基于復合微型樁的泥石流攔擋壩基底加固方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于復合微型樁的泥石流攔擋壩基底加固方法，根據壩基天然地基承載力和擬設壩體基底應力，結合壩址處的地形條件，采用微型鋼管樁組成群樁基礎，配合內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿，構成復合地基；鋼管與管內混凝土和鋼筋芯共同作用，受力性狀為兩端固定的受壓桿件，變形分析按彈性階段的折算斷面法計算。本發明充分利用鋼管樁和鋼筋芯等鋼材抗壓強度高和彈性模量高的特點，可提高攔砂壩地基的承載力10～12倍；大大提高了壩基土層的抗沖刷能力，解決狹陡型泥石流溝道地基承載力不足和壩下沖刷影響壩體安全的問題；所需的占地小、開挖和擾動工作量少，施工快捷方便，對于強震區地形條件惡劣的泥石流溝具有明顯的適用性優勢。
【專利說明】
基于復合微型樁的泥石流攔擋壩基底加固方法
技術領域
[0001] 本發明屬于泥石流防治技術領域，尤其涉及一種基于復合微型粧的泥石流攔擋壩 基底加固方法。
【背景技術】
[0002] 泥石流災害是我國地質災害的主要類型之一，特別是"5.12"汶川地震之后，西部 山區的泥石流活動顯著增強。強震區泥石流溝常呈現出溝谷狹、縱坡陡、岸坡高、巖土體松 散等特征，由于施工機械難以到達、人工作業安全無保障、"三通一平"工作量大等原因，該 類泥石流溝防治工程的施工環境復雜惡劣，安全風險高，諸多以往廣泛使用的工藝和技術 在此類工程中無實施條件。例如，受開挖范圍和深度的限制，僅依靠傳統的板式壩基將難以 解決廣泛存在的基底應力過大、壩下沖刷深度過深等問題;拱式壩基需要溝道兩側存在堅 實的持力層，在此類溝道中也往往難以滿足。較為可行的方案是采取粧基，但大型粧基在此 類泥石流溝防治工程中存在以下問題：1)施工條件一該類泥石流溝道一般侵蝕或淤埋作用 強烈，溝道深切、岸坡陡峻、溝床縱坡大，若采用機械成孔法，則大型施工機械無地形條件展 布，且機械震動大影響溝岸邊坡安全，而人工挖孔粧則存在粧壁垮塌問題，施工安全風險極 大;2)工期壓力一泥石流治理工程只能在旱季施工，短促的工期決定了不可能開展耗時較 長的地基處理措施;3)技術瓶頸一泥石流的沖刷或淤埋作用常常引起局部地形強烈而頻繁 的變化，致使粧基方案在勘查、設計和施工過程中經常變更，難以準確定量化設計。為了保 證在震區狹陡泥石流溝道中安全、有效、便捷地實施攔擋工程，在泥石流攔擋工程基礎選型 中必須充分考慮施工可行性，盡量選擇土方挖填量小、機械體量小、施工安全便捷、地基強 度較高的基礎型式和施工工藝，避免因作業量太大難以搬運或作業安全無法保障，這樣才 能促進泥石流攔擋工程的順利實施。
[0003] 目前強震區常出現泥石流溝道地形條件惡劣、造成溝內攔擋工程基礎處理困難。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法，旨在 解決目前強震區常出現泥石流溝道地基承載力弱、地形條件惡劣、造成溝內攔擋工程基礎 處理困難的問題。
[0005] 本發明是這樣實現的，一種基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法，所述 基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法根據壩基天然地基承載力和擬設壩體基底 應力，結合壩址處的地形條件，采用微型鋼管粧組成群粧基礎，配合內置鋼筋芯和外擴壓力 灌漿，構成復合地基;鋼管與管內混凝土和鋼筋芯共同作用，受力性狀為兩端固定的受壓桿 件，變形分析按彈性階段的折算斷面法計算。
[0006] 進一步，所述基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法包括：
