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摘要：水闸是一种既能挡水,又能泄水的低水头水工建筑物,它依靠可以升降的闸门来控制水位,调节流量,在防洪、灌溉、排水、航運、发电等水利工程中得到十分广泛的应用。水闸一般可分为节制闸、进水闸、分水闸、排水闸、冲砂闸,不同的水闸其功能不同,在很多情况下,为满足水利工程的需要,多种类型的水闸可以一起应用于同一水利枢纽工程中。本文结合工作经验，浅谈一下水闸地基处理的换土(砂)地基和振冲地基施工方法。
关键词：水闸地基处理施工
1 地基处理概述
水闸地基处理的方法很多,它们主要用于以下三个方面:(1)增加地基的承载能力,保证建筑物的稳定;(2)消除或减少地基的有害沉降;(3)防止地基渗透变形。国外对于水闸地基处理的方法也很多,使用较多的主要有以下几种:置换法、排水固结法、灌入固化物法、振密或挤密法、加筋法和桩基法等。置换法根据置换材可分为换土(砂)垫层法、挤淤置换法、强夯置换法、振冲法、砂石桩法、石灰桩法等;排水固结法主要有加载预压法、超载预压法和真空预压法等;灌入固化物法主要有深层搅拌法、旋喷桩法和水泥粉煤灰碎石桩法(CFG桩法);振密或挤密法主要有强夯法、挤密砂石桩法和夯实水泥土桩法;加筋法主要有低强度混凝土桩复合地基法和钢筋混凝士桩复合地基法;桩基法主要有木桩法、预制管桩法、钻孔桩法。目前国内在增加水闸地基承载能力和减少地基有害沉降的处理方法方面最常用的是垫层法、砂井预压法、灌浆法和桩基法,加载预压法、超载预压法和真空预压法因所需工作面广和预压时间长,目前使用较少,强夯置换法、振动水冲法因实践经验比较少,现正处在探索过程中。水闸地基处理方法很多,但每种方法都有一定的适用条件和局限性,不存在一个万能的解决方案这里主要介绍水闸地基处理的换土(砂) 垫层法地基和振冲法地基施工方法。
2 换土(砂)地基处理方法
关于垫层材料的选用，应遵循就地取材，节约经费的原则，并要考虑施工方便，技术可靠。级配良好的中砂和粗砂，较易振动密实。某腰闸地基换填厚3.9m中砂，用水撼法振密，相对密度达0.8~0.9，最大干密度达1.85g/cm3以上，密实度满足设计要求。级配良好的砾质砂也可使用。但对可能是管涌土类，必须验算闸基出口段抗渗稳定性。至于粉，细砂和砂壤土类，不均匀系数多在1~3之间，遭受振动荷载作用时，易产生"液化"现象，不宜采用。
对于砂料的含泥量，一般规范都规定不大于3%。考虑砂垫层砂料的选用关键是紧密度能否满足要求，故含泥量可放宽到5%。
粘性土类以中壤土类为适宜，这类土易于打碎，施工含水量易控制也易夯实。粘粒含量较大的重粉质壤土和粘土，打碎较困难，施工含水量也难控制，不宜作为换土的土料。含砾粘性土是较好的垫层材料，其中含有较多的砂粒和小砾石，有利于土块的破碎和疏干。
粘性土垫层施工含水量的控制是保证施工质量的关键，应严格掌握。设计的控制干密度是由室内击实试验得到的最大干密度乘以压实度而得出的。如图（1）所表明的击实曲线，最大干密度为1.65g/cm3，取压实度为96%，则控制干密度为1.58g/cm3。控制干密度的坐标线与击实曲线相交于a，b点，a点的横坐标即为施工含水量的下限值，b点的横坐标为上限值；ab区间即施工控制含水量的范围。若土料的含水量不在该区间内，则密实度是很难达到预期效果的。
为了避免坑底基土受到扰动，预留适当厚度的保护层是一般常用的方法，对于含水量过大的淤泥类土，在开挖到设计高程后，可铺垫一层土工织物，一方面起保护基坑底面，解决在淤泥土上操作困难的问题；另一方面可起到铺垫作用，承受一部分拉应力，从而增强稳定性和减小沉降量。
