广东水利枢纽工程20m深厚砂基振冲筑坝施工工法

'20m深厚砂基振冲筑坝施工工法广东省水利水电xx工程局广东省建筑工程集团有限公司二○xx年十月16 目录1.前言12.工法特点13.适用范围24.工艺原理25.施工工艺流程及操作要点35.1施工工艺流程35.2操作要点55.2.1振冲试验55.2.2施工准备75.2.3造孔85.2.4清孔85.2.5填料95.2.6加密95.2.7振冲检测95.3劳动力组织96.材料与设备106.1材料106.2机具及设备107.质量控制107.1工程质量控制标准107.2质量保证措施118.安全措施119.环保措施1210.效益分析1211.应用实例1311.1工程概况1311.2振冲试验1311.3振冲施工1411.4效果检测及评价15 1.前言在砂基上修建土坝或其它建筑物,需要加固地基,以提高地基的强度和抗滑及抗震稳定性（抗液化性），减少不均匀沉降，确保上部建筑的安全。广东省xxx水利枢纽右岸土坝河床段以含砾中粗砂为主，透水地基最深达22m，全部挖除不仅工程量大，而且排水困难，开挖难度比较大。经分析研究决定，利用下游截流戗堤和上游石渣作为土坝的下游排水体和上游压坡石堤，两堤间吹砂回填出水面，再在其上填筑土坝。如此深厚的砂基直接作为土坝的基础，是个难点。为防止砂基的地震液化，保证坝基的稳定，需对吹填砂及以下覆盖层进行振冲加固，这是个相当重大的技术难题。广东省水利水电xxx工程局联合设计单位和北京xx公司开展了科技创新，采用大功率振冲器施工，并确定了振冲效果检测的方法和检验标准，取得了砂基振冲加固施工技术，该技术经两院院士和有关专家鉴定认为，在国内首次采用吹砂回填土坝（部分）新型结构，利用150kw大功率液压振冲器加密吹填砂坝体和18m深的粉砂地基，提高了坝体和坝基的稳定性和抗液化性能，减少了不均匀沉降，达到国际先进水平，并获得了广东省科技进步一等奖（主要科技创新成果之一）和广东省建工集团科技进步一等奖。同时，形成了砂基振冲筑坝施工工法。由于在原有砂基直接筑坝，避免了对原有存在液化可能的粉细砂层地基的大范围清除，又通过利用新吹填的河砂经振冲处理后作为河床段土坝坝体的一部分，既加固了原存在液化可能的粉细砂层地基，同时又使新吹填砂坝体的密实程度达到设计的要求，从而避免了水下土方填筑及其所带来的各种问题，并且减少了河床段土坝土方填筑工程量，极大地简化了施工程序，缩短了工期，其经济效益和社会效益显著。2.工法特点2.1-16- 创造性地提出在河床上吹砂回填出水面，砂基经振冲加固后直接作为土坝基础，解决坝基稳定性难题，为筑坝技术开创了一条新路。2.2首次引进国外先进大功率振冲设备，实践取得了成功，解决了过去实现不了的深度问题。工法使用三种振冲器，150kw振冲器由液压控制，为英国公司生产，频率可调，穿透力强，成桩深度大，造孔速度快，可用于深度20m以上部位施工；120kw振冲器由电动控制，为德国公司生产，穿透力和工效较强，可用于较深部位施工；75kw振冲器由电动控制，为北京xx公司研制，频率不变，振幅大，穿透力较差，且在深桩施工过程中常有“抱孔”现象，工效难以提高，可用于较浅区域施工。2.3工艺简单，操作方便，安全可靠，施工速度快。2.4通过现场试验确定了检测方法和检验标准，加固质量易控制。加固时不需钢材和水泥，仅用当地生产的砂、碎石，工程造价低。2.5无污染，环保效益明显。3.适用范围适合砂土、粉土，特别是大面积20m深覆盖层、强透水性的砂基处理，可用于新建土石坝堤及已建病险堤坝加固，各类可液化土的加密和抗液化处理。4.