水工建筑物设计中地基处理振冲加固技术研究

陈亮帆

（河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098）

水工建筑物是为了开发再利用水资源、控制水流预防水患所建设的建筑物，在能源再利用和国土安全保护中承担着重要作用。而地基作为决定建筑安全性和稳定性的核心，需要严格按照设计应用加固技术处理。水工建筑地基不同于普通建筑地基，不仅需要保证良好的承受力和稳定性，更需要具备防渗透性能，以适应环境要求，因此需要灵活应用地基加固技术，保证水工建筑物安全性。

1 水工建筑物设计

水土建筑物主要是指用于承载水力、保护水资源的建筑物，在农田灌溉、水坝建设中发挥着重要的作用。因功能不同常被分为挡水建筑物、进水建筑物、取水建筑物等多种类型。通常情况下，在设计水土建筑物时需要从以下两个设计标准着手。

（1）等级要求。在设计水土建筑物时应结合实际抗洪防护标准选择适合的水土建筑物设计等级。针对1～4级的水土建筑物，若遭遇洪水，可在建筑物修复环节对其进行标准下调操作，并以最低标准作为洪水设计依据，这样才能展现出水土建筑物的防护优势。比如，2级水土建筑物的土石坝高度若≥90m，应在原有基础上增加一级设计标准。

（2）安全系数。水土建筑物在设计期间还需注重其安全性，除了需要具备良好的防洪抗滑功能，还应具有较高的抗侵袭强度，便于水土建筑物在防洪作业中体现出有效的防洪排泄作用。一般在设计抗滑安全系数时，应参照建筑物建造标准及防洪要求对水流面的摩擦阻力进行确定。同时，还可选择高强度材料，进而增强水土建筑物安全性。

2 水工建筑物常见地基加固技术

2.1 土基加固

若现场软土厚度较小，可将软土挖出，更换为黏土、砂土、砂壤土等具有较高含水量的土料。一般情况下，厚度为1～2m的软土，可进行更换。回填时注意要分层填筑，控制夯实质量，同时注意施工过程中的排水。也可使用砂井预压法，在软土层内安装砂井，使用水射法进行造孔，孔深达到设计的深度后，需要将孔内沉积物清除，使用级配良好的粗砂和中砂进行灌注，形成砂井。砂井顶部需要比地面高，在砂井区域铺装0.5～1cm厚度的砂垫层，让各个砂井连通，作为排水层。结束施工后在垫层堆积荷载，荷载值可取设计荷载的1.2～1.5倍[1]。还常用桩基础法加固，尤其是松软地基，该方法能够有效减少沉降量，提高水工建筑稳定性。桩顶水平位移要控制在0.5mm之内，计算出桩尖平面地基沉降量及压应力，不允许超过地基土荷载量。水工建筑地基条件差，多利用板桩式作业，将预制钢筋混凝土施工为连续墙，以提高建筑加固性能。

除此之外，振冲挤密法也较为常用，振冲置换法主要使用碎石和砂砾材料，使用振冲器进行填充，和原土构成复合地基，同时使用加固地基进行排水，使之具备良好防渗能力。这一加固技术适合应用于粉土、黏性土以及饱和黄土等。利用振动和压力挤密砂颗粒，经过重新排列后，可有效减少孔隙，提高建筑防渗加固能力。一般情况下，选择现场砂、碎石、矿渣等材料施工，根据工程需要准备设备，调节地基深度。经过处理后，地基宽度满足扩散应力需求及施工作业需求，以提高建筑加固水平。

2.2 岩基加固

岩基灌浆处理主要包括黏土灌浆、帷幕灌浆等方法，具体原理是使用具有胶凝性的浆液通过灌浆设备泵入孔隙中，经过硬化胶凝结，提高建筑地基防渗性能。地基使用时，遇到破碎带，不利于建筑安全，需要将破碎岩层清理至基岩上，刷涂水泥砂浆2～3层后，在岩基上开挖水槽，浇筑混凝土构成截水墙后，再进行灌注施工。

2.3 断层间隙加固

对于具备良好填充物胶结的断层，可以不另行处理。若断层填充物存在较大空隙率、松散性，还需要处理断层；若断层较浅，需要将断层完全清除，并使用混凝土进行回填；若断层透水深度较小，将断层填充物清除后回填砂浆或者混凝土；若断层透水性以及宽度较大，可以制作混凝土截水墙，但需要开挖3～5倍断层宽度。

2.4 泉眼裂隙加固

地基施工深度增加，会造成地基覆盖层变薄，地下水突破覆盖层通过裂缝涌出，形成泉眼。对此，可使用直接堵塞法，用水泥从外向内，直接封堵漏水点；也可使用排水过滤法，在泉眼位置挖坑，填补反滤层，经过过滤后，泉水夹带砂泥的水质变成清水流出，使用集水井抽出。若涌泉压力较高，可使用抽水灌浆方法进行处理。

3 水工建筑物设计中地基处理振冲加固技术的应用

3.1 施工准备

在设计水土建筑物的过程中应用地基处理振冲加固技术，可提高建筑物的稳定性与坚实度，由此确保在抵御外来水源侵袭期间展现出较强的防御效果，以免水资源肆意流淌而影响其利用率。在具体操作环节，应切实做好施工准备工作，以此为后期施工内容的有效落实创造有利条件。

