息县枢纽工程地基处理方案比选与试验

王根华，余小明

(中水淮河规划设计研究有限公司,安徽 合肥 230601)

1 工程概况

息县枢纽工程位于河南省息县东南的淮河干流上，是一座以城镇供水和农业灌溉为主、兼顾改善生态坏境的大型骨干水源工程，主要建筑物包括拦河节制闸、鱼道、生态基流设施等，同时在枢纽左右岸分别布置有船闸和电站。节制闸正常蓄水位39.20m，设计流量9300m3/s，校核流量15600m3/s，共布置26孔、每孔净宽15m，闸室总宽469m，蓄水库容1.2亿m3。

2 地质概况

工程区位于秦岭纬向构造带与新华夏系第二沉降带的复合地区，基本地震动峰值加速度为0.10g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

3 闸基特性与处理方案比选

3.1 闸基特性分析

河床内松软状中细砂、淤泥质土，总厚度4.8～8.0m，属软弱地基，为闸基的主要持力层；闸边孔和翼墙处于河岸及滩地上，持力层为稍密～中密状④层中粗砂、⑤层中密状粗砂。闸基具有以下特性：①河床内上部淤泥质土标贯击数1～3击，液性指数为1.20，下部砂土标贯击数4～7击，在7度地震条件下，存在淤泥质土震陷、砂土液化问题，液化等级属中等～严重；②淤泥质土、松散砂土抗剪强度低、允许承载力60～80kPa，属中等～高压缩性土：③河床内因多次采砂，且每次采砂深度、程度不同，导致采砂点周围的砂土和淤泥质土的分布厚度变化大，上部淤泥质土厚度多在2.0～2.5m，下部砂土受到不同程度扰动，强度差异较大；局部未采砂或少，基本保留原状砂土特性；多处采砂范围大且深，其中靠近右岸采砂深度近至粘土层，淤泥质土厚达4m，与河岸的砂土工程特性差异大，经理论计算，这两部位闸基沉降量分别为150余mm、21mm。故闸基地层结构复杂、均匀性差、沉降及不均匀沉降问题严重。

3.2 处理方案比选

工程设计要求，在7度地震条件下砂土不液化，闸室下砂土相对密度≥0.70，基底压力：闸室和翼墙为180～200kPa、铺盖、消力池等部位为125kPa，河床内软弱地基和河岸滩地④层中粗砂地基不能满足建筑物的要求，需对其进行加固处理。针对闸基土特性，并综合考虑工期(汛前完成主体工程)、经济等因素，在比选灌注桩和复合地基方案基础上，重点选取换填法、振冲法、强夯法进行比选，地基处理方法比选见表1。

通过表1分析，仅用单种地基处理方法，难以完全解决闸基存在的地质问题。强夯法因施工时震动大会影响基坑边坡稳定和损坏降水管井而被否；换填法因基坑深达13.0m，若换填全部软弱土层，从施工、质量控制、安全方面考虑均不利，但可换填河床上部淤泥质土；振冲法对河床内下部松散砂土和河岸砂土加固效果好，若两者结合可解决闸基存在地质问题。振冲法填料可采用碎石、中粗砂等，因碎石运距远且紧缺，碎石桩造价相对高、工期难保证，而场区中粗砂储量丰富就地取材，且砂桩与天然地基土质相近，地基均匀性更好，综合上述分析，确定采取清淤换填砂与振冲挤密砂桩联合处理方案，即采取3步骤处理：①先清除河床内上部淤泥质土和含泥量高的砂质土，②回填中粗砂至设计建基面以上1.5～2.0m，③采用振冲挤密砂桩加密处理。

4 现场试验研究

为研究分析河岸原状砂土与河床内回填砂基采用振冲挤密砂桩的加固效果、优选桩间距和施工参数，使得处理后的闸基既满足设计要求，又经济合理，选在两典型地基河岸原状砂土和河床内回填砂土上进行了现场试验，分别为A和B试验区。

4.1 试验方案

A试验区原始地面高程30.0～38.0m，开挖后试验区平台高程28.0m，主要针对④层中粗砂层。按桩间距1.7、2.5、3.0m三种工况(编号为A1、A2、A3)，正三角形布桩，桩径1.0m，A1、A2区靠近河岸滩地上，A3区在岸坡底部，每个区布置4排共16桩。

