(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京　100044；2.北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京　100044；
3.云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，云南 昆明　650021)

　　飽和軟土具有高壓縮性、高靈敏度、高流變性和低強(qiáng)度、低滲透系數(shù)的工程特性，因此在軟基上施工面臨著孔壓過(guò)高、變形過(guò)大、抗力過(guò)小的難題。在堤壩施工期間，如果上壩速度過(guò)快，軟基內(nèi)的水無(wú)法及時(shí)排出，會(huì)使地基孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生開(kāi)裂、滑坡或者地基失穩(wěn)等事故。技術(shù)人員一直在尋找有效的工程措施，通過(guò)對(duì)軟基進(jìn)行處理來(lái)保證大壩的安全，主要方法有設(shè)置砂井加快排水、控制上壩速度、分期施工提高軟土的固結(jié)度和振沖碎石樁處理地基等方法。過(guò)去一般認(rèn)為振沖碎石樁不適宜加固軟弱黏土，被加固的軟土需要具有20kPa以上的天然不排水抗剪強(qiáng)度。劉復(fù)明等^[1]通過(guò)試驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，如果加大置換率，加速樁間土的排水固結(jié)，碎石樁仍可在淤泥地基中使用，可提高地基承 載力0.2～2.5倍。近年來(lái)，利用高置換率振沖碎石樁處理軟弱黏土地基的工程實(shí)例逐漸增多，但是在大壩壩基處理中卻仍然少有應(yīng)用。云南務(wù)坪水庫(kù)采用振沖碎石樁處理其厚達(dá)33.0m的湖積軟土地基，大壩填筑完成已有3年，運(yùn)行和沉降觀測(cè)都表明效果很好。本文主要介紹務(wù)坪水庫(kù)軟基加固處理方案及其驗(yàn)證，以及振沖碎石樁的檢測(cè)結(jié)果。

1 工程概況

　　務(wù)坪水庫(kù)位于云南省西北部的華坪縣境內(nèi)，為中型三等工程，水庫(kù)總庫(kù)容4990萬(wàn)m³，主要用于農(nóng)業(yè)灌溉。攔河壩為黏土心墻碾壓堆石壩，設(shè)計(jì)壩高52.00m，壩軸線長(zhǎng)210.00m，壩體最大橫斷面282.00m，壩體典型剖面見(jiàn)圖1。

　　務(wù)坪水庫(kù)壩址區(qū)的地質(zhì)條件十分復(fù)雜，分布著滑坡群和深厚湖積軟土層。壩軸線上游左岸分布有體積達(dá)10萬(wàn)m³的3號(hào)滑坡、9號(hào)滑坡，右岸分布有5號(hào)滑坡及可能滑坡體積達(dá)23萬(wàn)m³的不穩(wěn)定山體。右壩肩存在2號(hào)和4號(hào)滑坡，右壩肩下游側(cè)為滑動(dòng)面寬42m、體積123萬(wàn)m³的1號(hào)滑坡。壩軸線上游分布著面積超過(guò)0.4km²湖積層軟土，其最大埋深33.0m，一般埋深達(dá)20.0m，而且這種軟土遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到自重固結(jié)，孔隙比在1.5～2.0之間，天然含水量一般為60%～80%，呈流塑狀，不排水抗剪強(qiáng)度c_u不到20kPa。

　　在軟土地基上修建最大壩高52m的大壩，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有先例，已建成的加拿大Lornex尾礦壩壩高43m^[5]、我國(guó)浙江紹興湯浦水庫(kù)壩高37.2m^[2]，均小于務(wù)坪大壩的高度。國(guó)內(nèi)外軟基筑壩工程實(shí)例見(jiàn)表1。

表1　國(guó)內(nèi)外軟基筑壩工程實(shí)例

　　由于沒(méi)有其它可以比選的壩址，壩體不得不座落在相對(duì)較強(qiáng)的滑坡堆積體土層和軟弱的湖積軟土層這兩種強(qiáng)度和變形特性相差很大的不均勻地基上。如何處理極為軟弱的淤泥質(zhì)黏土地基，提高地基承載力和抗剪強(qiáng)度，解決兩種不同地基土層的差異沉降是務(wù)坪工程中最大的難題。