[0007] 首先確定壩基天然地基承載力和攔擋壩設計基底應力，天然地基承載力與壩基設 計應力的差值即為復合地基需分擔的荷載；
[0008] 然后根據壩址處的地形條件，采用微型鋼管粧組成群粧基礎，再配以內置鋼筋芯 和外擴壓力灌漿；
[0009] 最終組合構成復合地基，鋼管粧與管內混凝土和鋼筋芯共同承載，其受力性狀為 兩端固定的受壓桿件，變形分析按彈性階段的折算斷面法計算。
[0010] 進一步，所述基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法包括以下步驟：
[0011] 步驟一，依據巖土工程勘查資料，確定出擬設壩位的地基土力學參數，包括內摩擦 角屮、粘聚力C和各土層地基承載力特征值按厚度的加權平均值f ak;
[0012] 步驟二，由總豎向荷載F和承臺及上覆土層重G，計算擬設攔砂壩在最危險工況下 壩趾處的壓應力〇max ;
[001 3]步驟三，比較。和0歷，根據兩者差距大小設計復合鋼管粧基；
[0014] 步驟四，由公式R = Ra+nc ? fak ? Ac計算復合粧基豎向承載力設計值R，由公式
?計算單粧受力N;
[0015] 步驟五，比較R和N，gR>N，則復合粧基承載力滿足要求，設計完成；若RSN，則不 滿足要求，回到步驟四調整復合粧基設計參數，繼續進行設計。
[0016] 進一步，所述步驟四中復合粧基豎向承載力設計值R由單粧豎向承載力設計值Ra 和考慮承臺效應的地基承載力設計值組合而成，其中單粧豎向承載力設計值
式中，Qsk-單粧總極限側阻力標準值，為粧的極限側阻力標準值，h為按 土層劃分的各段粧長;QPk-單粧總極限端阻力標準值，Qpk = qpkAP，qpk為粧的極限端阻力標 準值，AP為單粧截面面積；y s-粧側阻抗力分項系數，粧端阻抗力分項系數，均取 1.65;承臺效應的地基承載力設計值n。? fak ? Ac，其中n。一承臺效應系數，計算取〇.〇7;Ac- 計算基粧對應的承臺底凈面積，AciU-nApJ/r^A為承臺底面總面積，A PS為單根粧身截面面 積，n為粧根數。
[0017] 進一步，所述復合鋼管粧中微型鋼管、內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿三者受壓后的 變形量保持一致，按照彈性變形階段理論，其滿足彈性力學中的三維變形協調方程
[0018] 本發明提供的基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法，首先根據壩基天然 地基承載力和擬設壩體基底應力，結合壩址處的地形條件，采用微型鋼管粧組成群粧基礎， 配合內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿，構成復合地基;鋼管與管內混凝土和鋼筋芯共同作用，其 受力性狀為兩端固定的受壓桿件，變形分析按彈性階段的折算斷面法計算。復合鋼管粧基 一方面利用鋼材的高彈性模量，可提高天然地基承載力達10-12倍，并通過內置鋼筋芯和灌 注砂漿增強粧體剛度;另一方面通過壓力灌漿向粧外擴散漿液，充填巖土體孔隙，從而改善 粧周地層密實度，置換軟弱地基，提高抗沖刷能力。本發明充分利用鋼管粧和鋼筋芯等鋼材 抗壓強度高和彈性模量高的特點，同時通過壓力灌漿對粧周地層進行改良，可提高攔砂壩 地基的承載力10~12倍;大大提高了壩基土層的抗沖刷能力，解決狹陡型泥石流溝道地基 承載力不足和壩下沖刷影響壩體安全的問題;所需的占地小、開挖和擾動工作量少，施工快 捷方便，對于強震區地形條件惡劣的泥石流溝具有明顯的適用性優勢。本發明充分發揮鋼 材的抗壓強度和高彈模，鋼管粧和灌漿固化物對壩基天然地層進行擠密和充填，可提高攔 砂壩地基的承載力達10~12倍，并提高壩基土層的抗沖刷能力及壩體安全性;施工所需占 地小、開挖和擾動工作量少，快捷方便，對于強震區地形條件惡劣的泥石流溝具有顯著的適 用性優勢。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明實施例提供的基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法流程 圖。
