引洮工程湿陷性黄土地基处理技术综述

引洮工程湿陷性黄土地基处理技术综述

1小桩径水岩土挤密桩的基本概念甘肃省的引胃工程是国家重点的节水工程。引洮工程总干渠全长110.47km,以隧洞为主要建筑物,共布置隧洞18座长96.35km,占全长的87.22%。总干渠下段隧洞及连接段建筑物基础绝大部分位于大厚度、强湿陷性黄土地区,黄土地层主要分布在内官香泉盆地南部的黄土梁峁地貌区,土层结构具上下两层,上层是披覆于黄土梁茆表部的上更新统风积马兰黄土,厚5~25m,具有中高压缩性和中等以上的湿陷性。下层为冲洪积粉质壤土,结构中密,具水平薄层理,偶夹粉质粘土透镜体。湿陷性黄土地区的水工建筑物地基易受建筑物运行过程中的渗漏水、灌溉回归水浸湿等影响,这种运行状况必然要引起湿陷变形,导致建筑物发生沉降破坏,影响建筑物的安全和正常使用,必须进行地基处理。但是,现有地基、基础等技术规范主要是针对房屋建筑、工业建筑等,而水工建筑物,特别是渠道等窄长型建筑物,在做此类工程时,只能参考建筑地基处理技术规范、湿陷性黄土地区建筑规范等规范,而这样处理时挤密桩尚存在一定的局限性,且无定论。目前,根据所能查到的水利文献记载,结合西北地区湿陷性黄土地基已建水利工程可以看出,常用的湿陷性黄土地基处理方法虽然在水利工程应用中取得成功,但是仍然存在以下问题:(1)水利工程采用的处理方法较其他行业局限于换基垫层法、预浸水法、原土翻夯法以及灌注桩等常规做法,对挤密桩等湿陷性黄土地基处理技术应用较少。(2)采用挤密桩处理水利工程地基时,规范规定适宜的桩径基本都是大于300mm(挤密桩适宜桩径300~450mm)的大直径桩,在渠道地基处理中受地形和场地的限制较大,且地基处理纵向范围很大,当地基处理要求提高承载力和减小处理宽度时,采用建筑规范中的大桩径不太适宜,且投资大,施工周期长。(3)若采用小于规范桩径的挤密桩,桩径、桩间距、桩长等有关参数在规范中无对应的具体要求,小桩径挤密桩的理论研究和工程实践也不多见,设计时只能靠经验和现场试桩来确定,缺少可靠的理论分析依据,现有的常规挤密桩的理论和实践已不能满足小桩径挤密桩(水泥土填料)的应用需要。本文结合引洮一期工程香泉暗渠地基处理,进行小桩径水泥土挤密桩在湿陷性黄土地区水工建筑物地基处理中的应用与研究,通过现场试验,在借鉴现有研究成果的基础上,分析小桩径情况下,挤密桩复合地基承载力、湿陷性、渗透性、水稳性等方面的影响和规律,为小桩径水泥土挤密桩的设计提供可靠的理论依据。对进一步节约材料、缩短工期、优化水泥土挤密桩设计具有参考价值,为其他工程地基处理提供了借鉴实例。2基多的土壤条件香泉暗渠位于甘肃省定西市安定区香泉镇,是引洮一期工程12#隧洞与13#隧洞之间连接段的重要建筑物。该暗渠地质条件:(1)95+5524~96+472段地处黄土丘陵区缓坡地带,表部为黄土状粉质壤土,厚6~10m,下部为粉质壤土;该段渠基多置于Q33al+pl黄土状粉质壤土中,渠基土结构疏松,孔隙发育,具强湿陷性、中高压缩性、弱透水性,属Ⅲ级~Ⅳ级自重湿陷性场地,湿陷性敏感,存在湿陷破坏和冻胀危害。(2)96+472~97+267段地处黄土丘陵区沟道两岸的Ⅱ级阶地,上部为轻粉质壤土,厚6~10m;中部为砂砾石,夹轻粉质壤土、含砾砂透镜体,厚4~10m;下部为粉质壤土;该段渠基均置于轻粉质壤土中,渠基土结构疏松,具孔隙,属中强湿陷性、弱透水性土,属Ⅲ级自重湿陷性场地,存在湿陷破坏和冻胀危害,地基土的允许承载力为100~120kPa。(3)97+267~97+560地处中河左岸的Ⅱ级阶地上,上部轻粉质壤土,厚3.5~7m;中部为砂砾石、含砾砂,厚15~18m;下部为粉质壤土。渠身多为轻粉质壤土,渠底为砂砾石。