工艺原理4.1砂土是单粒结构，而疏松的单粒结构，颗粒间孔隙较大，颗粒位置不稳定，在动载和静载作用下很容易发生位移，因而会产生较大的变形。特别在振冲荷载作用下更为显著。振冲加固砂性土地基的主要目的是提高地基土的承载力和模量，并增强抗液化性。其抗液化的加固机理有三方面作用：4.1.1挤密效应在施工过程中由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化，并重新排列致密，且在桩孔中填入大量的粗骨料后-16- ，被强大的水平振动力挤入周围土中，使砂土的相对密实度增加，孔隙率降低，干密度和内摩擦角增大，土的物理力学性能得以改善，使地基承载力大幅度提高，因此抗液化的性能能得到改善。4.1.2排水减压效应研究证明，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积收缩和趋于密实。在砂土无排水条件时，体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，当砂土中有效应力降为零时，便形成了完成液化。振冲孔加碎石时，桩孔内充填反滤性好的粗骨料，在地基中形成渗透性良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结。4.1.3预震效应试验研究表明，砂土液化除了与土的相对密实度有关外，还与其振动应变史有关，即经过预震的试样的抗液化能力比未经过预震的试样强。在振冲加固时，振冲器以高振动频率，高水平加速度和激振力喷水沉入土中时，使填料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，这对砂土增强抗液化能力是极为有利的。4.2振冲加固是以起重机吊起振冲器，启动潜水电机后带动偏心块，使振冲器产生高频振动，同时开动水泵，通过喷嘴喷射高压水流，在边振边冲的联合作用，将振冲器沉到土中设计深度。振动使砂土加密，或从孔中填入碎石，在振动作用下振挤密实，从而在地基形成大直径的密实桩体，提高地基强度。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程在水下坝基上直接吹砂回填出水面，按设计要求，绘出振冲桩平面图，布置控制网。施工时按平面图测量放样定位，由起吊设备吊起振冲器就位，然后开启高压水泵和振冲器造孔至设计深度，装载机开始填料。当振密后，自动控制系统发出信号，将振冲器上提30～50cm，而继续振密，直至提升到地面。其施工工艺流程见图5.1-1。-16- 吹砂回填振冲试验施工准备振冲造孔清孔填料加密不合格振后检测下一孔施工图5.1-1砂基振冲筑坝施工工艺流程图振冲从造孔到完成的工艺过程如图5.1-2所示。图5.1-2振冲工艺过程图-16- 5.2操作要点5.2.1振冲试验对大中型工程，先选择一试区作试验，确定各项施工参数，具体说明如下：1、按振冲试验技术要求，编制振冲试验大纲，确定试验方案。2、选择类似地质条件场地，堆积试验平台，下部为砂基。3、选择振冲试验设备：150kw和75kw振冲器各1台。4、确定振冲效果检测方法，采用重Ⅱ型动力触探进行振前、振后原位对比检测。5、按试验方案进行测量放样、布孔，形式为正三角形和正方形，孔距按设计确定。6、分组进行试验：调整技术参数和工艺参数，包括油压、频率、留振时间和填料等。7、试验成果分析：1）选择振冲器。150kw振冲器频率高，加固深度达到设计要求（20m深度）；75kw振冲器加固深度13m，大面积振冲加固施工应以150kw振冲器为主。2）选定孔距。振冲加固效果随布孔孔距增大而减弱。经检测结果分析，河床段土坝砂基振冲加固布孔形式为正三角形，孔距为3.0m较为合理。