[0020] 圖2是本發明實施例提供的單個復合鋼管粧截面圖。
[0021] 圖3是本發明實施例提供的復合鋼管粧群平面布置圖（L為壩基長，B為壩基寬）。
[0022] 圖4是本發明實施例提供的攔擋壩基底復合鋼管粧群縱斷面布置圖。
【具體實施方式】
[0023]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發明 進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于 限定本發明。
[0024] 下面結合附圖對本發明的應用原理作詳細的描述。
[0025] 如圖1所示，本發明實施例的基于復合微型粧的泥石流攔擋壩基底加固方法包括 以下步驟：
[0026] S101:首先根據壩基天然地基承載力和擬設壩體基底應力，結合壩址處的地形條 件，采用微型鋼管粧組成群粧基礎，配合內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿，構成復合地基；
[0027] S102:鋼管與管內混凝土和鋼筋芯共同作用，其受力性狀為兩端固定的受壓桿件， 變形分析按彈性階段的折算斷面法計算。
[0028] 復合鋼管粧基一方面利用鋼材的高彈性模量，提高地基承載力并增強粧體剛度， 另一方面通過壓力灌漿改善粧周地層密實度，提高抗沖刷能力。
[0029] 具體而言，本發明提出的基于復合鋼管粧的泥石流攔砂壩基底加固方法，步驟如 下：
[0030] A.依據巖土工程勘查資料，確定出擬設壩位的地基土力學參數，包括內摩擦角9、 粘聚力C和各土層地基承載力特征值按厚度的加權平均值f ak等；
[0031] B.由總豎向荷載F和承臺及上覆土層重G，計算擬設攔砂壩在最危險工況下（空庫 過流時)壩趾處的壓應力〇m ax ;
[0032] C.比較fak和(W，根據兩者差距大小設計復合鋼管粧基；
[0033] D.由公式R = Ra+n。? fak ? Ac計算復合粧基豎向承載力設計值R，由公式
計算單粧受力N;
[0034] E.比較R和N，gR>N，則復合粧基承載力滿足要求，設計完成;若R < N，則不滿足要 求，回到步驟C調整復合粧基設計參數，繼續進行設計。
[0035]上述步驟C中，復合鋼管粧基的結構組成由微型鋼管、內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿 三部分，其設計參數包括鋼管粧的直徑、粧長、粧間距、群粧的數量和平面布置形式及位置、 鋼筋芯中的鋼筋直徑和根數、外擴灌漿的漿液材料及濃度等級、灌漿壓力等級、擴散半徑、 設計最大壓力和濃度下的結束標準等。
[0036]上述步驟D中，復合粧基豎向承載力設計值R由單粧豎向承載力設計值R4P考慮承 臺效應的地基承載力設計值組合而成，其中單粧豎向承載力設計值
，式中， Qsk-單粧總極限側阻力標準值，為粧的極限側阻力標準值，1溈按土層 劃分的各段粧長;QPk-單粧總極限端阻力標準值，QPk = qPkAP，qpk為粧的極限端阻力標準值， AP為單粧截面面積；y s-粧側阻抗力分項系數，粧端阻抗力分項系數，均取1.65。考慮 承臺效應的地基承載力設計值n。? fak ? Ac，其中n。一承臺效應系數，這里計算取〇.〇7;Ac- 計算基粧對應的承臺底凈面積，AciU-nApJ/r^A為承臺底面總面積，A PS為單根粧身截面面 積，n為粧根數。