3现场试验和水保香泉暗渠断面为矩形,断面尺寸5.05m×4.69m,长约1.5km,沿渠道长度范围内的地基全部进行水泥土挤密桩处理,设计桩身直径为200mm,桩中心距为400mm,梅花形布置,设计桩长为5.0m。设计要求处理后的复合地基承载力设计值≥200kPa。采用复合地基现场静载荷试验和试坑浸水试验,检验引洮供水一期工程香泉暗渠2∶8水泥土挤密桩复合地基承载力能否满足设计要求,并进行湿陷性和渗透性检验。通过分析各项试验参数,进一步验证设计内容和施工要求是否合理、全面,为调整补充工程设计,提高工程技术经济性提供参考依据。试验在小桩径挤密桩复合地基已处理完成的香泉段暗渠地基上进行,共完成现场多桩静载荷试验6个、试验浸水试验1组,测得复合地基承载力、湿陷量、渗水速度等参数。(1)复合地基承载力试验。试验共进行6个点的多桩复合地基静载荷试验检测。采用刚性承压板,分别对应3桩、4桩复合地基的承压板尺寸和桩顶设计标高。最大加载压力达到400~480kPa,大于设计要求压力值的2倍,如承载力仍未达到极限荷载,则终止试验。(2)湿陷性、渗透性试验。采用在处理后的地基上进行浸水试验,以便检验其湿陷性的消除效果。浸水坑尺寸为5m×5m,深60cm,试坑底铺垫了10cm厚的砂砾,坑底布设了7个注水孔,孔深2m,间距2m,孔径100~150mm,试验共进行26d,其中浸水观测15d,停水观测11d。浸水坑平面布置如图1所示。在浸水坑内对称布置9个自重湿陷观测标点,在试坑外沿渠道纵向30m范围内对称布置10个自重湿陷观测标点,另在距试坑边缘约25m处设置沉降观测基点。各类沉降观测点的布置情况如图2所示。试坑浸水后水头保持40cm,用水表量测注入水量,浸水过程中观测湿陷量、耗水量、浸湿范围和地面裂缝。湿陷稳定后可停止浸水,其稳定标准为最后5d的平均湿陷小于1mm/d。停止浸水后继续观测不少于10d,且连续5d的平均下沉量不大于1mm/d时,终止试验。现场水泥土挤密桩复合地基试坑浸水试验从2008年8月31日开始注水,同年9月14日停水,历时15个昼夜,共计耗水量8.61m3,平均耗水量约0.57m3/d,按浸水坑面积计算,1m2浸水坑面积耗水量约0.34t。总耗水量、昼夜耗水量与浸水时间的关系曲线如图3和图4所示。4小桩径水泥石流挤密桩复合地基的载荷试验结果由于小桩径挤密桩尚无具体的设计理论,该工程挤密桩桩径、桩长采取现场试桩试验确定。挤密桩孔中心距一般为200~300mm,受渠道地基的局限性,结合现场实际和以往处理经验,设计桩径为200mm,桩长5m,分别以桩孔中心距500~600mm进行了现场试桩,承载力均不能达到设计要求,只有400mm桩孔中心距下承载力可满足要求,因此桩间距设计为200mm。图5所示为复合地基试验点2及试验点5的P~S关系曲线。试验结果表明,小桩径水泥土挤密桩的P~S关系曲线为无明显拐点的缓降型。处理前地基土的允许承载力为100~120kPa,水泥土挤密桩处理后复合地基承载力特征值达到200~240kPa。从现场静载荷试验结果可以看出,小桩径水泥土挤密桩复合地基对地基承载力提高作用是十分显著的。根据本次试验条件下多桩复合地基试验结果,对湿陷性黄土地区渠道工程地基处理采用小桩径水泥土挤密桩可以得出以下规律:(1)小桩径水泥土挤密桩复合地基的载荷试验P~S关系曲线为无明显拐点的缓降型,与规范一致,因此小桩径挤密桩复合地基承载力适宜按相对变形比确定。(2)在桩的根数与承载力关系方面,马海龙和陈云敏、郭忠贤等在软土中搅拌水泥土桩、非饱和粘土及粉土水泥土挤密桩复合地基试验中发现,水泥土桩在群桩效应影响下,群桩承载力小于单桩承载力之和,随桩数的增加,复合地基的承载力在减小。在本次试验条件下,由表1及图5可以看出,3桩复合地基承载力特征值为200kPa,4桩复合地基承载力特征值为240kPa,随着桩数的增加复合地基承载力呈现增长趋势,小桩径水泥土挤密桩在湿陷性黄土地基中的群桩效应是减小的。