垫层直接作为水闸基础的持力层，在设计计算中是作为基础的一部分考虑的，因此填筑时，每层厚度应符合规定，否则层底部密实度达不到设计要求。由于土的性质和施工机械不同，铺土厚度也不同，应根据试验确定。
垫层铺垫时，应尽可能一层铺毕压实后再铺上一层，不要形成"界沟"或接头。若回填面积过大，必须分段施工，则应将每层接头错开，不要形成自上到下的通缝，造成薄弱环节。
3 振冲地基处理方法
振冲法加固砂土或砂壤土地基，能同时起到增密，排水减压和预振效应等三方面的作用，对提高地基土壤抗液化能力和承载力的效果是明显的。
目前对振冲法加固软弱粘性土地基的有效性认识尚不一致，较多的意见认为：用振冲法加固粘性土地基主要是振冲置换土和制桩挤实作用，形成桩土复合地基。因此，用碎石桩振冲置换软基时，地基土的不排水抗剪强度应大于16~20KPa。这是由于位于软土的碎石桩，如果软土强度太低，则桩四周的侧压力太低，并不能提高地基的承载力，因此对软弱粘性土地基必须经论证才可采用振冲法加固。
振冲置换所用的填料，对粉细砂和砂壤土地基用砾砂，粗砂，对软土堆基用碎石，但碎石桩改变了闸基渗流状态，可能还需增加防渗设施。对中，粗砂地基可不加填料，只用振动器的振力将地基振动密实。
振冲器与振冲孔周边之间一般为50~100mm。因此碎石填料粒径在5~40mm之间为宜，最大粒径不宜大于50mm，粒径过大易发生拒落，料径过细，在孔内泥浆中沉入速度太慢，也不易振密。填料的含泥量要求在50%以下，是按南京水利科学研究院的资料提出的。否则将增加泥浆的比重，填料下沉速度减慢，影响加固效果。砂石混合料不应使用，因振冲时会使砂料和石料分离，密实度差。
振冲法的加固效果与振冲器的技术参数和选型有密切关系。国外试验表明，振冲器的振动频率宜接近土体自振频率，一般软弱地基的自振频率粘性土为8~16Hz，砂土为15~28Hz。目前国内生产的振冲器的频率为1450r/min(24Hz)，故对饱和松散的砂基加密效果是较好的，对软土则效果差些。因此，本条规定应按工程要求和土质情况来选用。
起重能力应根据加固深度和施工方法来选定。振冲深度不大于18m时，一般选用起重能力80~150kN可满足施工要求。根据施工实践，振冲器的出口水压和供水量大小随地基而异，对软弱土，粉细砂和砂壤土地基，水压宜为0.4~0.6MPa；对中，粗砂地基宜为0.6~0。8MPa；对粗砂尚可大些。供水量一般控制在200~400/min之间。在输水管上要装置阀门，以便能调节压力和水量。
振冲碎石桩的质量是以振冲器振动时的工作电流到达规定值为控制标准，故应配备相应的电流表和电压表。目前国产ηA-30型振冲器的起动电流常达100~150A，相应配置电流表容量应在150A以上。为提高施工记录的精度，可采用电流，电压自动记录方法。
通用各型号振冲器的技术参数如表（1），可供参考。
振冲器贯入速度由地质条件确定。对密实的或粘性大的地基，贯入速度应慢些，反之可快些。贯入快时尖端阻力大，成孔直径较小，不利于投料和顺利施工。一般控制在1~2m/min，通常每贯入0.5~1.0m宜悬挂留振，其时间为5~10s，以有利于振冲洗孔扩大孔径。当造孔接近加固深度时，振冲器在孔底适当停留并减小射水压力，一般保持0.1MPa的水压即可。此时除可将泥浆带出孔外，并能够防止泥浆反压进入喷水管内。振密制桩时，只需小水量补给，使填料在水饱和条件下沉入，以便于振捣密实。如水量或水压过大会使孔中回水量和流速增大，带出大量细颗料，并不能收到振密的效果。