[0037] 復合鋼管粧中微型鋼管的直徑為50mm~200mm，長徑比為50~150;鋼管同時作為 壓力灌漿的花管，鋼管粧中部以下管壁設有小孔，孔徑根據所用漿液材料的粒徑大小合理 選擇，化學漿液開孔為2~4mm，純水泥漿液開孔為6~8mm，水泥砂漿開孔為8~12mm;鋼管粧 設計為群粧，粧間距及排距為粧徑的6~10倍;為防止壩下土層被泥石流沖刷，鋼管粧主要 布置在壩基底板下游端距離壩趾2.0~5.0m范圍內；鋼管粧施工方法采用風動潛孔錘跟管 鉆進，成孔后安置鋼管并拔出套管。
[0038]復合鋼管粧中的內置鋼筋芯采用3~7根鋼筋，鋼筋直徑為25~32mm，點焊成束，放 置于鋼管中心形成軸心抗壓豎向增強體;沿鋼筋芯長度方向每隔2~3m用細鋼條焊制固定 架，支撐于管壁，以保證鋼筋芯始終處于管內中心位置。
[0039] 復合鋼管粧外擴壓力灌漿的漿液材料可采用純水泥漿、水泥砂漿、細粒混凝土或 環氧樹脂等化學漿液；灌漿方法采用孔口封閉、純壓式灌漿法，灌漿壓力分等級從0.1~ l.OMPa逐級提高，漿液濃度由稀至濃逐級加濃，直至在設計最大壓力和最濃漿液下達到設 計的結束標準為止，此時壩基底土層應被漿液完全充填密實。
[0040] 復合鋼管粧中的微型鋼管、內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿三者應完全粘結，并與粧 周土層組成復合地基，共同承擔上部荷載并抵抗壩下沖刷;復合粧基受力性狀為兩端固定 的受壓桿，其變形分析按彈性階段的折算斷面法計算，根據鋼管、鋼筋芯與灌漿柱的彈性模 量比值進行面積折算，由于鋼材的彈性模量是水泥混凝土材料彈模的10~12倍，則鋼材的 斷面面積折算為混凝土面積后也應是原面積的10~12倍，因此，可大大擴大原受壓面積，大 幅提尚微型粧的抗壓承載力。
[0041] 復合鋼管粧中微型鋼管、內置鋼筋芯和外擴壓力灌漿三者受壓后的變形量保持一 致，按照彈性變形階段理論，其滿足彈性力學中的三維變形協調方程
[0042] 下面結合具體實施例對本發明的應用原理作進一步的描述。
[0043] 實施案例，如圖2-圖4
[0044] 1)某泥石流攔砂壩壩址處的溝床縱坡約為350%。，溝床堆積物豐富，在水流和泥石 流的沖刷下，溝床下切強烈，溝道呈"V"型。物質組成為碎塊石夾粉質粘土，碎塊石含量約占 40~60%，一般粒徑15~40cm，最大可達3.0m，岸坡坡度15~70°。壩肩及基底土體力學性質 為：1)小于4. Om地基土為稍密碎石，測試N120錘擊數標準值為5.3擊/10cm，承載力不滿足上 部設計荷載的要求。2)大于4. Om地基土為中密碎石，穩定性好，N120錘擊數標準值為8.3擊/ 10cm，具有低壓縮性，該層可做基礎持力層。由于施工條件的限制，優選采用本發明的基于 復合鋼管粧的攔砂壩基底加固方法，步驟如下：
[0045] A.依據現場工程勘查資料，確定稍密碎石土的承載力特征值為350kPa;確定稍密 碎石土的承載力特征值為550kPa，兩層地基土承載力特征值按厚度的加權平均值fak = 470.OkPa〇
[0046] B.由擬設壩體的設計參數，計算出最不利工況下壩趾處的最大基底應力值為 570.78kPa〇
[0047] C.比較fak和〇max，地基承載力不足，設計復合鋼管粧基參數為:鋼管粧設計3排共計 20根粧，粧徑0.15m，粧長8. Om，梅花形布置，粧間距和排距均為1. Om。鋼管粧底端開8mm小孔 作為灌漿花管，粧內放置3根巾25鋼筋，點焊成束，每隔2m設置一處固定點。鋼管粧及鋼筋安 裝就位后進行灌注水泥漿，漿液水灰比采用5:1、3:1、1:1、0.8:1、0.5:1五個等級，灌漿壓力 采用0 ? IMPa、0 ? 3MPa、0 ? 5MPa、0 ? 7MPa 四個等級。
[0048]D.由公式R = Ra+n。? fak ? Ac計算復合粧基豎向承載力設計值R = 585.08kPa，由公 式
計算單粧受力N=418.25kPa;
[0049]比較R和N，可見R>N，則復合粧基豎向承載力設計值大于單粧所受的壓力，即復合 粧基承載力滿足要求，設計完成。
