宋禄根
云南建投第一水利水电建设有限公司 云南昆明
摘要：湖积层淤泥质软土地基具有承载力低，排水性差、流动性大的特点，作为大坝基础来说极不稳定。由于实际工程条件的限制，大坝修建避免不了软土地基的存在。因此，为保证基础及以上建筑物的稳定，修建大坝前，需对基础进行一系列的加固，确保其强度满足筑坝要求。
关键词：文海水库，湖积层，地基加固，振冲碎石桩，高压旋喷桩
1 研究背景
淤泥质软土具有承载力低，排水性差，流动性大的特点，作为大坝基础来说，需具备一定的承载力及强度。对于大坝来说，基础是关键，如何通过有效的措施，解决现状软土基础承载力、强度等问题，是大坝设计的重点与难点。目前软土地基加固的方法多种多样，但针对不同的基础，如何确定最有效适合的方法，还需结合工程实际及工程条件，不断试验论证，最终确定出合适有效的方法，保证基础及上部结构的稳定。
2工程实例
2.1 工程背景
文海水库位于云南省丽江市玉龙县城白沙乡文海行政村境内，是一座以农业灌溉为主的水利枢纽工程，水库设计总库容1217.0万m³，大坝为均质土坝，坝顶高程3088.00m，坝顶长973.9m，宽5.0m，含截水槽最大坝高13m，不含截水槽最大坝高14.5m。大坝上下游坝坡均为1:3.0。
0+100.043～0+924.002m里程段坝基主要为软～流塑状湖积淤泥质黏土层（Qpl+1），厚度10～97.3m（中部大于97.3m）。根据昆明西堪工程检测技术研究所静力触探和十字板剪切原位测试报告分析：“①、坝基同一深度处，各部位土层的CU值分布不均，变化较大。②、CU值整体呈深度渐大的趋势，局部偏小”。根据中国水利水电科学研究院水利部水工建设与安全重点试验室对坝基淤泥质软土试样的试验结果分析得出：“①、文海水库坝体软基的固结不排水剪强度指标中有效内摩擦角φCU为11.1～15.0°，凝聚力CCU为6.0～31.0KPa；不固结不排水剪强度指标中有效内摩擦角φU为0.9～1.5°，凝聚力CU为20.0～36.0KPa；饱和固结不排水剪强度指标中有效内摩擦角φd为16.1～16.7°，凝聚力Cd为12.0～16.0KPa；软基属于典型淤泥质土，在这种软基上筑坝容易出现不均匀沉降，坝体的边坡稳定问题也会比较突出。②、现场十字板剪切试验分析，坝基同一深度处各部位土层的CU值分布不均，起伏较大，在0+500～0+800m里程段坝基3～4m深度处土层CU值明显偏小，其上修建坝体可能会出现较大的沉降，同时发生坝坡滑坡的可能性也较大。③、基础压缩性较大，固结时间长，使得坝体在填筑过程中基础有较大的沉降，在后期运行中仍会有一定量的沉降”。
2.2 基础加固方法确定
针对文海水库基础情况，基础加固的重点在于地基承载力及抗滑性能两个方面。对于深层软土地基，常用的加固方法为深层密实法，即采用爆破、夯击、挤压和振动及加入抗剪强度高的材料等方法，对地基深层的软弱土体进行振密和挤密的地基加固方法称为深层密实法。通过振动、挤压使地基中土体密实、固结，并利用加入的具有高抗剪强度的桩体材料置换部分软弱土体中的三相(气相、液相与固相)部分，形成复合地基，达到提高强度的目的。
由于工程区软基较深，综合考虑施工难易及造价问题，在大坝基础范围内采用振冲碎石桩加固，同时为防止坝坡滑动及基础滑移，在大坝上下游增设反压平台，并在反压平台基础进行高压旋喷桩加固，提高基础抗滑能力。
3 基础加固实施内容
3.1 振冲碎石桩
（1）桩前试验
为保证碎石桩质量，在施工前进行振冲试验。结合规范及文海水库实际选定振冲试验区，并拟定2.2m、2.0m、1.8m三种间排距进行试桩，试验布置在在大坝基础左岸、右岸及河床部位。左岸为0+226.331～0+241.331m段坝轴上、下游3.4m外15×15m坝址部位，上游桩距2.2m（共56棵桩，桩深8～10m），下游桩距2.0m(共67棵桩，桩深8～10m)；右岸为0+644.915～0+659.915m段坝轴上、下游3.4m外15×15m坝址部位，上游桩距2.0m（共68棵桩，桩深8～10m），下游桩距2.2m（共52棵桩，桩深8～10m）；河床为0+535.646～0+550.646m段坝轴上、下游3.4m外15×15m坝址部位，上游桩距1.5m（共120棵桩，桩深8～10m），下游桩距1.8m（共80棵桩，桩深8～10m）。试验区布桩结束后，进行桩体重型动力触探试验、桩间土标准贯入试验、复合地基承载力试验及桩间土土工试验。根据试验报告，1.8m桩距处理后地基承载力基本满足设计地基承载力要求。桩径满足“桩长范围内平均桩径1m”的要求。