（1）对水土建筑物施工现场进行有效清理，以免在布置振冲碎石桩阶段出现杂物而影响施工质量及施工进度。若施工范围内存在大量的淤泥等不易清理的物质，可采用抛石挤压法将淤泥挤出施工点，这样才能保证振冲加固技术的顺利应用[2]。待场地处理工作完成后，需对施工场地进行碎石填筑操作，之后再进行碾压处理，促使施工场地具有良好的加固基础。

（2）结合碎石桩的分布位置实施测量放样。一般施工人员常需要根据设计图纸上标注的碎石桩点位进行固定。其中需格外注意的是，测量放样时应以“标记法”为主，对每个碎石桩的布置点进行反复核对并标记，确保实际施工内容与设计图纸保持一致性。

（3）当确定好碎石桩位置后需对施工人员进行技术交底，促使施工人员在全面了解施工方案与振冲加固技术的应用技巧情况下合理处理地基，并保证振冲加固技术发挥出真正的强化地基紧密效果的作用，这样可最大程度地降低施工失误率。另外，在水土建筑物地基处理部分应用振冲加固技术还应事先准备好相应的材料与施工设备，包括起重机、振冲器、碎石填料、金属材料、复合材料等，从而在保障施工质量的基础上提高施工效率。

3.2 明确加固范围

采用振冲法进行加固，使用范围十分广泛，可用于细沙和含砾石的粗砂中。应用振冲技术可以将地基加固到最优质的状态，如果在加固地基时发现砾石之间存在阻力，导致地基松弛，建议将振冲技术用于土质挤密效果良好的区域。土质挤密效果较低时，抵抗填料的阻力越小，在打桩时就要用到越粗的桩体，以此提升土体和桩体的结合力，使地基更加牢固。一般情况下，桩体的抗剪切力度应当大于16kPa。在地基加固外围加宽4m，实现地基的满堂加固，也可以在外围加固几根振动桩和碎石桩，使地基不再松动。

3.3 计算地基荷载力

计算地基承载力时，应该保证承载力能够承受建筑压力，并采用式（1）计算。

式中：fkc和fkp分别为荷载力的标准值和碎石桩荷载标准值；AC为桩的作用面积；Ap为桩的截面积；m为面积置换；fak为天然地基承载力特征值。

3.4 计算孔位间距

计算打桩孔位间距时，应保持桩和桩之间有着足够的阻力，以此发挥桩体的承受能力。对于大面积的水工建筑，建议采用三角形地基，凭借三角形的稳定性加固地基[3]。使用振冲器时应根据土质情况，如果土质紧密，建议使孔的排布紧密一些，对于1.5m左右的孔，建议采用式（2）、式（3）计算孔和孔之间的间距。

式中：d为孔间距；a为系数，即等边三角形中系数为1.075；VP为桩的填料量，取值在0.3～0.5；V为地基在紧密度情况下的填料量；e0为土质孔隙比；ez为桩孔隙比；e为要求孔隙比；fke为填料桩标准荷载力。

3.5 确定桩长

按照地基土质确定桩长，若地基土壤为较深的软土，建议使用较长的桩；如果是较浅的软土层，且下面是岩石，可使用短一点的桩。在打桩时应当充分考虑施工经济成本，10m之内的桩经济成本较少。因此，施工中对于软土土质，建议使用10m以下的短桩，提高桩体的密度，保证地基承载能力。加强对振冲深度的控制，其大小和土质密切相关，如果土质砂层不是很深，建议将砂层振穿，实现对地基的全面加固；如果砂层比较厚，建议按照地质的实际情况，当地质抗震等级较高时，建议将砂层振穿。

3.6 填料施工

填料施工能够发挥碎石振冲效果，将桩体挤压到软土层中。受地基力的影响，石料间的相互作用可以更好地稳定地基。石料间存在孔隙，可影响水的渗透效果，如果振冲挤密疏松砂石地，建议将石料和砂砾混合填充，让小直径的砂砾填入大直径砂砾缝隙内[4]。砂砾具有较强的渗水能力，可以让地基不再积水。

3.7 质量控制

（1）对施工过程进行质量控制。施工期间严格控制水量，保持水量足够，避免出现塌孔问题。合理控制水压，根据地基土壤性质进行水压的调控，针对高强度的软土可以加强水压，针对低强度的软土减小土压。（2）做好施工的安全控制。为保证施工电压稳定，在超出电流状况时应当停止施工，合理预留留振时间，按照规定的深度控制施工。为了符合工程规定的施工设计深度，施工单位在作业期间应当采取有效的防护措施，防止在施工过程中有任何安全隐患问题出现。（3）对施工质量进行检验。在振冲碎石桩的1个月后进行质量检查，要求检验数量必须超过桩孔量的2%。地基施工后还应采用静载试验的方法对土质和桩质量进行检测，以此保证桩基施工质量能够达到工程的设计要求。

4 结束语

总而言之，在水工建筑物设计中采用地基处理振冲加固技术，有利于发挥振冲法的技术优势，提高地基稳定性，保证地基处理效果。对此，需要做好施工准备工作，明确加固范围，然后将振冲技术用于土质挤密效果良好的区域，科学计算地基荷载力和孔位间距，保持桩和桩之间有足够的阻力，按照地基土质确定桩长，通过填料施工发挥碎石振冲效果，以此提高工程施工的经济效益。