水利水电工程施工中有关不良地基处理技术

水利水电工程施工中有关不良地基处理技术

庞海涛

中国水利水电第十一工程局有限公司

摘要：不良地基处理是现代水利水电工程的施工难点，部分工程现场分布低强度、高压缩量软弱土层，如果盲目开展现场施工作业，选择不适合的软基处理技术，将会影响地基结构的稳定性和安全性，从而引发地基不均匀沉降、水工建筑物结构开裂等问题。因此，应通过科学的方式进行不良地基的勘探分析，采取合适的工艺方式，这样才可以有效地提升水利水电工程的整体质量。

关键词：水利水电工程施工；不良地基；处理技术

1不良地基的主要特点

不良地基是一种十分复杂的地基，指的是强度低、压缩性高、含水量高的松软土层。一般来说地基中含有一定的有机物质，不良地基多分布在大江、大河、沿海以及降水量比较充沛的地区，强度低是其主要特点。如果不良地基的含水量超过了临界值，地基的稳定性则会受到影响，无法满足正常的行车需求。在水利水电工程施工过程中，应当采取合适的手段来提升其承载能力与安全性。

1.1塑性体积应变

不良地基的重要组成成分为絮凝状态的沉积物，如果没有外力影响或严重破坏，这种物质的状态具有一定强度，但是在外力冲击下，沉积物会稀释，具有流动性，这种状态下就容易出现侧方滑动。如果长期受到重物的负荷，软土层的形态结构就会发生一定变化，地基稳定性大受影响，引起沉降问题。从大量研究不难发现，在水利水电工程施工中遇到不良地基时，可以采取科学操作，从而保证建筑施工结构的稳定性。

1.2结构不均匀

不良地基指的是抗剪强度低、压缩性比较高的土质，由于水利水电工程的跨度比较大，不同区域的土壤密度、强度等都有一定差异，尤其是在受力不均匀、操作力比较小的情况下，地基稳定性严重不足。施工完成之后如果没有做好检查和养护，路面就会出现较大裂缝，甚至影响深层结构。

1.3抗剪强度低

在对不良地基进行分析之后不难发现，土层密度比较小而且容易在外力作用下产生形变，抗剪强度严重不足。这种情况下，会直接导致路面的沉降，影响行车的安全性。

1.4含砂量较大，地基强度较低

在不良地基内部不仅存在很多的细微颗粒，而且这些土颗粒状含有大量的砂石。这些砂石将会极大程度上影响不良地基本身的强度与稳定性，难以让水利水电工程的承载强度达到工程要求的标准，从而降低了水利水电工程建设工作的效果。对于这一问题，施工单位必须予以高度重视，采取相应的处理技术，有效管控地基内部的有机质含量，确保其能够维持在地基可承受的范围标准之内。另外，施工人员在后期可以利用物理技术，对地基进行加固操作，这样不但能够有效提高地基本身的承载强度，而且还能将地基当中的黏土的水分含量控制在标准范围内，从而降低各方面隐患因素的产生概率，以此保障水利水电工程建设效果。

2水利水电施工中不良地基施工时需遵守的原则

2.1系统性

在不良地基上进行施工时，应系统考虑地基条件、施工条件、水利水电条件等因素。其中地基条件包括不良地基生成、排水条件、成层状态、各层土质长度；施工条件为工程规模、填土形状、填土材料、进度、土质常数、固结系数、压缩系数、含水率等；水利水电条件包括技术要求、水利水电等级、容许工后沉降量、必要安全率等。

2.2适宜性

在水利水电不良地基上进行施工时，需要落实适宜性原则，在考虑原有水利水电地基的基础上，选择与地基密实度要求相符的回填材料，确保填土施工后沉降率在容许值以内。同时，对于水利水电不良地基施工后存在的问题，采取适宜的处理方法。如在软土层厚度较小时，采取生石灰浅层拌和或换填方法，而在软土层厚度较大时，则选择碎石、砂、砂砾矿渣等制备粒料桩处理方法，确保不良地基稳定承载力达到规范要求。

