高壓擺噴樁在土壩滲流中的應(yīng)用

高壓擺噴樁在土壩滲流中的應(yīng)用

多頭攪拌樁和高壓噴樁是傳統(tǒng)的土地利用處理方法，用于提高建筑物的土地利用承載力，減少對(duì)基質(zhì)的位移，以及水利工程中的滲透工程。多頭攪拌樁由傳統(tǒng)的水泥土攪拌樁發(fā)展而來(lái),適用于黏土、砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、淤泥等各種土質(zhì)的地基處理,汛期施工也不會(huì)受到影響,已成功應(yīng)用于江蘇省2003年的災(zāi)后重建工程、南水北調(diào)東線第一期工程及入江水道的整治加固工程等多項(xiàng)工程。高壓擺噴樁為高壓噴射樁的一種,適用于處理淤泥、軟塑、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土等地基。高壓擺噴樁噴射流形成的固結(jié)體,深度靈活,可適用于多種要求,但其效果難以準(zhǔn)確的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)。高壓擺噴樁已成功應(yīng)用在崇明島東風(fēng)西沙水庫(kù)工程、惠生(南通)重工有限公司船塢工程建設(shè)中以及汾河生態(tài)治理橡膠壩等水利工程。本文結(jié)合太倉(cāng)市應(yīng)急水源地工程實(shí)例,從施工工藝、截滲效果、對(duì)堤防穩(wěn)定的影響以及工程造價(jià)等方面,對(duì)多頭攪拌樁與高壓擺噴樁兩種地基處理方法進(jìn)行了比較研究。1該工藝的原則和特點(diǎn)1.1體現(xiàn)了良好的截滲性的地基墻多頭攪拌樁技術(shù)是指在步履式或履帶式移動(dòng)的樁機(jī)上的三支點(diǎn)垂直立柱導(dǎo)桿上裝載著挖掘攪拌裝置,五根掘削攪拌軸將回轉(zhuǎn)動(dòng)力傳至下面的挖掘頭,同時(shí)通過(guò)3孔送漿、2孔送氣、五軸掘攪、三維作業(yè)、跟蹤監(jiān)控,在原有位置將基土和水泥混合攪拌成均勻,從而形成地下連續(xù)墻。水泥土攪拌樁技術(shù)則是以水泥作為固化劑,通過(guò)樁機(jī)的攪拌動(dòng)力及氣體的升騰,在地基深處將土體和固化劑強(qiáng)制拌和,由土體和水之間所產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng),使土體硬結(jié)成具有良好的整體性、穩(wěn)定性、不透水性,并具有一定強(qiáng)度的水泥土防滲墻,以達(dá)到截滲的目的。多頭攪拌樁的單個(gè)攪拌頭直徑0.39~0.45m,攪拌頭軸距0.32m,成墻最小厚度0.2~0.3m。1.2高壓噴射水泥增強(qiáng)土體固結(jié)體的作用高壓噴射成墻(樁)技術(shù)是利用工程鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)處理的深度后,再用高壓泥漿泵,通過(guò)置于孔底的鉆桿(噴桿)桿端特殊噴嘴,向周?chē)馏w高壓噴射水泥漿液,同時(shí)鉆桿(噴桿)以一定的速度邊旋轉(zhuǎn)邊提升,高壓射流使一定范圍內(nèi)的土體結(jié)構(gòu)破壞,并強(qiáng)制與水泥漿液混合,凝固后便在土體中形成具有一定性能和形狀的固結(jié)體。固結(jié)體的形狀和噴射流的移動(dòng)方向有關(guān),可分為旋轉(zhuǎn)噴射(簡(jiǎn)稱旋噴),定向噴射(簡(jiǎn)稱定噴)和擺動(dòng)噴射(簡(jiǎn)稱擺噴)。連續(xù)的高壓旋噴樁、壁狀的定噴固結(jié)體、扇狀的擺噴固結(jié)體可作為堤防、基坑等防滲用的截滲墻。2工程區(qū)地震基本烈度太倉(cāng)市應(yīng)急水源地工程新建圍堤堤線總長(zhǎng)4486m。防洪大堤的堤頂高程6.0~6.9m,堤頂寬度6.0m。工程區(qū)相應(yīng)的地震基本烈度為7度。新建圍堤堤身采用吹填砂填筑,堤基的-6.0m高程以上分布有粉土、粉砂土等中等透水層。2.1井壓試驗(yàn)2.1.1防滲墻樁高含水泥墻體施工工程對(duì)擬采用的多頭攪拌樁和高壓擺噴樁方案,進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)圍井試驗(yàn),見(jiàn)圖3。試驗(yàn)的主要內(nèi)容如下。多頭攪拌樁:樁徑0.45m;施工主要參數(shù)包括水泥摻量18%。防滲墻的設(shè)計(jì)高程為(5.7~-8.0m),樁長(zhǎng)為13.7m。高壓擺噴樁:間距1.3m,擺角30°;施工主要參數(shù)為漿壓3.2×107Pa、氣壓0.7×106Pa、擺速0.133次/s、漿液密度1.5×103kg/m3。防滲墻的設(shè)計(jì)高程為(5.7~-8.0m),樁長(zhǎng)為13.7m。