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,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)確的檢驗及評價。高壓擺噴樁已成功應(yīng)用在崇明島東風(fēng)西沙水庫工程、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)合太倉市應(yīng)急水源地工程實例,從施工工藝、截滲效果、對堤防穩(wěn)定的影響以及工程造價等方面,對多頭攪拌樁與高壓擺噴樁兩種地基處理方法進行了比較研究。1該工藝的原則和特點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的樁機上的三支點垂直立柱導(dǎo)桿上裝載著挖掘攪拌裝置,五根掘削攪拌軸將回轉(zhuǎn)動力傳至下面的挖掘頭,同時通過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,通過樁機的攪拌動力及氣體的升騰,在地基深處將土體和固化劑強制拌和,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,并具有一定強度的水泥土防滲墻,以達到截滲的目的。多頭攪拌樁的單個攪拌頭直徑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)是利用工程鉆機鉆孔至設(shè)計處理的深度后,再用高壓泥漿泵,通過置于孔底的鉆桿(噴桿)桿端特殊噴嘴,向周圍土體高壓噴射水泥漿液,同時鉆桿(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方向有關(guān),可分為旋轉(zhuǎn)噴射(簡稱旋噴),定向噴射(簡稱定噴)和擺動噴射(簡稱擺噴)。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)地震基本烈度太倉市應(yīng)急水源地工程新建圍堤堤線總長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2.1.1防滲墻樁高含水泥墻體施工工程對擬采用的多頭攪拌樁和高壓擺噴樁方案,進行了現(xiàn)場圍井試驗,見圖3。試驗的主要內(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)計高程為(5.7~-8.0m),樁長為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)計高程為(5.7~-8.0m),樁長為13.7m。2.1.2高壓擺噴樁樁體的防滲設(shè)計從圍井滲透試驗結(jié)果(表1)來看,兩個方案的滲透系數(shù)相近,且均滿足圍堤的設(shè)計防滲要求;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,相對搭接較好,基本完全密閉,可形成較為理想的防滲墻,見圖4(b)。2.2大壩滲透和防滑穩(wěn)定性評價圍堤的滲流穩(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))進行復(fù)核計算。2.2.1數(shù)值模型的計算及結(jié)果分析在滲流模型計算中,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為浸潤線上各點的幾何縱坐標(biāo)值。式(1)為符合達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、浸潤線邊界條件;根據(jù)變分原理,利用有限元分析,將滲流問題轉(zhuǎn)化為泛函數(shù)在求解域內(nèi)的極值問題:在邊坡穩(wěn)定模型計算中,采用簡化畢肖普法。將滑動土體進行條分,由極限狀態(tài)下土條所受力和力矩的平衡來分析邊坡的穩(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,計算中水平及垂直向滲透系數(shù)分別取試驗結(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,對滑動影響甚微,兩種方案按統(tǒng)一模型計算。防滲墻的施工會破壞充泥管袋的整體性,故在計算抗滑穩(wěn)定時,將充泥管袋在防滲墻處斷開,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的取值可按下式計算:式中:T為筋材拉伸強度;SV為筋材間的垂直間距;Ka=tan2(45°-φ/2),φ取25°。滲流與滑動的模型建立見圖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)定計算的結(jié)果見表2和表3。2.3項目成本整個圍堤長度為4486m,高壓擺噴樁間距為1.3m,多頭攪拌樁為通長連續(xù)布置。兩個方案的防滲墻深度為13.7m。2.3.1高壓噴槍的價格鉆機鉆灌漿孔為34.22元/m,高壓擺噴灌漿為330.11元/m。整個工程的造價為:2.3.2多桶攪拌樁的價格多頭攪拌樁(摻量15%)為110.29元/m2整個工程的造價為:110.29×13.7×4486=677.82萬元2.4單因素選擇經(jīng)過結(jié)構(gòu)安全、施工工藝和工程造價幾個方面的綜合比較,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)均可達到10-8m/s,滿足防滲要求。多頭攪拌樁和高壓擺噴樁均會對原有結(jié)構(gòu)的整體性有不同程度的破壞,但不會影響對整個結(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質(zhì)量進行控制,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高于多頭攪拌形成的截滲墻,其工程總造價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