2.3综合性

在水利水电不良地基处理时，应综合解决沉降、稳定等问题，同时利用两种或两种以上的施工技术。一般需要综合应用加速排水固结措施、增强不良地基强度措施。比如，先在拟建不良地基上施加一定静荷载，减小水利水电构筑物建成后沉降，再利用翻松、回转、搅拌机械改良不良地基局部范围内的软土，或者利用高强度土工格编织物修建加筋路堤，提高不良地基强度，为后续施工提供支持。

3不良地基变形规律和作用因素

3.1塑性体积变形

由于软土的空隙较大，在水利水电施工和使用中，如果在不同方向向软土施加应力，会导致软土颗粒出现变形或变位情况，软土颗粒无法恢复到原来形状，则会出现不可复原的塑性体积变形情况。

3.2硬化和软化

从三方应力场中发现，不良地基轴向应力与变形之间的关系曲线呈软化和硬化两种类型，前者是指应力与变形之间的关系开始是逐步上升的，在应力达到某个特殊值后逐渐下降；后者是指曲线在上升过程中突然受到外力破坏。在施工中发现，软化可以使不良地基原有强度降低，导致周边软土承载压力加大，从而对水利水电结构造成破坏。

3.3非线性和非弹性

水利水电施工中经常会用到混凝土和金属材料，在轴向上施加压力，会导致应力和变形之间出现直线关系，此时这些材料处于弹性变化状态；当应力上升状态达到最大值时，应力和变形之间的关系会转成曲线。软土也有这方面的性质，不过软土受到应力时，线性变化非常短暂，所以一般认为软土的变化是非线性的，同时软土的形变特征呈非弹性。而这种非线性和非弹性特点导致软土受到应力后的变化难以预测，会为施工带来一定的困难。

3.4各向异性

不良地基多为层状分布，但不同基层间的土质差别较大。一般来说，水平方向上的土层具有各向同性，但由于软土中的层次结构组成存在一定的差异性，所以从纵向上来看，软土结构具有各向异性。

4水利水电工程中不良地基处理技术要点

4.1排水固结处理技术

水利水电工程施工时，排水固结技术对不良地基处理的效率也较高，适用于含水量比较高的不良地基中，以保证地基的稳定性。如果在处理之后发现没有取得理想效果，可以在地基中安装排水管道，尽量保持竖直或水平，打造成排水井，起到优化不良地基边界条件的作用，加快水分从孔隙中的排出。目前，最常用的排水固结技术有以下几种：

1）砂井堆载预压法。对于渗水性能比较差的饱和黏性不良地基，砂井堆载预压法的效果比较好，可起到压实地基中土质颗粒的作用，从而保证地基强度，加快土体固结的速率。

2）真空排水预压法。用砂井、砂垫层对土体进行固定处理，通过真空泵来抽出土体中的气体，让砂垫层始终保持真空状态，加快水分排出，确保能够取得理想的固结预压效果。真空预压的操作工艺比较简单，但并不适用于对地基有较高要求的水利水电工程中，也正是因为如此，这种处理技术的应用范围并不广。

3）降水预压法。主要原理在于，用井点抽水的方式降低地下水位，充分发挥了土体自重的作用，以达到预压效果。

4.2高压喷射注浆技术

水利水电工程不良地基施工阶段使用较为广泛的就是高压喷射注浆技术，该技术属于一项化学性的处理手段，施工人员需要在技术使用之前，确定钻孔位置再进行钻孔操作，再利用高压喷射装置将混凝土浆液喷射到钻孔当中，此时地下土层将会与浆液相互融合形成固体，以起到对不良地基内部结构的加固效果，提高不良地基结构的稳定性与密实性。

