振冲碎石桩在砂卵砾石地基中的应用

李玉桥，闫路明，刁志明

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆 401120)

振冲碎石桩是一种有效的地基土体加固措施。通过振冲器水平振动和高压水流的联合作用，在地基土中成孔，然后向孔中分段填入适量碎石，每段填料均在振动作用下被振挤密实，达到设计所要求的密实度后提升振冲器，在土体中自下而上形成碎石桩体，和原地基土构成复合地基共同作用，从而起到提高地基承载力、防止土体液化、减少沉降和不均匀沉降的作用。

本文结合重庆市彭水县长湖水电站工程闸坝基础处理实例，分析和探讨了振冲碎石桩复合地基在砂卵石基础中的实用性和设计思路，以期能为类似工程的基础处理提供一定的借鉴及参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

长湖水电站位于重庆市彭水县境内，是郁江干流梯级开发规划中的第4座电站。电站采用河床式开发，厂址位于郁江中上游飞水院子河段，行政隶属重庆市彭水县连湖镇，坝址距连湖镇约5km，距彭水县城约65km。长湖电站水库总库容822万m3，正常蓄水位363.0m，相应库容389万m3，校核水位时过闸流量5020m3/s。电站发电引用流量为60m3/s(单台机)，装机3台，总装机容量18MW。其开发任务为发电。

枢纽工程布置从右到左依次为右岸重力坝段、冲砂泄洪闸段、厂房段和左岸重力坝段，坝轴线总长237.77m。枢纽工程由非溢流坝、泄洪冲沙闸、河床式主、副厂房及开关站、变电站等组成。泄洪冲沙闸段位于河床右岸，重力坝段和厂房坝段之间，由上游铺盖、闸室、消力池和海漫3部分组成。泄洪冲沙闸共布置5孔，每孔净宽10.0m，中墩宽4.00m，边墩宽3.0m，泄洪冲沙闸挡水总宽度为72.0m。闸室顺水流方向长41.0m，闸墩顶高程370.0m，闸底板高程352.00m，闸墩净高度18.0m，闸墩采用C20钢筋混凝土浇筑。工作闸门启闭机排架顶部高程386.0m，净高16.0m。枢纽总平面布置图如图1所示，泄洪闸剖面如图2所示。

泄洪冲沙闸及河床式主副厂房设计洪水重现期为30年(P=3.3%)，相应洪峰流量为4005m3/s，校核洪水重现期为200年(P=0.5%)，相应洪峰流量为5771m3/s；重力坝为挡水建筑物的一部分，防洪标准与泄洪冲沙闸相同；闸后消能建筑物设计洪水重现期为20年(P=5.0%)，相应洪峰流量为3628m3/s。

1.2 自然条件

长湖电站位于郁江中游段，电站坝址位于郁江入彭水境内河段，地处彭水县连湖镇，坝址以上集雨面积1857km2，坝址距离上游已建长顺电站约7.9km，距离下游已建马岩洞电站12.5km。长湖电站坝址至长顺电站坝址区间集雨面积为43.7km2，区间无较大支流汇入，流域内植被较好，森林覆盖率为27%，河流中含沙量较小，地貌以岩溶形态为主，侵蚀形态较少，流域内大部分地区是灰岩，暗河、地下水出露多。

图1 枢纽总平面布置图

图2 泄洪闸纵剖面图

郁江流域属中亚热带季风气候区，该地区气候温和，雨量充沛多集中，光照偏少云雾多，春来较早多夜雨，夏季炎热多伏旱，秋季凉爽多绵雨，冬无严寒少霜雪。无霜期长，具有典型的季风气候特征。早春季节，冷空气活动频繁，常有局部大风、冰雹；初夏常有连阴雨；盛夏多伏旱，常有酷暑；秋季多绵雨；冬季少雪无严寒，日平均气温都在0℃以上。

工程区多年平均降雨量1226.4mm，多年平均气温17.4℃，极端最高气温44.1℃(1953年8月19日)，极端最低气温-3.8℃(1977年1月29日)；多年平均相对湿度78%；多年平均蒸发量(20cm蒸发器)987.8mm；多年平均风速0.8m/s，多年平均最大风速13.2m/s，多年瞬时最大风速33m/s(1992年8月16日)。

1.3 工程地质简介

拟建坝址属侵蚀-剥蚀中低山地貌的河流冲积河漫滩河谷地形。郁江近南北向流经坝址，河流流向约173°(与岩层走向斜交)，河谷为切向谷。河段较顺直，坝址河谷相对开阔，河谷剖面形态为不对称的“U”形。高程362m以下为冲洪积漫滩，地形坡度5°～8°，高程362～400m之间为崩坡堆积层，地形坡度为25°～30°斜坡，高程400m以上为基岩直接出露，地形坡度为55°～65°峻坡。

坝址河床宽135～180m，主流偏右岸，河底高程350.0～351.0m。河漫滩靠左岸发育且较宽阔，宽度50～130m，高程353～363m。坝址右岸山体雄厚，坡高而陡，坡度60°～75°，属峻坡～悬坡，坡顶最大高程450～550m，相对高差100～200m。