　　湖積層軟土分布于壩軸線上游的務(wù)坪盆地，沉積于老河床的砂卵礫石之上。為查明湖積層軟土的組成、性質(zhì)、分布范圍以及物理力學(xué)性質(zhì)，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，先后在20多年的時(shí)間里對(duì)壩軸線上游的湖積層軟土區(qū)進(jìn)行了68孔共1593m的鉆孔勘探工作。根據(jù)勘探結(jié)果，由岸坡至河床軟土層厚度逐漸變大，最大厚度33m，一般8～20m。典型地質(zhì)剖面如圖1所示。從地表至老河床沖積層共分3個(gè)大層，即：①粉土層，厚10m，夾黏土、樹(shù)葉及砂礫層；②粉質(zhì)黏土層，厚7～12m，夾透鏡狀粉砂、樹(shù)葉層；③粉砂層，厚5～7m，夾樹(shù)葉層。

　　湖積層軟土的主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，湖積層軟土孔隙比、含水量、壓縮性和有機(jī)質(zhì)含量都很高，抗剪強(qiáng)度很低。因此，對(duì)湖積層軟土必須進(jìn)行謹(jǐn)慎有效的地基處理，才能滿足工程安全的需要。

表2　原狀軟土主要工程特性

2　基礎(chǔ)加固處理設(shè)計(jì)

　　湖積層軟基處理的好壞直接關(guān)系到大壩的安全，要改善軟土的物理力學(xué)性質(zhì)，必須采取行之有效的工程措施。在綜合考慮各方面的因素和多個(gè)方案的對(duì)比論證之后，確定采用振沖碎石樁和預(yù)壓固結(jié)相結(jié)合同時(shí)控制加載速率的處理方案。在1.51萬(wàn)m²的軟基上布置75kW和30kW兩種振沖功率的碎石樁，碎石樁呈三角形分布。由于整個(gè)振沖區(qū)湖積層軟基埋深及受力有一定的差別，因此將振沖區(qū)劃分為主要應(yīng)力區(qū)和次要應(yīng)力區(qū)。主要應(yīng)力區(qū)設(shè)計(jì)振沖置換率為40%，起保護(hù)作用的次要應(yīng)力區(qū)，設(shè)計(jì)置換率為32%。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　振沖碎石樁的設(shè)計(jì)

3　方案驗(yàn)證

3.1　加固方案驗(yàn)證　針對(duì)振沖碎石樁加固處理方案，通過(guò)物理模型、數(shù)值模型以及生產(chǎn)性試驗(yàn)論證軟基筑壩的可行性。同時(shí)為碎石樁設(shè)計(jì)方案、大壩填筑速率以及生產(chǎn)工藝的控制與改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

3.1.1　物理模型　使用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院450g·t的大型土工離心機(jī)進(jìn)行了比尺為1∶200的6組模型試驗(yàn)，再現(xiàn)了原型的應(yīng)力和變形情況。試驗(yàn)對(duì)采用不同的碎石置換率對(duì)軟基的加固效果以及壩體填筑速率對(duì)壩體的變形影響進(jìn)行了研究。從離心模型試驗(yàn)的結(jié)果看，若湖積層軟基不處理直接建壩，在筑壩過(guò)程中壩基、壩體均發(fā)生很大的變形破壞，其中壩體迎水坡腳淤泥隆起達(dá)4m，基礎(chǔ)明顯破壞，防滲心墻與壩殼嚴(yán)重分離，心墻水平位移4.0m，垂直位移8.6m，壩體的整體穩(wěn)定已遭到破壞。離心模型對(duì)不同置換率的方案進(jìn)行了比較，當(dāng)置換率達(dá)到30%時(shí)，位移與置換率關(guān)系曲線明顯變緩，尤其是水平位移已趨于水平。再增大置換率，位移減小量不大。在置換率34%左右時(shí)，上游不發(fā)生隆起。軟基在經(jīng)40%振沖置換率加固后，復(fù)合地基的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，若同時(shí)輔以分期施工，效果更好，總體沉降量將減少80%～90%。