在粉细砂，砂壤土中加填料振冲密实宜采用连续下料法。此法是造孔至要求深度后，不提出振冲器即向孔内填料，借振冲器的水平振力将填料挤入周围土中，从而使土层挤密。由于土层逐渐密实，阻力渐增，电流值也将增高，当电流值升高至规定的控制值时(对于30kW振冲器宜为50~60A)，将振冲器上提一段距离，继续投料挤密直至孔口。上提距离约为振冲器锥头的长度，即为30~50cm。
在软弱粘性土层制作振冲置换桩，宜采用间断下料法。此法是把振冲器提出孔口，第一次往孔内倒入约1m厚的填料，再将振冲器沉入填料中振密并扩大桩径。若电流值达不到规定值，应将振冲器提出至孔口，再向孔内倒入填料，下振冲器振实，直至达到规定值为止。以后各段都应将振冲器提出孔口，依次倒入填料振实，每次填料厚度为50cm。
这两种制桩的顺序有利于挤走部分软土，故予规定。孔位偏差是参照(GBJ202-83)第3.9.10条中的二，三两项提出的。成孔中心偏差在该规范中规定不大于0.2d，但一般桩孔直径为70~110cm，其偏差为14~22cm，实际上此项标准难以达到，故将允许偏差放大为0.3d，即21~33cm。振冲施工过程中只能用填料量，密实电流和留振时间控制质量，对于松砂地基以控制留振时间为主，对软土地基以控制密实电流为主。由于振冲碎石桩的顶部1m左右侧压力小，填碎石难以振密实，故桩顶不密实部分应挖除或采取其他补救办法。本条是按(GBJ202-83)的要求制订的。该规范根据砂土地基单桩的垂直静荷载试验，规定桩入土7d后进行试验，由于砂壤土固结较慢，故本条对砂壤土规定加固半月后进行试验。
4 结语: 地基处理技术发展至今，已经成为综合性的应用科学技术。近年来，随着经济的发展，建筑规模快速扩大，特别是在各种复杂的地质条件下建设的项目越来越多，如何经济合理地解决好地基问题，在建筑工程中占有越来越重要的地位。多年来，业内的专家和科技人员不懈探索，不断创新，促使新技术、新工艺、新材料、新设备不断涌现。
注：文章内所涉及的公式及图表请用PDF查看
关键词：水闸地基处理施工
1 地基处理概述
水闸地基处理的方法很多,它们主要用于以下三个方面:(1)增加地基的承载能力,保证建筑物的稳定;(2)消除或减少地基的有害沉降;(3)防止地基渗透变形。国外对于水闸地基处理的方法也很多,使用较多的主要有以下几种:置换法、排水固结法、灌入固化物法、振密或挤密法、加筋法和桩基法等。置换法根据置换材可分为换土(砂)垫层法、挤淤置换法、强夯置换法、振冲法、砂石桩法、石灰桩法等;排水固结法主要有加载预压法、超载预压法和真空预压法等;灌入固化物法主要有深层搅拌法、旋喷桩法和水泥粉煤灰碎石桩法(CFG桩法);振密或挤密法主要有强夯法、挤密砂石桩法和夯实水泥土桩法;加筋法主要有低强度混凝土桩复合地基法和钢筋混凝士桩复合地基法;桩基法主要有木桩法、预制管桩法、钻孔桩法。目前国内在增加水闸地基承载能力和减少地基有害沉降的处理方法方面最常用的是垫层法、砂井预压法、灌浆法和桩基法,加载预压法、超载预压法和真空预压法因所需工作面广和预压时间长,目前使用较少,强夯置换法、振动水冲法因实践经验比较少,现正处在探索过程中。水闸地基处理方法很多,但每种方法都有一定的适用条件和局限性,不存在一个万能的解决方案这里主要介绍水闸地基处理的换土(砂) 垫层法地基和振冲法地基施工方法。
2 换土(砂)地基处理方法