(3)众所周知,复合地基承载力随桩长的增加而增长,当桩长达到一定长度时,复合地基承载力将不再增长。规范规定的桩径为300~450mm,桩长5~15m所确定的长径比l/d为11.1~50.0。本次试验条件下,水泥土挤密桩桩长为5m,长径比l/d为25,桩径d为200mm,桩间距200mm,布桩密度较大,此种工况下桩的长度在规范中无具体参考数值。根据试验资料初步判断,桩长可以尝试减小至2~3m,但这需要进一步的试验验证,对小桩径挤密桩的临界桩长的确定,还需做进一步的分析研究。(4)试验段小桩径水泥土挤密桩复合地基在桩长径比l/d为25的条件下,面积置换率达到22.68%,地基承载力特征值从100~120kPa提高到200~240kPa,提高幅度达100%。5小桩径浸水坑内的沉降规律湿陷性黄土地基上的水工建筑物地基经挤密桩处理后,虽然地基承载力得到很大提高,湿陷变形减小效果显著,但并不是完全消除了地基处理范围内桩间土、持力层和下卧土层的湿陷性。当水工建筑物运行过程中的渗漏水、灌溉回归水浸入到地基土内,使桩间土、持力层和下卧土层发生剩余湿陷变形,导致工后湿陷变形增加,影响运行安全。通过对现场浸水试验分析,研究小桩径挤密桩处理湿陷性黄土地区水工建筑物地基的浸水湿陷规律。图6反映了浸水后载荷板下不同深度范围内以及与试坑不同距离的试验点最终沉降量。其中,图6(a)为浸水坑内观测点A1、A2、A3埋深6m深层观测点沉降量,B1、B2埋深3m深层观测点沉降量;图6(b)为浸水坑内浅层标点C1、C2、C3、C44个浅层观测点沉降量;图6(c)为试坑外对称布置浅层观测点沉降量。a1、b1为距试坑1m观测点,a2、b2为距试坑3m观测点,a3、b3为距试坑5m观测点,a4、b4为距试坑10m观测点,a5、b5为距试坑15m观测点。5.1基地土湿陷变形试验段暗渠水泥土挤密桩复合地基,试坑浸水试验共进行26d,其中浸水观测15d,停水观测11d。由图6(a)和图6(b)可以看出,6个试验点载荷板在处理深度范围内埋深3.0m处自重湿陷量较小,为9.4~10.6mm,沉降量差异较小,侧向挤出作用极其微弱。6个试验点载荷板下5m以外的地基土未经处理,从图6(a)中可以看出处理深度范围以外地基土的湿陷量较大,高达15.3~18.0mm,属于自重湿陷变形。该段地基在处理前,基础深度范围内原状土的湿陷量平均在0.81~1.08m之间,经小桩径挤密桩处理后的复合地基,虽然处理深度以外地基土湿陷量较大,但仍比处理前降低了98.11%~98.33%。5.2地表径流、湿地造林模式由图6(c)可以看出,试坑内地表自重湿陷量为6.6~8.1mm;试坑外地表自重湿陷量分别为:距试坑外边缘1.0m处为4.2~5.2mm,距试坑外边缘5.0m处为1.5~1.9mm,距试坑外边缘15.0m处仅为0.3~0.4mm。呈现的规律为:距试坑外边缘越近,自重湿陷量越大;距试坑外边缘越远,自重湿陷量越小;在湿陷性黄土浸水区地表产生湿陷早、快、大,距离浸水区远的湿陷性黄土自重湿陷量小。分析试验结果可以看出,小桩径水泥土挤密桩复合地基深层土自重湿陷量随埋深增加而增大,虽然与常规桩径挤密桩复合地基湿陷的一般性规律相吻合,但其处理深度范围内桩间土密实度较高,渗透性较小,可以有效减小渠道渗漏水、灌溉回归水入渗对处理深度以外地基土的影响。由此可以看出,在处理深度范围以外,小桩径水泥土挤密桩复合地基与常规桩径挤密桩复合地基的湿陷量相比,前者要远远小于后者,可以认为本次试验条件下,小桩径水泥土挤密桩在提高渠道地基承载力,减小湿陷变形方面,要优于常规桩径挤密桩。6渗透分析的效果和规律6.1不同深度土湿陷速率分布特性(1)图7(a)为试坑内深观测点A2(埋深6m)的湿陷速率曲线。