3.1.2　數(shù)學(xué)模型　采用基于比奧固結(jié)理論的有限元方法對(duì)大壩和地基的應(yīng)力應(yīng)變與固結(jié)過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。本文采用的二維平面應(yīng)變固結(jié)程序CON2D由美國(guó)著名學(xué)者鄧肯等開(kāi)發(fā)^[8]，后經(jīng)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陳祖煜等人的改進(jìn)^[9]，能更好地模擬大壩的分層、分期施工過(guò)程，進(jìn)行大壩施工和蓄水過(guò)程的固結(jié)計(jì)算分析。該程序曾在美國(guó)New Melones大壩和我國(guó)小浪底大壩中應(yīng)用。

　　在分析中采用了修正劍橋模型和鄧肯張非線性模型，有限元網(wǎng)格如圖2所示。通過(guò)固結(jié)計(jì)算預(yù)測(cè)了碎石樁加固方案施工過(guò)程和蓄水后壩體與地基中孔壓、應(yīng)力和位移的變化過(guò)程。計(jì)算成果表明采用加固方案后，軟基內(nèi)的超靜孔壓較小，最大值約為120kPa，出現(xiàn)在反壓平臺(tái)中心下軟基中部的粉質(zhì)黏土層中。圖3為粉質(zhì)黏土層中某3個(gè)代表單元的孔壓歷時(shí)曲線，單元在地基中的位置見(jiàn)圖2。其中244號(hào)單元為碎石樁，由于碎石樁樁徑較大，滲透性好，因此超靜孔壓消散較快。245號(hào)、246號(hào)單元為粉質(zhì)黏土。圖3中出現(xiàn)3個(gè)峰值是因?yàn)槭┕み^(guò)程中有兩次停工度汛。經(jīng)過(guò)反壓平臺(tái)預(yù)壓14個(gè)月后，軟基內(nèi)的超孔隙水壓力基本消散。軟基最大沉降為0.33m，壩體最大沉降為0.84m。有關(guān)固結(jié)計(jì)算的詳細(xì)內(nèi)容可參見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

　　在大量的物理力學(xué)特性試驗(yàn)成果和固結(jié)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院陳祖煜開(kāi)發(fā)的邊坡穩(wěn)定程序STAB95^[9]，進(jìn)行不同條件下壩體的穩(wěn)定性分析。除進(jìn)行常規(guī)的確定性分析外，還引入概率論和風(fēng)險(xiǎn)分析的概念，應(yīng)用Rosenblueth法對(duì)大壩穩(wěn)定的可靠度和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究。采用有效應(yīng)力法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，按設(shè)計(jì)施工進(jìn)度，軟基振沖處理和反壓平臺(tái)施工結(jié)束半年后開(kāi)始?jí)误w填筑，1年后大壩封頂，水庫(kù)不蓄水，此時(shí)上游壩坡施工期穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)1.82(見(jiàn)圖4)，可靠度指標(biāo)為4.81(見(jiàn)圖5)，均超過(guò)了相應(yīng)的規(guī)范要求。因而，從確定性模型和風(fēng)險(xiǎn)分析兩個(gè)方面論證了壩坡的穩(wěn)定性。

3.1.3　振沖處理的生產(chǎn)性試驗(yàn)　在振沖區(qū)域內(nèi)選擇代表性較好的場(chǎng)地(面積340m²)分別進(jìn)行了30kW及75kW兩種不同功率的生產(chǎn)性振沖試驗(yàn)，共布置30kW樁49根、75kW樁34根，試樁深度8～20m。振沖制樁結(jié)束4周后，對(duì)施工質(zhì)量及效果進(jìn)行檢驗(yàn)，在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行了雙橋式靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)、重(2)型動(dòng)力觸探和標(biāo)貫試驗(yàn)，以及壓水試驗(yàn)檢查成孔質(zhì)量。同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)直剪三組和大型靜載試驗(yàn)30kW區(qū)與75kW區(qū)各一組，并取原狀樣25組進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)。根據(jù)這些試驗(yàn)得出，在強(qiáng)度恢復(fù)期后實(shí)測(cè)復(fù)合地基天然容重1.83g/cm³，干容重1.41g/cm³，凝聚力(飽和快剪)c=8kPa，內(nèi)摩擦角=23°；復(fù)合地基承載力，30kW振沖區(qū)191.4kPa，75kW振沖區(qū)達(dá)256.6kPa；實(shí)測(cè)30kW置換率31.7%；75kW置換率32.5%。

