上進行了現(xiàn)場試驗，分別為A和B試驗區(qū)。

4.1 試驗方案

A試驗區(qū)原始地面高程30.0～38.0m，開挖后試驗區(qū)平臺高程28.0m，主要針對④層中粗砂層。按樁間距1.7、2.5、3.0m三種工況(編號為A1、A2、A3)，正三角形布樁，樁徑1.0m，A1、A2區(qū)靠近河岸灘地上，A3區(qū)在岸坡底部，每個區(qū)布置4排共16樁。

B試驗區(qū)位于河床內回填砂區(qū)，按樁間距1.7、2.5m兩種工況(編號為B1、B2)，正三角形布樁，樁徑1.0m，樁底進入粘土層不少于0.5m。

主要施工參數(shù)：施工采用75Kw振沖器，空載電流為50A；造孔水壓0.4～0.6MPa、速度不超過2m/min；加密電流90A，加密水壓0.2～0.4MPa，加密段長30～50cm，留振時間10～15s，提升速度1.2～1.5m/min。主要施工工藝：①造孔：開啟高壓水泵沖水，待振沖器運轉正常后徐徐貫入土中至設計深度后上提0.3m，留振20s；②清孔：造孔結束后，慢速振沖上拔至孔口處，再以較快速度從原孔貫入，使樁孔貫通；③填料加密：向孔內傾倒中粗砂填料，然后用振沖器反插下沉至設計深度后上提0.3～0.5m，留振20s后依次按段0.5m上拔，邊振密邊向孔內填料，每段留振10～15s，直至孔口處，再留振60s；④再次振沖下沉至加密電流變大部位，重復步驟③后成樁結束。

試驗樁施工時砂層中加密電流一般大于空載電流5～14A，加密電流達不到預定90A，至底部遇粘土層時，造孔電流高，樁底瞬時可達125A，同時加密電流也相應增高，一般大于空載電流20～30A，其它施工參數(shù)與設定的施工參數(shù)一致。局部樁施工時返出較稠泥漿、存在縮孔、填料量偏小及有大量細砂顆粒帶出等問題，分析認為這與砂層中有淤泥質土夾層、透鏡體、填料加密時段水量或水壓偏大有關，另認為留振時間偏短，周圍砂土未完全液化，影響范圍小，這均不利于振密的效果，為此對施工工藝和參數(shù)進行改進，對步驟②要求清孔返水不渾濁后方可進入下一步工序，如遇縮孔，原地懸掛留振5～10s，以有利于振沖洗孔擴大孔徑；步驟③④均振沖下沉至孔底，再依次按段0.5m上拔，調低加密水壓，控制在0.1～0.2MPa，留振時間1.7m樁距20～25s，2.5m樁距25～30s。

4.2 質量檢測

(1)地基加固處理后，抽取部分樁體、樁間土進行質量檢測，樁體采用重型動探試驗，從樁頂?shù)綐兜走B續(xù)進行，樁間土采用標貫試驗，檢測點在正三角形中心，每米試驗一次。A、B區(qū)樁體、樁間土檢測成果分別見表2—3。

表1 地基處理方法比選

(2)靜載試驗均為單樁復合地基試驗，其承壓板面積與單樁處理面積一致，1.7m樁間距載荷板面積2.50m2，最大試驗荷載按閘室、翼墻設計基底壓力的2倍加載；2.5、3.0m樁間距載荷板面積分別為5.41、7.79m2，最大試驗荷載按鋪蓋等部位設計基底壓力的2倍加載?，F(xiàn)場靜載試驗采用慢速維持荷載法，達到預期最大試驗荷載且穩(wěn)定后終止加載，復合地基靜載荷試驗P-S曲線如圖1所示，試驗曲線平緩光滑，無明顯比例界限，故取最大試驗荷載的一半為其承載力特征值，試驗成果匯總見表4。

表2 A區(qū)主要施工參數(shù)及15天樁體、樁間土檢測成果表

表3 B區(qū)樁體、樁間土檢測成果表

表4 復合地基靜載試驗成果匯總表

圖1 復合地基靜載試驗P-S曲線

(3)砂土的相對密度試驗采用灌砂法，現(xiàn)場挖探坑在坑內從樁頂開始每間隔0.3m取樣試驗一次，坑深1.2m。試驗結果：樁間距1.7m、2.5m、3.0m工況下分別為0.70～0.83/0.75、0.58～0.72/0.64、0.53～0.66/0.60。

(4)根據(jù)檢測成果，處理后閘基強度顯著提高，河岸和河床內兩部位閘室地基沉降量分別從21mm、150余mm降到6.50～12.27mm，沉降、不均勻沉降量顯著降低。樁間距1.7、2.5、3.0m工況下，樁間土標貫擊數(shù)平均分別27、24、21擊，達到中密～密實狀態(tài)，經計算，在7度地震條件下，砂土不液化。

4.3 試驗成果分析與研究

根據(jù)工程地質勘察資料，地基處理前各試驗區(qū)標貫擊數(shù)平均值：A1和A2區(qū)為20擊、A3區(qū)13擊，B區(qū)6擊，現(xiàn)通過與地基處理后的質量檢測成果對比，著重探析樁體、樁間土強度與砂土初始密度、樁間距的關系，并選取施工參數(shù)。