可以看出,小桩径水泥土挤密桩处理深度以外的土层,在浸水开始1d内湿陷速率最快,达到1.6~1.9mm/d之后湿陷速率逐渐减小,到15d停水时,湿陷速率减小到0.1~0.15mm/d,湿陷量与时间关系曲线趋于平缓;到停水16d时,湿陷速率突然增大到0.5~0.7mm/d,湿陷速率基本减小为0。(2)图7(b)为试坑内深观测点B2(埋深3m)的湿陷速率曲线。可以看出,小桩径水泥土挤密桩处理深度内的土层,在浸水开始1d内湿陷速率最快,达到1.2~1.4mm/d之后湿陷速率逐渐减小,到15d停水时,湿陷速率减小到约0.1mm/d,湿陷量与时间关系曲线趋于平缓;到停水16d时,湿陷速率突然增大到0.5~0.6mm/d,湿陷速率基本减小为0。(3)图8为坑内浅标点C3的湿陷速率曲线。可以看出,试坑内表层土在浸水开始1d内湿陷速率最快,达到1.0~1.2mm/d,湿陷速率逐渐减小,到15d停水时,湿陷速率减小到0.1mm/d,湿陷量与时间关系曲线趋于平缓;到停水16d时,湿陷速率突然增大到0.4~0.6mm/d,湿陷速率基本减小为0。(4)图9为坑外观测点A1、A3、A5表层土湿陷速率曲线。图9(a)、图9(b)、图9(c)为观测点A1、A3、A5距试坑分别为1m、5m、15m三个不同距离地表土湿陷速率与浸水时间的关系曲线。可以看出,距试坑1.0m处表层土在浸水开始2d内湿陷速率达到最大值,约为0.5mm/d;距试坑5.0m处表层土在浸水开始4d内湿陷速率达到最大值,约为0.2mm/d;距试坑15.0m处表层土在浸水开始5~6d内湿陷速率达到最大值,约为0.1mm/d。到15d停水时,试坑外各浅标点的湿陷量与时间关系曲线趋于平缓,湿陷速率逐渐减小到0.1mm/d左右;到停水后18d左右,距试坑3~5m处表层土湿陷速率突然增大约0.1~0.5mm/d,距试坑10~15m处表层土湿陷速率减小为0。由试验结果可以看出,小桩径挤密桩处理后地基土的竖向及横向湿陷速率已很小,且不同处理深度范围内差别不大。在浸水期间,浸水坑周围地面浸湿速度很缓慢;停水后,浸湿范围距浸水坑最远距离仅为1.15~1.33m。在整个浸水试验期间,浸水坑周围地面未产生地面裂缝。这是因为采用小桩径挤密桩,在一定基坑范围内,布桩密度较大,桩间距较小(本次试验条件下桩间距等于桩径),桩间土的密实度高,渗透性减小,渗水速度慢,浸水范围和浸水深度也随之减小,在本次试验条件下,小桩径挤密桩复合地基防水抗渗性十分优越,可以认为小桩径挤密桩复合地基基本不渗水。6.2渗水深度和浸水速度引洮工程连接段暗渠地基土工程地质性质接近,均采用小桩径挤密桩处理,但填料不同,其中香泉段暗渠采用2∶8水泥土挤密桩处理,杨家坪和马河段暗渠采用3∶7灰土挤密桩处理。两种填料挤密桩复合地基在防水抗渗指标如表1所列。由表1可以看出,(1)灰土挤密桩处理的地基,浸水12~13d的耗水量达10.39m3以上,平均每m2耗水量在0.85t以上;而水泥土挤密桩处理的地基,浸水15d的耗水量仅8.61m3,平均每m2耗水量仅0.34t,说明灰土挤密桩复合地基的渗水速度大于水泥土挤密桩复合地基的渗水速度,浸水范围和浸水深度前者也比后者大,水泥土挤密桩的防水抗渗性要优于灰土挤密桩,其竖向渗透速度比灰土挤密桩降低25%~45%。(2)从浸水深度和浸水速度来看,水泥土挤密桩复合地基浸水15d时达到最大值,而灰土挤密桩复合地基在12~13d时就达到最大值,这说明水泥土挤密桩的水稳定性要优于灰土挤密桩。有学者研究指出:从防水抗渗性要求来说,土桩挤密地基防水抗渗性效果已经很好,在一定条件下击实黄土可以成为弱透水性土,挤密地基在防水抗渗性方面不必强调使用灰土。这些研究成果主要是以工业与民用建筑为研究对象,地基受入渗水影响的历时一般较短,选用素土是适宜的,且可以满足防水抗渗性。但是,水利工程本身是输水建筑物,地基常受渗漏