3）选定加密技术参数。振冲效果检测一般采用静力触探和载荷试验方法，但由于如果砂基处理范围广、深度大、工期紧，为快速有效进行检测，可采用重Ⅱ型动力触探检测评价砂土的密实度。目前，由于国内有关规程和规范尚未有明确规定，只能通过各种经验公式转换进行判别。按照《建筑抗震设计规范》规定，对饱和砂土液化的判别用标准贯入试验的方法。即在地面15米深度范围内的砂土液化应符合下式要求：N=Ncr(5.2.1-1)Ncr=No×［0.9+0.1×（DS－DW）］×SQRT(3/PC)(5.2.1-2)式5.2.1-1和式5.2.1-2中-16- N－饱和土标准贯入实测值（未经杆长修正）。Ncr－液化判别标准贯入击数临界值。No－液化判别标准击数基准值，见表5.2.1-1。DS－饱和土标准贯入点深度（m）。DW－地下水位深度。本工程按地面标高和河水位高程取值，Dw=6m。PC－粘粒含量百分率，当小于3或为砂土时，均应取3。表5.2.1-1标准贯入击数基准值远近震烈度（°）789近震61016远震812根据上式，可以计算出不同条件下的液化判别标准贯入击数临界值，如表5.2.1-2，再通过经验公式换算为相对应的动力触探击数临界值，按实测动力触探进行判别砂土液化。表5.2.1-2动力触探临界值（按烈度8度计算）深度（m）0246810121415近震（10）6667891111远震（12）777810111314动力触探击数与标准贯入试验击数的换算关系，可按水电部北京勘测设计院的经验公式换算：N=0.4+0.516N63.5(5.2.1-3)为进一步检测振冲效果，检验动力触探检测结果的可靠性，又增设剪切波测试试验，通过剪切波的测试结果对动力触探检测结果进行验证。剪切波试验和动力触探相关关系按回归分析可得下列关系式：VS=39.17N63.50.359(5.2.1-4)式中VS－每2m原砂层的平均波速。N63.5－同一厚度砂层的实测动力触探击数。其相关系数R＝0.87.结果表明，两者之间的相关性较高。利用这一相关关系式，可得出抗7度设计地震烈度所对应的相对密度Dr=0.7的动力触探（N63.5）临界击数，经多次论证，确定-16- 了砂基振冲加固效果检测的检验标准。如表5.2.1-3。表5.2.1-3重Ⅱ型动力触探检测标准检测深度（m）0～55～88～1010～1414～1616～1818～20动力触探临界击数（击）6811141922245.2.2施工准备1、了解现场有无障碍物存在，了解现场地质情况，土层分布是否均匀，有无软弱夹层。2、将施工范围按地层变化划分施工区，绘制平面图并分类编号。3、填砂至设计高程。4、修筑场内施工道路，做到水通、电通、路通。5、根据平面图及桩孔编号布置控制点，控制网内各点依次加密。6、确定振冲顺序，一般采用同一端开始，依次到另一端结束的作业顺序。图5.2.2为xxx工程振冲施工准备现场。图5.2.2xxx工程振冲施工准备现场5.2.3造孔-16- 1、振冲器对准桩位，对准偏差不大于10cm。先开启高压水泵，振冲器末端出水口喷水后，再启动振冲器。待振冲器运行正常，开始造孔。2、造孔过程中振冲器处于悬垂状态。振冲器偏斜不能过大，防止偏入贯入方向。3、控制造孔速度，最大造孔速度控制在2m/min以内。4、造孔水压大小要与振冲器贯入速度和土质相适应，一般造孔水压控制在0.3～0.8MPa，造孔速度慢或土质坚硬时可加大水压力，反之宜减少水压。5、当造孔时振冲器出现上下颠动或电流大于电机额定电流，经反复冲击不能达到设计深度时，宜停止造孔，及时报告设计、监理研究解决。6、不同深度选用不同型号的振冲器施工。