振冲加密技术在碎石土坝坡加固中的应用

施工技术

振冲加密技术在碎石土坝坡加固中的应用

郭祥初，李秀荣，詹志明

(湖北大禹水利水电建设有限责任公司， 武汉430061)

摘要：坛子口水库大坝下游坝坡回填材料为风化碎石土，筑坝时未碾压，比较松散。为解决下游城市生活用水问题及防洪需要，拟对大坝进行加高。为保证大坝安全，大坝加高前拟对下游坝坡风化碎石层进行加固处理。在水库正常蓄水位下，采用振冲加密的方法对下游坝坡进行了加固处理。大坝加高后未出现沉降或裂缝等现象，加固效果显著。

关键词：碎石土；振冲加密；液化；相对密度

中图分类号：TU472

Application of Vibroflotation Compaction Technology in Gravel

Soil Dam Slope Reinforcement

GUO Xiang-chu, LI Xiu-rong, ZHAN Zhi-ming

(HubeiDayuWaterResourcesandHydropowerConstructionCo.,Ltd.,Wuhan430061,China)

Abstract：Weathered gravel soil is adopted for backfilling downstream dam slope of Tanzikou reservoir dam, which is not rolled during dam construction, therefore the soil is looser. The dam will be heightened according to plan in order to solve downstream urban domestic water consumption problem and flood control demand. Downstream dam slope weathered gravel layer will be reinforced before dam heightening in order to ensure dam safety. Vibroflotation compaction method is adopted for reinforcing downstream dam slope under normal water level in the reservoir. Subsidence or cracks and other problems are not discovered after dam heightening, and the reinforcing effect is significant.

Keywords：gravel soil; vibroflotation compaction; liquefaction; relative density

1工程概况

坛子口水库位于敖水河上游，总库容5600万m3，坝顶全长720m，最大坝高31m，黏土心墙，大坝下游坝坡回填材料为风化碎石土，回填厚度一般6～8m，最大15m。为解决下游城市生活用水问题及防洪需要，拟对大坝进行加高，最大加高高度12m，大坝轴线也相应后移。由于当时用风化碎石土筑坝时未进行碾压，比较松散，平均干密度约为1.64g/cm3，相对密度为0.41，室内试验压缩系数为a1-2=0.66MPa-1，经计算大坝加高后碎石层沉降量将达到0.93～1.05m，变形量将超出允许范围，可能危及上游防渗黏土斜墙安全。因此，大坝加高前拟对下游坝坡风化碎石层进行加密处理。

2地质概况

大坝下游坝坡风化碎石层在坝顶和坝脚部分厚度约为6～8m，坝坡中部厚度增大，最大厚度约15m。大坝筑坝时由于没有进行级配控制，各部位的碎石土变化较大，颗粒级配为：大于60mm的占0～38%，小于3mm的占0～20%，平均粒径8～42mm。

3加固方案的选择

加固处理方案考虑过强夯、翻挖、振冲等。考虑到坛子口水库是下游城市饮用水水源，加固、扩建都必须在水库正常运行条件下进行，且翻挖成本较高。因此，强夯和翻挖方案不可取，经比较后一致认为，采用振冲法施工比较安全且能确保工程质量和工期。

振冲加固机械采用75kW振冲器，施工过程中从1号平台(高程最低)向上逐台加固。回填料选用半风化碎石料及原坝料。为确保加固质量，6个平台的加密电流均控制在90～100A。水压以有利于造孔、成桩为原则，根据实际情况控制水压变化范围在110～600kPa。

4施工完成的工程量

此次大坝振冲加固施工的工程量见表1。

表1　振冲加固施工工程量

与设计要求相比， 1、2号平台施工进尺略少于设计值，其他各平台都超过设计工程量。4号平台有12孔未达到设计深度(最大差距为0.8m)，且分布不集中又不宜开挖重新造桩，但到位率高于95%，均满足设计要求。

5振冲法加固砂砾石和砂基等无黏性土的作用机理

5.1挤密效应

振冲过程中对松散砂砾石、砂基有三种加密作用：振挤作用、振浮作用和固结作用。在上述三种加密作用下，砂土的相对密度增加，孔隙比减小，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能得以改善，地基承载力提高，因此，抗液化的性能得以改善。

5.2排水减压作用

振冲密实加固松散地基的排水减压作用类似于砂基中砂桩的排水减压作用，简单来说就是砂土地基振冲加密并设置碎石桩，不仅地基的相对密度增加，而且改善了排水条件，能降低振动时产生的超静孔隙水压力，提高抗液化能力。

5.3预振效应

相同密实度条件下，经过预震后的砂土地基比未经预振的砂土地基具有高很多的抗震性能。预振之所以能提高抗液化能力，主要是受周期应力的影响，使砂砾土和砂土获得了更加致密的结构。

6加固效果检测

6.1取样密度试验

检测选择3号和5号平台，取样深度和土样密度检测结果见下页表2。结果显示：ⓐ振冲加固后碎石桩的密度明显增大；ⓑ加密电流为100A时碎石土的密度比90A时高；ⓒ碎石桩的密度超过2.0g/cm3时，桩间土密度大于1.86g/cm3。根据桩距，按桩和桩间土面积加权平均后，各检测区的综合密度指标见下页表3。

由于坝坡碎石土的密度和天然级配不同，振冲加固后的检测结果表明并非间距小密度必然大，或加密电流高密度就大。但是当加密电流为100A时，桩距为2.0m和2.25m时，振后干密度都大于1.88g/cm3，满足设计要求。

表2　各检测区振冲后实测密度指标

表3　各检测区综合密度指标

6.2室内试验

大坝下游坝坡由于未经压实，密度小，抗剪强度低。探坑开挖取得的碎石土物理力学性指标为：干密度为1.53～1.93g/cm3，平均为1.64g/cm3，相对密度为0.41，压缩系数a1-2=0.66MPa-1,内摩擦角φ=23°。

室内试验项目有颗粒比重试验、相对密度试验、压缩和剪力试验。取8组试样检测，风化碎石土比重为2.90～2.94，平均值为2.92。在2号平台挖探坑取土样用作相对密度试验料，采用两种方法试验：ⓐ原级配料；ⓑ去掉大于60mm粒径部分的替换级配。检测结果见表4。

表4　相对密度试验成果

表4显示，碎石桩的密度大于室内试验最大密度，这是由于振冲器振动能量比室内击实试验能量大，风化碎石被振碎并充满碎石空隙，桩间土振冲后相对密度也达0.75。

7振冲法加固土石坝的优点

a. 施工工艺简单，效果显著。振冲法的施工机械结构简单，易于操作，维修方便。大量的工程实践表明：经振冲法加固的砂砾石土、砂性土密度均大大提高，基本都达到了设计要求的抗液化标准。尤其是提高砂基或砂壳坝体抗液化效果更佳。

b. 振冲法可以在已建坝的坝坡上施工，也可以在土石坝的填筑过程中应用，这就为利用振冲法加固已建坝坝坡和新建坝填筑过程中的应用提供了可能。

c. 振冲法施工与预压法(控制填筑速率法)相比工期可大大缩短。

d. 与翻挖、强夯等其他加固方法相比较，振冲法加固土石坝的综合费用相对较低。

8结语

坛子口水库大坝下游坝坡碎石土深层振冲加密在水库正常蓄水位和不进行大量开挖的情况下顺利完成，证明了振冲法是加固病险堤坝工程既经济安全又简便的施工方法。这为今后用振冲法代替碾压法、以提高土石坝的施工速度和降低施工成本提供了宝贵的施工经验。