B试验区位于河床内回填砂区，按桩间距1.7、2.5m两种工况(编号为B1、B2)，正三角形布桩，桩径1.0m，桩底进入粘土层不少于0.5m。

主要施工参数：施工采用75Kw振冲器，空载电流为50A；造孔水压0.4～0.6MPa、速度不超过2m/min；加密电流90A，加密水压0.2～0.4MPa，加密段长30～50cm，留振时间10～15s，提升速度1.2～1.5m/min。主要施工工艺：①造孔：开启高压水泵冲水，待振冲器运转正常后徐徐贯入土中至设计深度后上提0.3m，留振20s；②清孔：造孔结束后，慢速振冲上拔至孔口处，再以较快速度从原孔贯入，使桩孔贯通；③填料加密：向孔内倾倒中粗砂填料，然后用振冲器反插下沉至设计深度后上提0.3～0.5m，留振20s后依次按段0.5m上拔，边振密边向孔内填料，每段留振10～15s，直至孔口处，再留振60s；④再次振冲下沉至加密电流变大部位，重复步骤③后成桩结束。

试验桩施工时砂层中加密电流一般大于空载电流5～14A，加密电流达不到预定90A，至底部遇粘土层时，造孔电流高，桩底瞬时可达125A，同时加密电流也相应增高，一般大于空载电流20～30A，其它施工参数与设定的施工参数一致。局部桩施工时返出较稠泥浆、存在缩孔、填料量偏小及有大量细砂颗粒带出等问题，分析认为这与砂层中有淤泥质土夹层、透镜体、填料加密时段水量或水压偏大有关，另认为留振时间偏短，周围砂土未完全液化，影响范围小，这均不利于振密的效果，为此对施工工艺和参数进行改进，对步骤②要求清孔返水不浑浊后方可进入下一步工序，如遇缩孔，原地悬挂留振5～10s，以有利于振冲洗孔扩大孔径；步骤③④均振冲下沉至孔底，再依次按段0.5m上拔，调低加密水压，控制在0.1～0.2MPa，留振时间1.7m桩距20～25s，2.5m桩距25～30s。

4.2 质量检测

(1)地基加固处理后，抽取部分桩体、桩间土进行质量检测，桩体采用重型动探试验，从桩顶到桩底连续进行，桩间土采用标贯试验，检测点在正三角形中心，每米试验一次。A、B区桩体、桩间土检测成果分别见表2—3。

表1 地基处理方法比选

(2)静载试验均为单桩复合地基试验，其承压板面积与单桩处理面积一致，1.7m桩间距载荷板面积2.50m2，最大试验荷载按闸室、翼墙设计基底压力的2倍加载；2.5、3.0m桩间距载荷板面积分别为5.41、7.79m2，最大试验荷载按铺盖等部位设计基底压力的2倍加载。现场静载试验采用慢速维持荷载法，达到预期最大试验荷载且稳定后终止加载，复合地基静载荷试验P-S曲线如图1所示，试验曲线平缓光滑，无明显比例界限，故取最大试验荷载的一半为其承载力特征值，试验成果汇总见表4。

表2 A区主要施工参数及15天桩体、桩间土检测成果表

表3 B区桩体、桩间土检测成果表

表4 复合地基静载试验成果汇总表

图1 复合地基静载试验P-S曲线

(3)砂土的相对密度试验采用灌砂法，现场挖探坑在坑内从桩顶开始每间隔0.3m取样试验一次，坑深1.2m。试验结果：桩间距1.7m、2.5m、3.0m工况下分别为0.70～0.83/0.75、0.58～0.72/0.64、0.53～0.66/0.60。

(4)根据检测成果，处理后闸基强度显著提高，河岸和河床内两部位闸室地基沉降量分别从21mm、150余mm降到6.50～12.27mm，沉降、不均匀沉降量显著降低。桩间距1.7、2.5、3.0m工况下，桩间土标贯击数平均分别27、24、21击，达到中密～密实状态，经计算，在7度地震条件下，砂土不液化。

4.3 试验成果分析与研究

根据工程地质勘察资料，地基处理前各试验区标贯击数平均值：A1和A2区为20击、A3区13击，B区6击，现通过与地基处理后的质量检测成果对比，着重探析桩体、桩间土强度与砂土初始密度、桩间距的关系，并选取施工参数。

(1)桩体强度与砂土初始密度、桩间距的关系

15天的桩体动探击数A1、A2分别为24、25击，B1、B2区分别为14、13.8击；A1与A2相差4.2%，B1与B2相差2.8%，A比B区高约71%。由上分析可知，桩体强度与砂土初始密度呈正比，桩间距对桩体强度影响不明显。