7、造孔时每贯入1.0m～2.0m，记录电流、水压、时间。5.2.4清孔如造孔时返出的泥浆较稠，孔中有狭窄或缩孔段要进行清孔。将振冲器提出孔口或在需要扩孔地段上下提拉振冲器，使孔口返出泥浆变稀，振冲孔顺直通畅以利填料沉落。图5.2.5xxx工程振冲过程5.2.5填料-16- 1、造孔结束后用装载机将填料倒入孔中（图5.2.5），连续不断向孔内添加，振冲器只要在其深度上达到规定的振密标准后就往上提，再继续振密。2、填料用粗砂或碎石，粉细砂地基选用粗砂，软弱夹层或粘性土层采用碎石，碎石料径20～50mm，最大不超过80mm。5.2.6加密加密是将填入孔中的填料挤振密实，从孔底开始，逐段向上，中间不得漏振。其控制标准包括：1、填料量控制，加密过程按每延米填入料数量控制，填入量与设计要求相差较大时，要及时研究解决。2、电流控制，按振冲器的电流达到设计确定值控制。加密过程中，电流超过振冲器额定电流时，宜暂停或减缓振冲器的贯入或填料速度。3、加密电流、留振时间、加密段长度综合指标控制。采用这三种指标是为了使加密质量更有保证，因为加密效果与加密电流值大小有关，也与达到该电流值维持时间长短有关，加密段长度小效果好，加密段长度大效果差，甚至产生漏振。5.2.7振冲检测采用重Ⅱ型动力触探检测。振前检测主要是为了确定振冲处理深度，振后检测按验收单元划分，检测位置为3个相邻振冲孔位的中心点，根据检测对比分析，检查加密效果。5.3劳动力组织（见表5.3）表5.3劳动力组织情况表序号单项工程所需人数备注1管理人员42技术人员43振冲施工404杂工6合计546.材料与设备-16- 6.1材料本工法使用的振冲处理的填充材料主要为粗砂，遇到淤泥层时添加碎石；坝体填筑材料为砂壤土。6.2机具及设备表6.2主要机具及设备表：序号设备名称设备性能单位数量备注1振冲器150kw台4液压2振冲器120kw台4电动3振冲器75kw台4电动4装载机台12填料5履带吊机35T台8起吊6轮胎吊机50T台4起吊7自卸车8T台8运料8挖掘机台7装料7.质量控制7.1工程质量控制标准7.1.1本工法采用DL/T5214《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》、GB50011《建筑抗震设计规范》以及有关标准和经验公式。7.1.2桩位允许偏差按表7.1.2执行。表7.1.2桩位允许偏差序号项目桩位允许偏差1大面积满堂布桩d0/42条形基础d0/53桩基础边缘d0/54桩基内部d0/47.1.3砂基密实度采用重Ⅱ型动力触探检测。检测数量根据工程重要性和工程地质条件的复杂性宜为总桩数的1%～3%，单项工程不少于3根，触探击数达到设计要求（相对密实度通过公式转换）。-16- 7.1.4复合地基承载力符合设计要求。7.2质量保证措施7.2.1建立由项目经理(质量第一责任人)、项目总工（质量直接责任人）和质检部组成的完善的质量管理组织机构，推行全面质量管理,严格执行“三检制”。7.2.2施工人员和管理人员实行现场跟班制，严格控制每一个桩的施工质量,遇有地质复杂的情况及时与设计、监理和业主沟通，共同协商解决。7.2.3控制桩位偏差。造孔时要控制孔位偏移，造孔过程中针对不同原因采取相应的纠偏措施：如果因土质不均匀偏移，要使振冲器向硬土一边开始造孔，也可在软土一侧倒入填料阻止桩位偏移；如果因振冲器导管上端横杆拉绳拉力方向或松紧程度不合适造成偏移，要调整拉绳方向和松紧度。7.2.4控制桩长。要依据地面高程确定造孔深度，当地面出现下沉或淤积抬高，振冲器入土深度要相应调整。