通过试验确定振冲桩相关参数后，在大坝基础范围内进行大面积振冲碎石桩加固处理，振冲碎石桩满堂布置于大坝基础范围内。施工中为确保成桩质量，对桩位偏差、成桩深度、填料质量和数量、施工工艺参数进行严格控制，并且在施工过程中对桩体密实度和桩间土加密效果进行跟踪抽检。
（2）施工质量控制
施工质量方面，对碎石原材料进行全程跟踪检测，检测项目主要包括岩石物理性能检测、碎石含泥量检测和碎石颗粒筛分试验；其检测数据如下：①、岩石干抗压强度值在90.9～98.5MPa之间，平均为94.3MPa，饱和抗压强度在81.1～90.8MPa之间，平均为86.2MPa，满足《工程地质手册》（第四版）坚硬岩强度要求；②、碎石超径含量值为0.7%～2.6%，逊径含量为2.8%～6.4%，满足设计要求；③、碎石含泥值为2.1%～4.1%，满足设计要求。
（3）振冲处理效果检验
振冲处理完成后，对桩体、桩间土以及复合地基承载力及强度进行检测。成果如下：
①、桩体密实度检测采用重型动力触探检测，所测单桩平均锤击数为9.13击，满足设计“≥7.14击”要求。
②、桩间土采用标准贯入试验，所测单点平均锤击数为1.6～5.4击；桩间土样做全物理性能分析报告；根据振前、振后试验数据分析，桩间土挤密效果明显。
③、复合地基承载力试验采用大型承压板静载试验检测。河床段1.8×1.8m桩距复合地基承载力检测共7组，其特征值均为153KPa，沉降量为6.0～11.1mm，满足设计（≥146KPa）要求。
④、对桩距、桩径按总桩数的2%进行开挖检查，实测桩距偏差为2～8cm（规范为±10cm），单桩平均桩径为1.18～1.20m，根据《水电水利振冲法地基技术规范》DL/T5214-2005第5.0.4条面积置换率计算公式计算，文海水库振冲碎石桩施工区综合面积置换率为39.5%～40.3%，其桩距、桩径和面积置换率均满足设计要求。
3.2 高压旋喷桩
（1）旋喷桩处理前基础情况
经振冲碎石桩处理后的基础承载力得到较大提高，但由于洪湖基层淤泥质软土具有较大的流动性，加之大坝上游基础含水量高，基础排水困难，大坝基础范围之外一定范围易发生深层滑移破坏，影响大坝结构稳定。
结合基础及大坝地质参数分析计算大坝滑动稳定。分析计算采用Autobank7.07有限元法，计算工况选定最危险工况：①设计洪水位+Ⅷ度地震，下游坝坡；②正常蓄水位降至死水位+Ⅷ度地震，上游坝坡。计算断面分区详见图1，分区物理力学参数详见表1，计算成果详见图2、表2。
表2 坝坡稳定分析成果表
位置工况计算值规范值[2]
下游坝坡设计洪水位3086.14m+Ⅷ度地震1.241.15
上游坝坡正常蓄水位3085.79m降至死水位3080.60m+Ⅷ度地震1.391.15
根据稳定计算成果，虽然大坝坝坡滑动安全系数满足规范要求，但上游部分滑弧范围过大，加之上游基础含水量高，流动性大，在施工存在基础深层滑移的可能性。为保证大坝安全，在坝基之外上下游部位，即反压平台基础处进行加固是极为必要的。结合本工程淤泥质软土特性及施工条件，采用高压旋喷桩进行加固处理具有一定的优势。
（2）高压旋喷桩实施内容
高压旋喷桩在施工前须明确施工参数，首先根据基础情况确定处理深度及平面布置，拟定桩径及桩身强度，然后进行高喷试验确定喷射压力、浆液流量、喷嘴直径、喷嘴个数、旋转速度、提升速度、水灰比、桩径、水泥土无侧限抗压强度等参数。
（3）高压旋喷桩处理深度确定