首先，高压喷射注浆技术可以依据公路不良地基的施工要求，很好地调控固结体的形状，通过对喷射速度的改变以及相关参数的调整，满足公路不良地基的实际施工目标。其次，高压喷射注浆技术在使用阶段所应用的喷射装置体积较小，不会占用过大的施工面积，并且因为该装置的构件连接紧密，在操作上较为灵活，方便工程人员进行管理。最后，高压喷射注浆技术的施工内容较为简单，只需要在钻孔位置确定好后进行钻孔操作，再利用喷射装置将浆液喷射到孔内即可，能够起到良好的不良地基加固效果，防止不良地基变形问题的产生。

4.3强夯技术

在水利水电工程不良地基的施工阶段，可以依据实际情况选择强夯技术进行处理，强夯技术在处理过程中所应用到的施工设备操作较为简单，可以在较短的施工时间内达到很好的施工效果，并且不需要消耗过量的施工资金。不过，强夯技术的使用存在一些弊端问题，如果在居民区密集的施工场所，将会产生大量的噪声，这会干扰人们的正常生活。因此，在这些区域，强夯技术不可采用。对于合适的施工区域，施工单位在使用强夯技术的过程中需要注意以下两点要求：其一，施工技术人员必须依据强悍技术的应用流程，按照程序要求进行质量的检测与审核，确保达到夯实指标才能进行。其二，在强夯技术应用过程中需要将施工距离维持在安全的范围标准内，通过相应的保护手段，避免施工工作对周围建筑物造成损伤，保证强夯施工工作的稳定进行。

(1）强夯挤密法，针对碎石土地基以及粘性土地基的加固操作，可以利用强夯挤密法进行施工，该方法可以对小于10的塑性不良地基发挥很好的改善作用。(2）强夯置换法，针对超过6米的软黏土地基，就可以采用强夯置换的方式来创建复合式的地基。

4.4CFG桩

CFG桩就是指通过不断进行试验，以确定最佳的配合比，同时根据规定的比例来合理混合碎石和粉煤灰或者沙子和石屑，然后在混合料中加入一定比例的水泥，进行充分搅拌，利用成桩设备制作具有一定强度的桩体。

在不良地基中打入CFG桩，同时在桩与桩之间铺设一定厚度的褥垫层，通过桩间土的互相挤密，能够形成复合地基，在褥垫层作用下，荷载能够传递到桩间土中，可提高公路地基的承载能力。当遇到淤泥质软土时，宜采用CFG桩。CFG桩施工技术现已非常成熟，通过使用CFG桩施工技术，可以显著提高施工效率，保证施工质量。

4.5深层石灰搅拌

当使用深石灰搅拌处理水利水电工程不良地基时，施工人员应首先将所需厚度的沙子和砾石均匀地堆放在地基表面，然后再来进行有效的破碎处理。同时，在施工人员于其中加入了相应配比的灰料之后，施工单位才能调整好水利水电项目施工过程中所需要的软处理物料。但经过更深入的调查可以证实，石灰材料比混凝土或砂石更有利于加固特殊水利水电施工现场得不良地基。这主要是由于石灰材料有其特殊的特殊性能，因此适宜使用大型机械设备来进行相应的破碎作业。此外，石灰材料在软土处理中的应用也可以使软土得到全面改善。该作业的主要目的是有效地改善和优化不良地基的整体性能，包括其承载力等性能。当与石灰进行混合时，可以完全加固水利水电工程施工区域的不良地基。施工过程中的要点应在以下几个方面进行：在铺设砂石时，施工人员应限制特定砂层的厚度，以便不良地基的后期处理能够得到有序进行。