[0050]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法，其特征在于，所述基于復合微 型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法根據巧基天然地基承載力和擬設巧體基底應力，結合巧 址處的地形條件，采用微型鋼管粧組成群粧基礎，配合內置鋼筋忍和外擴壓力灌漿，構成復 合地基;鋼管與管內混凝±和鋼筋忍共同作用，受力性狀為兩端固定的受壓桿件，變形分析 按彈性階段的折算斷面法計算。2. 如權利要求1所述的基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法，其特征在于，所 述基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法包括： 首先確定巧基天然地基承載力和攔擋巧設計基底應力，天然地基承載力與巧基設計應 力的差值即為復合地基需分擔的荷載； 然后根據巧址處的地形條件，采用微型鋼管粧組成群粧基礎，再配W內置鋼筋忍和外 擴壓力灌漿； 最終組合構成復合地基，鋼管粧與管內混凝±和鋼筋忍共同承載，其受力性狀為兩端 固定的受壓桿件，變形分析按彈性階段的折算斷面法計算。3. 如權利要求1所述的基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法，其特征在于，所 述基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法包括W下步驟： 步驟一，依據巖±工程勘查資料，確定出擬設巧位的地基±力學參數，包括內摩擦角取、 粘聚力C和各±層地基承載力特征值按厚度的加權平均值fak; 步驟二，由總豎向荷載F和承臺及上覆±層重G，計算擬設攔砂巧在最危險工況下巧趾 處的壓應力曰max; 步驟Ξ，比較f ak和Omax，根據兩者差距大小設計復合鋼管粧基； 步驟四，由公式R = Ra巧C · fak · Ac計算復合粧基豎向承載力設計值R，由公式 巧 計算單粧受力N; 步驟五，比較R和N，若R>N，則復合粧基承載力滿足要求，設計完成;若R ^ N，則不滿足 要求，回到步驟四調整復合粧基設計參數，繼續進行設計。4. 如權利要求3所述的基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法，其特征在于，所 述步驟四中復合粧基豎向承載力設計值R由單粧豎向承載力設計值Ra和考慮承臺效應的地 基承載力設計值組合而成，其中單粧豎向承載力設計值式中，Qsk-單粧總極 限側阻力標準值，Qsk = ulqsikli，qsik為粧的極限側阻力標準值，1功按±層劃分的各段粧 長;Qpk-單粧總極限端阻力標準值，Qpk = qpkAp，qpk為粧的極限端阻力標準值，Ap為單粧截面 面積；丫 S-粧側阻抗力分項系數，丫 P-粧端阻抗力分項系數，均取1.65;承臺效應的地基承 載力設計值屯· fak · Ac,其中ric-承臺效應系數，計算取0.07;Ac-計算基粧對應的承臺底 凈面積，Ae= (A-nAps)/n，A為承臺底面總面積，Aps為單根粧身截面面積，η為粧根數。5. 如權利要求3所述的基于復合微型粧的泥石流攔擋巧基底加固方法，其特征在于，所 述復合鋼管粧中微型鋼管、內置鋼筋忍和外擴壓力灌漿固化物Ξ者受壓后的變形量保持一 致，按照彈性變形階段理論，其滿足彈性力學中的Ξ維變形協調方程·
【文檔編號】E02D27/40GK105839659SQ201610230398
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】楊東旭, 陳曉清, 游勇, 石勝偉, 趙萬玉, 黃海, 劉建康
【申請人】中國地質科學院探礦工藝研究所