2.1.2高壓擺噴樁樁體的防滲設(shè)計(jì)從圍井滲透試驗(yàn)結(jié)果(表1)來(lái)看,兩個(gè)方案的滲透系數(shù)相近,且均滿足圍堤的設(shè)計(jì)防滲要求;高壓擺噴樁樁體的連續(xù)性、芯樣的完整和膠結(jié)程度較差,墻體規(guī)則性略差,且噴漿孔位置形成墻體較薄(圖4(a));多頭攪拌樁成樁成墻較為均勻,相對(duì)搭接較好,基本完全密閉,可形成較為理想的防滲墻,見(jiàn)圖4(b)。2.2大壩滲透和防滑穩(wěn)定性評(píng)價(jià)圍堤的滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定,采用AUTOBANK(水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng))進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。2.2.1數(shù)值模型的計(jì)算及結(jié)果分析在滲流模型計(jì)算中,土壩的非穩(wěn)定滲流方程為:式中:kx、kz為以x、z軸為主方向滲流系數(shù);h為滲流水頭;Sv為單位貯存量;h0為邊界水頭;n為邊界的外法線方向;z為浸潤(rùn)線上各點(diǎn)的幾何縱坐標(biāo)值。式(1)為符合達(dá)西滲透定律的土壩非穩(wěn)定滲流基本公式;式(2)為透水、不透水、浸潤(rùn)線邊界條件;根據(jù)變分原理,利用有限元分析,將滲流問(wèn)題轉(zhuǎn)化為泛函數(shù)在求解域內(nèi)的極值問(wèn)題:在邊坡穩(wěn)定模型計(jì)算中,采用簡(jiǎn)化畢肖普法。將滑動(dòng)土體進(jìn)行條分,由極限狀態(tài)下土條所受力和力矩的平衡來(lái)分析邊坡的穩(wěn)定性。多頭攪拌樁和高壓擺噴樁形成的防滲墻體滲透系數(shù)不同,計(jì)算中水平及垂直向滲透系數(shù)分別取試驗(yàn)結(jié)果K=4.8×10-8m/s、K=4.1×10-8m/s,圍堤填筑堤身,不考慮充泥管袋的防滲作用,水平及垂直向滲透系數(shù)取為K=5.0×10-5m/s;地表土以下,滲透系數(shù)取為Kh=2.28×10-9m/s、Kv=9.29×10-10m/s。抗滑穩(wěn)定核算中,防滲墻體薄弱,對(duì)滑動(dòng)影響甚微,兩種方案按統(tǒng)一模型計(jì)算。防滲墻的施工會(huì)破壞充泥管袋的整體性,故在計(jì)算抗滑穩(wěn)定時(shí),將充泥管袋在防滲墻處斷開(kāi),并考慮了以下兩種情況:不考慮充泥管袋的作用,其c=0Pa,φ=25°;考慮充泥管袋的作用,其c=17.2×103Pa,φ=25°。c的取值可按下式計(jì)算:式中:T為筋材拉伸強(qiáng)度;SV為筋材間的垂直間距;Ka=tan2(45°-φ/2),φ取25°。滲流與滑動(dòng)的模型建立見(jiàn)圖5和圖6。2.2.2抗?jié)B穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定的結(jié)果滲流穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表2和表3。2.3項(xiàng)目成本整個(gè)圍堤長(zhǎng)度為4486m,高壓擺噴樁間距為1.3m,多頭攪拌樁為通長(zhǎng)連續(xù)布置。兩個(gè)方案的防滲墻深度為13.7m。2.3.1高壓噴槍的價(jià)格鉆機(jī)鉆灌漿孔為34.22元/m,高壓擺噴灌漿為330.11元/m。整個(gè)工程的造價(jià)為:2.3.2多桶攪拌樁的價(jià)格多頭攪拌樁(摻量15%)為110.29元/m2整個(gè)工程的造價(jià)為:110.29×13.7×4486=677.82萬(wàn)元2.4單因素選擇經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)安全、施工工藝和工程造價(jià)幾個(gè)方面的綜合比較,工程最終采取了多頭攪拌樁方案。3高壓擺噴樁的工程成本(1)多頭攪拌樁和高壓擺噴樁兩種工藝均可以用于堤壩截滲,所形成的墻體滲透系數(shù)均可達(dá)到10-8m/s,滿足防滲要求。多頭攪拌樁和高壓擺噴樁均會(huì)對(duì)原有結(jié)構(gòu)的整體性有不同程度的破壞,但不會(huì)影響對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。(2)多頭攪噴樁工藝在施工中更易于對(duì)質(zhì)量進(jìn)行控制,成墻質(zhì)量較為可靠。(3)由于施工工藝不同,高壓擺噴成墻施工單位體積所使用的水泥用量遠(yuǎn)高于多頭攪拌形成的截滲墻,其工程總造價(jià)高于多頭攪噴截滲墻。式中:I為h的函數(shù);Q為求解域;Γ為第二類(lèi)邊界條件;μs為給水度;h*表示自由液面上的水頭;θ為自由面向外的法線方向與豎直面的夾角;[K]、[S]、[P]為系數(shù)矩陣;{f}為已知常數(shù)列向量。表