4.6置换不良地基

当采用置换不良地基的方法时，主要是为把软弱土壤合理改为硬度相对较大的良好土壤。在此情况下，将可以完全达到较为基本的土壤稳定性，从而大大减少水利水电工程的综合承重。根据目前我国水利水电建设施工情况分析，人工开挖方式、爆破方法在不良地基置换中取得了大量应用。由此可见，置换软基这一方法在水利水电建设中的运用，不仅能够大幅节约建设费用，而且还可有效缩短施工工期。在有效的时间段之内，则可确保软基全面满足最为基本的加固强度。与其他施工措施相比较来讲，不良地基置换措施可以方便施工作业人员的快速掌握，所以在目前软基处理中已经受到了有关工程技术人员的高度重视。更具体来说，在选择可以进行替换的施工原料阶段，就必须最大限度保证此类原料本身就具备的较强防水特性，而即便遭遇了较大强度外在降雨的直接影响，在替换完成以后的软基也并难以表现出显著的下沉现象和腐蚀迹象。

4.7真空堆载预压

针对真空堆载预压法而言，其主要是指通过堆载预压的直接作用力，来对土体内部中所存在的孔隙水进行打破，保证其可以获取到极高有效应力，以此方法来更高效地进行后续加固处理。而真空堆载预压法的使用，更有益于充分满足对于极高土体的指标，对侧向压缩变形也能进行有效抵消。而施工人员在具体实施堆载预压力操作过程中，对于软弱土壤的内部则会直接产生某种固结效应，进而引发出相对较大的固结应力。而当受到了土壤压缩变形所产生的直接影响之后，土壤内部所能够受到的水平应力将会大大小于竖直方向产生的水平应力，进而产生对特定土壤加固处理的效应。除上述水利水电施工不良地基处理方法之外，在对软基土壤进行处理时，还可以采用真空堆载预压的操作方法。通过技术层面来看，真空堆载预压可以说是构成排水固结的一个关键手段，在其中，还能够将其划分成真空预压、堆载预压这两类施工形式。截至目前，以上不良地基处理手段仍然还需进行一定完善与优化，究其根源，主要是因为现阶段很多施工方并未设计出一个适宜的加压系统，而且对塑料排水板也缺少合理布置，再加上软基处理常常涉及诸多施工要点，所以施工作业人员在具体施工阶段，应当对各项流程展开全面考量，确保软基处理效果可以达到预期设想效果。

4.8表层处理法

表层处理法主要用于处理地表面软弱问题，施工人员可以通过敷设材料、加入添加剂、表层排水以及砂垫层等方式，将填土荷载均匀铺设在地基上。具体的表层处理法主要有四种：一是表层排水法，处理土质好，但是由于含水量较大而出现的不良地基时，可以在地基填土前期，在地表面开挖沟槽，将地表水排出，减少地基表层含水量，确保施工设备可以在地表通行。同时，为了保证开挖沟槽起到盲沟作用，施工人员可以回填透水性强的细小碎石或者砂砾。二是砂垫层法，处理软土层厚度小、排水性好、砂砾资源优质的不良地基时，可以将砂垫层厚度铺设到13cm以上，提高地基排水面，使不良地基在构造物荷载的影响下加快排水固结凝结过程，提高软土层的稳定性。选择沙砾垫层施工材料时，可以选择粗砂或颗粒尺寸在5cm以下的天然级砂砾。在软土层上方铺设好沙砾垫层后，应及时对其进行洒水压实处理，待表层足够湿润再进行后续施工。三是敷垫材料法，遇到地基土层局部不均匀沉降或结构变形时，可以应用敷垫材料，如玻璃纤维格栅、化纤无纺布和土布等，借助这些材料的抗剪和抗拉力提升水利水电表面的通行能力。四是添加剂法，遇到表层为黏性土的不良地基时，可以在不良地基内部加入生石灰、水泥和熟石灰等材料，提高地基压缩性能和强度。

5水利水电工程不良地基施工监测检测重点

5.1结合施工设计，明确不良地基监测检测要点

1）基于水利水电工程施工设计图纸，加强与各参建方的沟通交流，获取更完整的项目资料。随后结合水运施工建设需求，有针对性地制订不良地基监测计划。正式实施监测工作前，技术人员应详细分析方案的可行性，并与一线监测、检测人员进行技术交底，使其详细掌握不良地基施工中的勘测要点。