旋喷桩处理深度依据昆明西勘工程检测研究所《丽江市玉龙县文海水库原位测试报告》静力触探成果，静探锥端阻力小于0.5～0.6Mpa的相对软弱层分布深度约为反压平台下12～18m，旋喷桩底界须穿透相对软弱层一定深度，进入相对硬层。处理底界线选取参数标准为： 锥端阻力qc≤0.8Mpa，侧壁摩阻力fs≤20KPa，比贯入阻力ps≤1.0MPa，同时参考丽江市水利水电勘测设计研究院进行的地质钻探成果及十字板剪切试验成果，本工程高压旋喷桩最大处理深度为27m。
（4）高压旋喷桩布置
根据稳定计算结果，考虑文海水库基础条件，本次旋喷桩区处理范围为0+350.00～0+910m。为防止施工对坝体造成抬动，影响大坝安全，旋喷桩以上、下游坝坡与反压平台交界处外延8.5m为起点向外布设，上、下游各3排，桩孔间排距均为2.5m，梅花型布置。结构布置布置详见图3。
土质单管法（Mpa）双管法（Mpa）三重管法（Mpa）
砂性土3～74～105～15
黏性土1.5～51.5～51～5
结合淤泥质软土地基情况，拟定桩身直径≥1m，桩身强度≥1Mpa。
（6）高喷试验
本工程先后共进行了五次高喷试验，总结各次试验成果及经验，第五次试验最终确定了适宜施工的相关参数。
第五次试验采用双管法，共布设10棵试验桩，分别为：上游浅桩区（桩身≤19m）2棵，深桩区（桩身≥19m）4棵；下游深桩区4棵。另外在上游补桩5棵用以检测单桩单喷段和复喷段的成桩质量。试验前拟定水泥耗量510-550kg/m，单喷压力28MPa，注浆流量55L/min；复喷压力18MPa，注浆流量40L/min；底部静喷3min；水灰比为0.9:1，浆液密度1.55g/cm³。试验结束28d后对试桩区进行钻孔取样，检测成桩直径及强度，并根据检测成果及设计要求不断调整，直至得到最优施工参数。
（7）高压旋喷桩施工质量控制
施工中，由于淤泥质软土地基渗透系数很低，喷射进入桩身范围的水泥土浆液不能在成桩过程中迅速失水，截至终孔浆液仍然是含水量很高的混合浆液，同时伴随着整体井孔的缩径，桩身直径呈现上粗下细的状态；处于液态的水泥土浆液在凝固之前因为含水量高，而发生层析，桩身下部主要集中了缩径和下沉而来的土料，相对密度稍高；桩身上部主要是含水量较高的水泥浆在排水之前硬化而成，形成的是较为疏松、相对密度稍低的水泥硬化体。桩身整体强度不均匀。针对桩身质量、强度不均匀的问题，根据水泥浆液配比掺入适量水玻璃，加快水泥凝结速度，提高水泥土早期强度。
（8）高压旋喷桩处理后成效
高压旋喷桩施工结束后，进行强度及桩径检验，上下游施工区各划分15个单元，每个单元取一个检查孔，在桩体龄期28天后,采用钻探取芯,每一检查孔取桩径（0.45m）或桩心（0.25m）检查，各单元交替检查桩径或桩心，判断鉴别桩体的桩长、完整性、水泥掺入量、桩体是否夹泥等情况；在桩体龄期90天以后，进行室内无侧限抗压强度试验,经检验，桩体强度均满足要求。
4 结论
振冲碎石桩置换法具有施工机具简单、操作方便、加固质量易控制的特点，能适应建筑工程中的各类土层，加固时不需钢材水泥等大宗材料，仅需用当地产的碎（卵）石，工程造价低，具有明显的经济效益和社会效益。
高压旋喷桩成桩速度快，强度高。经其加固的土体，成桩直径大，阻水性好，固结强度、单桩承载能力高，固体化学稳定性好，有较强的的抗冻和抗干湿循环作用的能力，且在加固既有建筑物基础时，对建筑物影响较小。
就文海水库基础情况来说，两种加固方法相结合，各发挥其所长，最终达到基础承载力、抗剪强度均满足要求的目的，保证了大坝的安全及稳定。
参考文献：
[1]余暄平.国内外高压旋喷技术的发展现状与趋势.城市道桥与防洪，2006（04）:185-189.
[2] 碾压式土石坝设计规范（SL274-2001）.中国水利水电出版社，2001.
[3]陈昌富.地基处理.武汉理工大学出版社，2010.2
论文作者:宋禄根
论文发表刊物:《防护工程》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/25
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