关于垫层材料的选用，应遵循就地取材，节约经费的原则，并要考虑施工方便，技术可靠。级配良好的中砂和粗砂，较易振动密实。某腰闸地基换填厚3.9m中砂，用水撼法振密，相对密度达0.8~0.9，最大干密度达1.85g/cm3以上，密实度满足设计要求。级配良好的砾质砂也可使用。但对可能是管涌土类，必须验算闸基出口段抗渗稳定性。至于粉，细砂和砂壤土类，不均匀系数多在1~3之间，遭受振动荷载作用时，易产生"液化"现象，不宜采用。
对于砂料的含泥量，一般规范都规定不大于3%。考虑砂垫层砂料的选用关键是紧密度能否满足要求，故含泥量可放宽到5%。
粘性土类以中壤土类为适宜，这类土易于打碎，施工含水量易控制也易夯实。粘粒含量较大的重粉质壤土和粘土，打碎较困难，施工含水量也难控制，不宜作为换土的土料。含砾粘性土是较好的垫层材料，其中含有较多的砂粒和小砾石，有利于土块的破碎和疏干。
粘性土垫层施工含水量的控制是保证施工质量的关键，应严格掌握。设计的控制干密度是由室内击实试验得到的最大干密度乘以压实度而得出的。如图（1）所表明的击实曲线，最大干密度为1.65g/cm3，取压实度为96%，则控制干密度为1.58g/cm3。控制干密度的坐标线与击实曲线相交于a，b点，a点的横坐标即为施工含水量的下限值，b点的横坐标为上限值；ab区间即施工控制含水量的范围。若土料的含水量不在该区间内，则密实度是很难达到预期效果的。
为了避免坑底基土受到扰动，预留适当厚度的保护层是一般常用的方法，对于含水量过大的淤泥类土，在开挖到设计高程后，可铺垫一层土工织物，一方面起保护基坑底面，解决在淤泥土上操作困难的问题；另一方面可起到铺垫作用，承受一部分拉应力，从而增强稳定性和减小沉降量。
垫层直接作为水闸基础的持力层，在设计计算中是作为基础的一部分考虑的，因此填筑时，每层厚度应符合规定，否则层底部密实度达不到设计要求。由于土的性质和施工机械不同，铺土厚度也不同，应根据试验确定。
垫层铺垫时，应尽可能一层铺毕压实后再铺上一层，不要形成"界沟"或接头。若回填面积过大，必须分段施工，则应将每层接头错开，不要形成自上到下的通缝，造成薄弱环节。
3 振冲地基处理方法
振冲法加固砂土或砂壤土地基，能同时起到增密，排水减压和预振效应等三方面的作用，对提高地基土壤抗液化能力和承载力的效果是明显的。
目前对振冲法加固软弱粘性土地基的有效性认识尚不一致，较多的意见认为：用振冲法加固粘性土地基主要是振冲置换土和制桩挤实作用，形成桩土复合地基。因此，用碎石桩振冲置换软基时，地基土的不排水抗剪强度应大于16~20KPa。这是由于位于软土的碎石桩，如果软土强度太低，则桩四周的侧压力太低，并不能提高地基的承载力，因此对软弱粘性土地基必须经论证才可采用振冲法加固。
振冲置换所用的填料，对粉细砂和砂壤土地基用砾砂，粗砂，对软土堆基用碎石，但碎石桩改变了闸基渗流状态，可能还需增加防渗设施。对中，粗砂地基可不加填料，只用振动器的振力将地基振动密实。
振冲器与振冲孔周边之间一般为50~100mm。因此碎石填料粒径在5~40mm之间为宜，最大粒径不宜大于50mm，粒径过大易发生拒落，料径过细，在孔内泥浆中沉入速度太慢，也不易振密。填料的含泥量要求在50%以下，是按南京水利科学研究院的资料提出的。否则将增加泥浆的比重，填料下沉速度减慢，影响加固效果。砂石混合料不应使用，因振冲时会使砂料和石料分离，密实度差。
振冲法的加固效果与振冲器的技术参数和选型有密切关系。国外试验表明，振冲器的振动频率宜接近土体自振频率，一般软弱地基的自振频率粘性土为8~16Hz，砂土为15~28Hz。目前国内生产的振冲器的频率为1450r/min(24Hz)，故对饱和松散的砂基加密效果是较好的，对软土则效果差些。因此，本条规定应按工程要求和土质情况来选用。