振冲器导管应有明显的深度标记，一般在振冲器导管上焊上1.0m或0.5m为单位的刻度标，使操作人员能较准确地掌握处理深度及加密段长度。7.2.5控制填料质量和数量。填料质量要符合设计要求，装料要铲入孔内，不要散落在孔外，核对来料与填入孔内量的差异。7.2.6控制施工技术参数。施工中要确保加密电流，留振时间和加密段长度都要达到设计要求，否则不能结束一个段长的加密。施工中要做好各项施工记录。8.安全措施8.1认真贯彻“安全第一、预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例和安全法规，建立由项目经理（安全生产第一责任人）、项目副经理（安全生产直接责任人）、安全保安部、安全监察员及全体职员组成的安全生产组织机构。8.2落实安全生产责任制，明确各级人员的职责，抓好安全生产。-16- 8.3为保证车辆运输和吊机行走安全，在砂面上用碎石填筑施工道路。8.4施工现场临时用电严格按照《施工现场临时用电安全技术规范》的有关规定执行。8.5电缆线路采用“三相五线”接线方式，电气设备和电气线路绝缘良好，场内架设的电力线路其悬挂高度和线间距离符合安全规定要求。8.6配电箱前要有绝缘垫，病安装漏电保护装置。8.7设备经常进行维修保养。9.环保措施9.1严格遵守国家和地方政府有关环境保护的有关法律、法规和规章，加强现场环境保护管理。9.2建立健全的环保组织机构，落实环境目标责任制。9.3按布置图划分施工作业区，道路规划整齐。9.4设备及配套设施合理布置。9.5现场设置专用排浆管和集浆坑，对废浆、污水进行集中，防止施工废浆乱流，并定期进行清运处理。10.效益分析10.1本工法避免了对原存在液化的可能的粉细砂层地基的大范围清除，减少了河床段大坝土方填筑工程量，节省了能源，具有较好的经济效益。10.2振冲加固砂基抗液化安全度明显提高，使坝体动力稳定性安全系数提高，从而保证了土坝坝坡有足够的稳定安全度。10.3采用振冲技术，减少了粉尘和污染等环境公害，环境效益明显。10.4该工法对类似工程基础处理提供了宝贵经验，具有较大的推广运用价值，有显著的社会效益。11.应用实例-16- 广东省xxx水利枢纽河床段土坝11.1工程概况xxx水利枢纽工程右岸主土坝包括河床段土坝和滩地段土坝两部分，全长1777.8m，所跨越的地质条件复杂，部分坝段基础为软粘土和砂基，其中河床段坝基以含中粗砂为主，局部含粉细砂，下部含泥沙卵石和花岗岩全风化带，受一期导流期间汛期冲刷影响，靠近左岸纵向围堰处的河床冲刷深槽最深已冲刷至高程－4.6m，河床右岸的高程11m与右岸护坡块石相联，整个河床形成了左低右高的地形，但河床段土坝透水地基仍厚达13～22m。为简化施工程序，加快施工进度，河床段挡水坝段设计采用施工抛石戗堤与土坝结合方案，即利用二期截流下游戗堤及上游石渣堤分别作为土坝的下游排水棱体和上游压坡石堤，两堤间吹沙回填出水面至高程14m，作为土坝地人工基础，然后再在其上填筑土坝坝体，坝基的防渗采用混凝土防渗墙。为防止在Ⅶ度地震设计烈度条件下，河床段挡水坝回填砂及其下覆盖砂基地震液化，要求回填砂及其下覆盖砂层的相对密度达到Dr≥0.7,采用吹砂振冲筑坝技术，达到既能加固原存在液化可能的砂层基础，同时又使新吹填砂坝体的密实程度达到设计的要求。11.2振冲试验为合理选择振冲施工技术参数和工艺参数，评价振冲加固效果，选择了典型地区进行了振冲加固试验。振冲试验于1997年10月～11月进行。为模拟施工时的吹填砂，在试验场地内原河床砂滩上，堆填厚5m振冲粗砂，形成长72m、宽20.5m的试验平台。试验方案分6组进行，按孔距2.5、3.0、3.5m，采用150kw、75kw振冲器通过调整技术参数进行试验。