(2)桩间土强度与砂土初始密度、桩间距的关系

15天的桩间土标贯击数A1、A2、A3区分别为27、24、21击，比原状砂土分别提高了35%、20%、61%；B1、B2区分别为26.4、23击，比松散砂土分别提高了340%、283%；同一桩间距条件下，A、B区差值<4.2%。由上分析可知，桩间土强度的提高值与砂土初始密度呈反比，即松散砂土加固效果显著；在相同桩间距、施工工艺条件下，不同初始密度砂土加固后的桩间土强度相差甚小。

(3)桩体、桩间土强度随时间增长的关系

桩体、桩间土随时间增长而增大，但15天后桩体，桩间土强度增长不明显，因此可以把15天桩体、桩间土检测强度作终值强度。通过分析表3成果可知，5、10天内桩体强度可达到终值强度81%、91%左右，桩间土可达到终值强度72%、80%～85%。

(4)施工参数的选取

振冲挤密砂桩法加固机理主要是在振冲器的振动和水冲力作用下，能够在砂层中产生超孔隙水压力，使得振冲器附近砂土发生短暂液化或结构破坏，砂颗粒在自重和振冲器震动挤压作用下重新排列，孔隙减小，从而提高砂土密实度；此外是依靠振冲器的反复强迫水平振动将填料侧向挤压振动挤密。从加密机理上，较易理解为何桩体强度与砂土初始密度成正比，因砂土初始密度大，成桩过程中受周围砂土约束效果好，另固定的振冲器振动能量、频率是不变的，其影响程度将随距离增大而减弱，故桩间距对桩间土强度的提高起着关键作用。

振冲挤密砂桩施工参数主要包括水压、留震时间、加密电流等，各参数间相互关联和制约。振密制桩时，保持适量的水压或水量主要作用是，使填料在饱和条件下沉入以便振捣密实及将泥浆带出并能够防止泥浆反压进入喷水管内，对于细粒含量较高的砂土，过高的水压，易把大量细粒带出而使砂土颗粒级配不良，影响加密效果；要确定最佳的留振时间是很难的，因留振时间短，周围砂土不能完全液化、影响范围小，而时间过长，不但降低施工功效，亦不一定能达到更好的效果，试验桩施工过程中专门做过留振时间延长到30～60s的试验，结果加密电流基本保持在60A左右不变，有的却随时间延长变小了，在A区砂层相对较密，密实电流很快就能达到60A左右，但留震时间短，桩径变小。通过对比施工工艺和参数改进前、后的桩间土标贯击数，近7天龄期1.7、2.5m桩间距分别从19击提高到24击、19.5击提高到22.6击，提高了16%～26%。因此对于松散砂土，控制加密水压0.1～0.2MPa、留振时间20～30s作为主要施工参数，而加密电流仅为辅助参数，加固效果提高还是较明显的。

振冲挤密砂桩作为复合地基，是桩体、桩间土共同承担着地基上部建筑物荷载，因此可根据不同桩距的加密效果，通过调整桩距，即调整桩、土分担荷载比例，使其同时满足基底压力、沉降变形、抗震设防的要求。根据质量检测数据，振冲挤密砂桩对松散砂土加固效果更好，强度提高多，但观察图1中P-S曲线可以发现，同一桩间距条件下，复合地基承载力A区还是较明显大于B区，且桩间距小时更明显，A区3.0m桩间距与B区2.5m桩间距基本接近。若振冲挤密砂桩按相对变形值取0.01b(b为承压板边长，当b大于2m时，按2m计算)或用标贯击数确定，2.5m桩间距复合地基承载力亦能满足闸室部位设计荷载要求，对应沉降量在14～20mm，但桩间土的相对密度不满足闸室部位≥0.70的设计要求。1.7、2.5、3.0m桩间距复合地基承载力远大于铺盖等部位荷载要求，砂土均不液化。本工程型体、结构复杂，加固面积大，对不均匀沉降要求高，经综合考虑施工工期、经济合理性等方面因素，确定采取1.7m桩间距处理闸室和翼墙、2.5m桩间距处理铺盖等部位的组合为最优方案。

5 结语

75kW双头振冲器施工振冲砂桩，可采用0.1～0.2MPa加密水压、20～30s留振时间作为主要施工参数达到加密效果。现场试验表明，1.7、2.5m桩间距，正三角形布置，取三角形中心点进行桩间土标贯试验，击数可达23～26.4击，达到中密～密实状态，比松散砂土提高3倍左右，并消除了砂土液化、地基强度得到很大提高，同时采用双头振冲器施工，工效得到提升，缩短了工期。现闸主体工程已完工，观测沉降及不均匀沉降变形均较小，表明采取的地基处理方案和施工参数是合理有效的。