　　從以上方案驗(yàn)證結(jié)果看，振沖碎石樁置換處理務(wù)坪湖積軟土有明顯提高承載力、增加抗剪強(qiáng)度、加快軟土排水固結(jié)和減少軟基沉降的效果。

3.2　振沖碎石樁施工及效果檢測(cè)　振沖碎石樁的樁距、排距與設(shè)計(jì)值(見(jiàn)表3)完全一致。振沖碎石料采用新鮮的灰?guī)r加工而成。30kW振沖設(shè)備的振沖碎石最大粒徑為80mm，75kW振沖設(shè)備的振沖碎石最大粒徑為120mm，粒徑小于5mm的顆粒含量不大于10%。振沖碎石樁實(shí)際工程量見(jiàn)表4，共加固湖積軟土1.52萬(wàn)m²，制樁4834根，總進(jìn)尺52357m，碎石樁最大深度22.0m。

　　為全面檢查碎石樁成樁質(zhì)量，樁間土及復(fù)合地基各項(xiàng)指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求，并對(duì)振沖碎石樁加固軟基質(zhì)量作出全面評(píng)價(jià)，1996年9月和10月對(duì)振沖碎石樁復(fù)合地基質(zhì)量進(jìn)行了兩次質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果得知：(1)樁體承載力。16組單樁靜載試驗(yàn)表明，其中13根樁的樁體承載力達(dá)到了較高水平，最高達(dá)500～800kPa，少數(shù)幾根承載力較低的樁也達(dá)到320～400kPa。42根樁的重(2)型動(dòng)力觸探試驗(yàn)表明，樁體的承載力為248～512kPa。由于湖積軟土工程性差，加之地下水豐富，樁間土難以固結(jié)，對(duì)樁身施加的側(cè)限小，在此情況下能保持這樣高的承載力，充分說(shuō)明了施工質(zhì)量是可靠的；(2)各單元鉆孔抽芯檢查結(jié)果表明，碎石樁體連續(xù)，樁體材料基本為灰?guī)r碎石，僅有個(gè)別樁在8m以下處夾有少量黏土。樁斜、樁深均滿足要求；(3)樁體容重和動(dòng)力觸探結(jié)果表明，樁體密實(shí)，基本達(dá)到N_63.5>9擊，天然容重基本達(dá)到20kN/m³的標(biāo)準(zhǔn)；(4)樁間土室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)成果表明，由于碎石的擠入，分布范圍和深度最廣的樁間粉質(zhì)黏土，承載力在86～101kPa左右；(5)復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值大于200kPa。

表4　振沖碎石樁實(shí)際完成工程量

4　結(jié)語(yǔ)

　　長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)術(shù)界對(duì)使用振沖法加固飽和軟土存在不同看法，認(rèn)為過(guò)軟的地基可能無(wú)法對(duì)碎石樁提供足夠的側(cè)向約束力。務(wù)坪水庫(kù)是使用振沖技術(shù)成功加固特軟地基的實(shí)例，工程中方案驗(yàn)證和針對(duì)加固后地基進(jìn)行的質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)為全面評(píng)價(jià)振沖加固軟土地基效果提供了翔實(shí)的資料，豐富了振沖軟土地基加固的技術(shù)。



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收稿日期：2004-01-16
作者簡(jiǎn)介：陳祖煜(1943-)，男，浙江鎮(zhèn)海人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事邊坡工程和水利工程的研究。
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