(1)樁體強度與砂土初始密度、樁間距的關系

15天的樁體動探擊數(shù)A1、A2分別為24、25擊，B1、B2區(qū)分別為14、13.8擊；A1與A2相差4.2%，B1與B2相差2.8%，A比B區(qū)高約71%。由上分析可知，樁體強度與砂土初始密度呈正比，樁間距對樁體強度影響不明顯。

(2)樁間土強度與砂土初始密度、樁間距的關系

15天的樁間土標貫擊數(shù)A1、A2、A3區(qū)分別為27、24、21擊，比原狀砂土分別提高了35%、20%、61%；B1、B2區(qū)分別為26.4、23擊，比松散砂土分別提高了340%、283%；同一樁間距條件下，A、B區(qū)差值<4.2%。由上分析可知，樁間土強度的提高值與砂土初始密度呈反比，即松散砂土加固效果顯著；在相同樁間距、施工工藝條件下，不同初始密度砂土加固后的樁間土強度相差甚小。

(3)樁體、樁間土強度隨時間增長的關系

樁體、樁間土隨時間增長而增大，但15天后樁體，樁間土強度增長不明顯，因此可以把15天樁體、樁間土檢測強度作終值強度。通過分析表3成果可知，5、10天內樁體強度可達到終值強度81%、91%左右，樁間土可達到終值強度72%、80%～85%。

(4)施工參數(shù)的選取

振沖擠密砂樁法加固機理主要是在振沖器的振動和水沖力作用下，能夠在砂層中產生超孔隙水壓力，使得振沖器附近砂土發(fā)生短暫液化或結構破壞，砂顆粒在自重和振沖器震動擠壓作用下重新排列，孔隙減小，從而提高砂土密實度；此外是依靠振沖器的反復強迫水平振動將填料側向擠壓振動擠密。從加密機理上，較易理解為何樁體強度與砂土初始密度成正比，因砂土初始密度大，成樁過程中受周圍砂土約束效果好，另固定的振沖器振動能量、頻率是不變的，其影響程度將隨距離增大而減弱，故樁間距對樁間土強度的提高起著關鍵作用。

振沖擠密砂樁施工參數(shù)主要包括水壓、留震時間、加密電流等，各參數(shù)間相互關聯(lián)和制約。振密制樁時，保持適量的水壓或水量主要作用是，使填料在飽和條件下沉入以便振搗密實及將泥漿帶出并能夠防止泥漿反壓進入噴水管內，對于細粒含量較高的砂土，過高的水壓，易把大量細粒帶出而使砂土顆粒級配不良，影響加密效果；要確定最佳的留振時間是很難的，因留振時間短，周圍砂土不能完全液化、影響范圍小，而時間過長，不但降低施工功效，亦不一定能達到更好的效果，試驗樁施工過程中專門做過留振時間延長到30～60s的試驗，結果加密電流基本保持在60A左右不變，有的卻隨時間延長變小了，在A區(qū)砂層相對較密，密實電流很快就能達到60A左右，但留震時間短，樁徑變小。通過對比施工工藝和參數(shù)改進前、后的樁間土標貫擊數(shù)，近7天齡期1.7、2.5m樁間距分別從19擊提高到24擊、19.5擊提高到22.6擊，提高了16%～26%。因此對于松散砂土，控制加密水壓0.1～0.2MPa、留振時間20～30s作為主要施工參數(shù)，而加密電流僅為輔助參數(shù)，加固效果提高還是較明顯的。

振沖擠密砂樁作為復合地基，是樁體、樁間土共同承擔著地基上部建筑物荷載，因此可根據(jù)不同樁距的加密效果，通過調整樁距，即調整樁、土分擔荷載比例，使其同時滿足基底壓力、沉降變形、抗震設防的要求。根據(jù)質量檢測數(shù)據(jù)，振沖擠密砂樁對松散砂土加固效果更好，強度提高多，但觀察圖1中P-S曲線可以發(fā)現(xiàn)，同一樁間距條件下，復合地基承載力A區(qū)還是較明顯大于B區(qū)，且樁間距小時更明顯，A區(qū)3.0m樁間距與B區(qū)2.5m樁間距基本接近。若振沖擠密砂樁按相對變形值取0.01b(b為承壓板邊長，當b大于2m時，按2m計算)或用標貫擊數(shù)確定，2.5m樁間距復合地基承載力亦能滿足閘室部位設計荷載要求，對應沉降量在14～20mm，但樁間土的相對密度不滿足閘室部位≥0.70的設計要求。1.7、2.5、3.0m樁間距復合地基承載力遠大于鋪蓋等部位荷載要求，砂土均不液化。本工程型體、結構復雜，加固面積大，對不均勻沉降要求高，經綜合考慮施工工期、經濟合理性等方面因素，確定采取1.7m樁間距處理閘室和翼墻、2.5m樁間距處理鋪蓋等部位的組合為最優(yōu)方案。

5 結語

75kW雙頭振沖器施工振沖砂樁，可采用0.1～0.2MPa加密水壓、20～30s留振時間作為主要施工參數(shù)達到加密效果?，F(xiàn)場試驗表明，1.7、2.5m樁間距，正三角形布置，取三角形中心點進行樁間土標貫試驗，擊數(shù)可達23～26.4擊，達到中密～密實狀態(tài)，比松散砂土提高3倍左右，并消除了砂土液化、地基強度得到很大提高，同時采用雙頭振沖器施工，工效得到提升，縮短了工期。現(xiàn)閘主體工程已完工，觀測沉降及不均勻沉降變形均較小，表明采取的地基處理方案和施工參數(shù)是合理有效的。