第①层：弱风化炭质页岩，泥质结构，含碳质成分，层厚6.0～7.0m，地基承载力标准值fk=1480kPa。

第②层：强风化页岩，泥质结构，层厚约2.0m，地基承载力标准值fk=250kPa。

第③层：浅表段冲积层砂卵砾石，低压缩性土，湿～饱和，松散～稍密，层厚4.0m。压缩模量10.3MPa，地基承载力标准值fk=200kPa。

第④层：下部段冲积层砂卵砾石，低压缩性土，湿～饱和，稍密～中密，层厚1.0～11.5m。压缩模量15.5MPa，地基承载力标准值fk=400kPa。

根据地质资料和基础应力分析计算，冲积层砂卵砾石地基承载力较低，不能满足闸坝基础的承载力要求及地基沉降要求，需要对闸坝基础的砂卵砾石地基进行处理，处理后的地基承载力不应小于400kPa。

按照“安全、经济、可靠、简便”的原则，经过对埋石混凝土置换基础和振冲碎石桩复合地基基础两种方案进行技术经济比较，选择施工较方便、工期较短、施工受外界条件干扰较小的振冲碎石桩处理地基方案。

2 振冲碎石桩设计

2.1 桩平面布置及面积置换率

根据目前国内振冲器设备现状，结合闸坝上部荷载及地基情况，碎石桩桩径确定为1.0m。从避免桩基础施工可能引起的松弛效应和挤压效应对相邻桩的不利影响和使桩群构成整体基础等方面考虑，桩距2.0m，呈等边三角形满堂布置。根据拟定的桩径及桩间距按下式进行面积置换率计算：

(1)

式中，m—面积置换率；d—桩身平均直径，取1.0m；de—单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，等边三角形布桩，de=1.5s，s为桩间距，取2.0m。

通过计算，本基础的面积置换率m=0.227。

2.2 振冲范围及设计深度

根据基础的受力条件，基础的压力会向基础外扩散，需侧向约束条件保证，同时考虑基础下靠外边桩挤密效果较差，设计地基处理范围为基础范围外缘扩大3排桩。闸坝基础右侧为重力坝段基础置于基岩，左侧为厂房坝段，基础置于基岩，故闸坝左右侧外缘不需要扩大地基处理范围，闸坝底板上游防渗墙限制，闸坝上游侧不扩大地基处理范围；因此，仅在基础范围上下游侧外缘扩大3排桩，则基础处理面积为72.0m×47.0m。碎石桩控平面布置如图3所示。

闸坝基础下砂卵砾石，最大厚度约13.0m。根据承载力要求，碎石桩基础嵌入置于强风化页岩2.0m。扣除闸坝底板及垫层厚度后碎石桩最大桩长约10.0m。

图3 碎石桩平面布置图

2.3 复合地基承载力计算

振冲碎石桩复合地基承载力特征值按散体材料增强体复合地基承载力计算。计算公式如下：

fspk=[1+m(n-1)]fsk

(2)

式中，fspk—复合地基承载力特征值，kPa；fsk—处理后桩间土承载力特征值，取300kPa；n—复合地基桩土应力比，取2.5；m—面积置换率。

通过计算，fspk=402kPa>400kPa，满足工程设计要求。

目前长湖水电站闸坝基础加固已完成生产性实验，从检测结果看，当复合地基最大荷载加载至850kPa时，地基最大沉降为10.2mm。处理后复合地基承载力特征值为425kPa>400kPa，满足地基承载力设计要求。

2.4 地基沉降计算

振冲碎石桩复合地基最终沉降量按下式计算：

(3)

(4)

式中，Ai—第i层复合土层附加应力系数沿土层厚度的积分值；Aj—加固土层以下的第j层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；Espi—第i层复合土层的压缩模量，MPa；Esj—加固土层以下的第j层土的压缩模量，MPa。

表1 复合地基沉降计算经验系数表

复合土层的压缩模量Esi可按下式计算：

(5)

式中，Espi—第i层复合土层的压缩模量，MPa；fspk—复合地基承载力特征值，kPa；fsk—基础底面下天然地基承载力特征值，kPa。经计算，本复合地基沉降计算经验系数ψsp=0.25，地基最终变形量s=12.1mm<150mm，满足工程设计要求。

3 结语

振冲碎石桩是进行软土地基处理最常用的方法之一，具有施工简便、投资省、施工进度快、避免大开挖和深基坑等优点。上世纪70年代以来，振冲碎石桩在国内水利、交通、建筑等行业地基处理中得到了广泛的应用。受振冲器和施工水平的限制，在中等密实和稍密实的砂卵砾石地基中使用较少。近年来随着振冲器生产技术和施工技术水平的不断积累，振冲碎石桩复合地基在越来越多的砂卵砾石地基中使用。振冲碎石桩处理后的复合地基提高了地基承载力，加快地基固结并减少了地基沉降，在水利工程的砂卵砾石地基中可结合地质及施工条件推广使用。