起重能力应根据加固深度和施工方法来选定。振冲深度不大于18m时，一般选用起重能力80~150kN可满足施工要求。根据施工实践，振冲器的出口水压和供水量大小随地基而异，对软弱土，粉细砂和砂壤土地基，水压宜为0.4~0.6MPa；对中，粗砂地基宜为0.6~0。8MPa；对粗砂尚可大些。供水量一般控制在200~400/min之间。在输水管上要装置阀门，以便能调节压力和水量。
振冲碎石桩的质量是以振冲器振动时的工作电流到达规定值为控制标准，故应配备相应的电流表和电压表。目前国产ηA-30型振冲器的起动电流常达100~150A，相应配置电流表容量应在150A以上。为提高施工记录的精度，可采用电流，电压自动记录方法。
通用各型号振冲器的技术参数如表（1），可供参考。
振冲器贯入速度由地质条件确定。对密实的或粘性大的地基，贯入速度应慢些，反之可快些。贯入快时尖端阻力大，成孔直径较小，不利于投料和顺利施工。一般控制在1~2m/min，通常每贯入0.5~1.0m宜悬挂留振，其时间为5~10s，以有利于振冲洗孔扩大孔径。当造孔接近加固深度时，振冲器在孔底适当停留并减小射水压力，一般保持0.1MPa的水压即可。此时除可将泥浆带出孔外，并能够防止泥浆反压进入喷水管内。振密制桩时，只需小水量补给，使填料在水饱和条件下沉入，以便于振捣密实。如水量或水压过大会使孔中回水量和流速增大，带出大量细颗料，并不能收到振密的效果。
在粉细砂，砂壤土中加填料振冲密实宜采用连续下料法。此法是造孔至要求深度后，不提出振冲器即向孔内填料，借振冲器的水平振力将填料挤入周围土中，从而使土层挤密。由于土层逐渐密实，阻力渐增，电流值也将增高，当电流值升高至规定的控制值时(对于30kW振冲器宜为50~60A)，将振冲器上提一段距离，继续投料挤密直至孔口。上提距离约为振冲器锥头的长度，即为30~50cm。
在软弱粘性土层制作振冲置换桩，宜采用间断下料法。此法是把振冲器提出孔口，第一次往孔内倒入约1m厚的填料，再将振冲器沉入填料中振密并扩大桩径。若电流值达不到规定值，应将振冲器提出至孔口，再向孔内倒入填料，下振冲器振实，直至达到规定值为止。以后各段都应将振冲器提出孔口，依次倒入填料振实，每次填料厚度为50cm。
这两种制桩的顺序有利于挤走部分软土，故予规定。孔位偏差是参照(GBJ202-83)第3.9.10条中的二，三两项提出的。成孔中心偏差在该规范中规定不大于0.2d，但一般桩孔直径为70~110cm，其偏差为14~22cm，实际上此项标准难以达到，故将允许偏差放大为0.3d，即21~33cm。振冲施工过程中只能用填料量，密实电流和留振时间控制质量，对于松砂地基以控制留振时间为主，对软土地基以控制密实电流为主。由于振冲碎石桩的顶部1m左右侧压力小，填碎石难以振密实，故桩顶不密实部分应挖除或采取其他补救办法。本条是按(GBJ202-83)的要求制订的。该规范根据砂土地基单桩的垂直静荷载试验，规定桩入土7d后进行试验，由于砂壤土固结较慢，故本条对砂壤土规定加固半月后进行试验。
4 结语: 地基处理技术发展至今，已经成为综合性的应用科学技术。近年来，随着经济的发展，建筑规模快速扩大，特别是在各种复杂的地质条件下建设的项目越来越多，如何经济合理地解决好地基问题，在建筑工程中占有越来越重要的地位。多年来，业内的专家和科技人员不懈探索，不断创新，促使新技术、新工艺、新材料、新设备不断涌现。
注：文章内所涉及的公式及图表请用PDF查看