试验共完成试验孔72个，总进尺958.5m，填砂料618.5m3。主要取得如下试验成果：（1）150kw振冲器工效快，深度大，建议大面积振冲加固施工应以150kw振冲器为主，75kw振冲器为辅；（2）随着布孔孔距增大，振冲效果逐渐减弱，通过检测结果分析，确定河床段土坝坝基振冲加固布孔形式为正三角形，孔距3.0m；（3）振冲加固效果采用重Ⅱ型动力触探进行检测，并以剪切波测试进行了验证，确定了检测标准。-16- 11.3振冲施工11.3.1施工过程简述河床段土坝砂基振冲处理面积大，投入设备多，施工期为1998年8月12日～10月13日，共完成全砂桩、半碎石及全碎石桩共6876根，总进尺.5m总填料量70154m3.振冲施工按地层变化共分五个区，其振冲范围及分区布置见图11.3.1。图11.3.1振冲范围及分区布置图采用150kw、120kw及75kw三种型号振冲器施工。振冲深度按振前检测结果确定，Ⅰ区靠近上游石渣堤及下游截流戗堤，4m深度起振，Ⅱ区因龙口护底，深度约10m，由75kw振冲器施工；Ⅲ区振冲器深度为15m，因地质条件复杂，原施工桩5～8m振冲未达到设计要求，需采用150kw振冲器原位造孔9m回填碎石料复打施工；Ⅲ区未施工部分及Ⅳ区局部也采用1孔深0～9m加填碎石料施工；Ⅴ区吹填砂部分设计深度为20m，采用150kw振冲器进行施工，而汽车回填砂部分，设计深度为19m,选用120kw振冲器施工，填料均为粗砂。11.3.2施工中遇到的问题及解决措施1、由于地层地质情况复杂，施工主要遇到以下几个问题：1）造孔时有大量稀泥浆返出，泥浆呈黑色，部分有含泥团块带出；-16- 2）加密不塌孔，不沉陷或沉陷量小；3）8m以上填料困难，砂料大部分随水返出；4）少部分造孔达不到设计深度。虽然施工中对一些参数和工艺进行了调整如提高油压、延长加密时间、采用粗砂填料等，但仍达不到设计要求。经研究分析，认为是地质条件变化，下部河床有软弱夹层，决定在本区域进行现场振冲试验，以取得施工数据，指导施工。2、通过试验成果采取如下措施：1）采用120kw振冲器在0～9m加填碎石料；2）振冲器造孔时适当提高水压；3）已施工但未达到设计要求的，采用150kw振冲器在0～9m加填碎石料重新振冲处理；4）高喷板墙和防渗墙位置由120kw振冲器填粗砂施工。11.4效果检测及评价11.4.1效果检测根据振冲试验，确定了振冲加固效果检测的手段和标准。施工时振前检测的布置，主要为了确定各区的处理深度，同时也可对比振后检测结果，评价施工效果。振后检测是按验收单元划分来布置的，检测孔由监理部门抽取，一般每个单元1～2个检测点，检测位置为3个相邻振冲孔位（是正三角形的中心点）。振前检测共完成了15个点，振后共进行了117个点检测。根据检测资料对比分析可得出结论：各区加密效果明显，振后击数提高较大；除表层0～2m需碾压处理外，均达到设计要求，而且振冲检测结果和地层地质情况填砂性质、振冲器类型以及施工工艺是有相关关系的。11.4.2效果评价通过运用振冲筑坝技术，消除了河床段土坝内吹填砂及其下覆盖层砂基的液化可能，并使液化安全度提高且超过2.0，同时结合高喷板墙和防渗墙的运用，使坝体动力稳定性安全系数由原来的1.72提高到1.83，保证了土坝具有足够的稳定安全度。-16- 河床段土坝从1999年3月蓄水发电运行至今，未发现地基有明显不均匀沉降现象，说明坝基吹填砂振冲加固处理是成功的，它的运用为在深覆盖层、强透水性砂基河床修筑土坝提供了宝贵经验，该筑坝技术具有较大的推广运用价值。图11为完工后的xxx工程土坝段照片。图11完工后的xxx工程土坝段-16-'