2）水利水电工程不良地基施工中，建设单位会通过堆载预压、真空预压等方式初步加固地基。加固过程中要求相关人员监测不良地基区域的沉降值、孔隙水压力，用于评估不良地基施工后基础层的稳定性。在此过程中，监测人员应重点做好真空预压施工中的数据监测。先建立监测控制网，布设测点，施工过程中定期巡视测点，获取测点量测数据。观测每个测点的数值时，观测次数应多于2次。使用高精度仪器时，应做好仪器保养维护、校核工作，确保不良地基施工监测数据的准确性。最后根据实际情况，灵活调整水利水电工程不良地基施工现场的监测次数、监测力度，发现问题后及时上报。

5.2加强保护，合理设置测点标识

针对水利水电工程软土施工中交叉作业多的问题，避免因现场机械设备、人员流动时对测点造成破坏，还应加强测点保护，合理布设测点标识。

1）完成不良地基施工监测点埋设后，相关人员应用现场警示标识、围护设施提醒周围人员注意保护测点。

2）不定期巡视监测控制网，发现警示物、标识牌破损后应及时更换。发现测点被破坏后，相关人员还应尽快修复被破坏的测点并采集初始监测值。

3）与现场施工人员做好技术交底，加强沟通，共同树立测点保护意识，重视监测点的保护与管理。

5.3转变观念，重视不良地基监测检测质量控制

1）实施不良地基监测工作前，还应选用符合相关要求的高质量监测设备、元件，杜绝以次充好现象。购置监测仪器时，应详细检查供货方的企业资质。对于易于破损的零件还应提前准备替换零件，在测点被破坏后及时更换监测元件。

2）埋设不良地基监测所需的沉降板时，应提前找平不良地基区域，并在铺设土工布后将其压实，保证沉降板的稳固性。埋设磁环时，还应将磁环的钢爪插入软土层内部，将其固定在该区域。监测孔隙水压力时，相关人员应将透水石在沸水中煮沸50min，随后使其保持在密封状态。

3）埋设位移监测、水准监测的桩位时，应确保桩位位置、规格符合设计要求。钻孔埋设测点时，保证钻孔人员的专业性，钻孔结束后严格按照监测方案拼接管线、使用监测仪器，同时完整、详细地记录不良地基监测数据。

6水利水电工程不良地基处理的注意事项

6.1施工导流

相比于其他类型建设工程，水利水电工程现场地形条件复杂、水网河道密布的特点，部分不良地基位于河道区域，无法直接开展软基处理作业。因此，施工单位需要提前做好施工导流作业，采取土石围堰、土袋围堰、钢板桩围堰等工艺做法，临时拦截河道水流进入软基作业区域。

例如，在工程现场河道水深值不足1.5m、河道流速不足0.5m/s的情况下，可采取土石围堰做法，提前在现场准备砂质黏土、黏性土等作为筑堰材料，施工人员以河道上游作为起始点，向下游延伸开展筑堰、合龙作业，把堰顶宽度控制在1.0―2.0m内、围堰外边坡迎水侧和背水侧坡度分别控制在1.2―1.3与1.2以内。而在工程现场河道水深不足3.0m、河道流速不足1.5m/s情况下，则采取土袋围堰做法，施工人员在草袋或是无纺布袋内装填黏性土，再把土袋以河道上游为起始点向下游延伸堆码，保持上下层、内外层土袋相互错缝状态，必要时在围堰中心部位填筑黏性土芯墙。

6.2工艺问题处理

在不良地基处理期间，受到现场条件、工艺操作等因素影响，偶尔出现各类工艺问题，如果发现、处理不及时则会影响到软基处理效果。因此，施工人员需要持续观察软基状态和处理情况，如果出现各类异常状况，及时分析问题原因、采取改进措施或是开展返工作业。

例如，在采取垫层换填处理形式时，常见工艺问题包括下卧土层扰动、分层填筑密实度不达标。对于下卧土层扰动问题，施工人员在地基开挖至垫层底面标高上方0.3m处切换为人工开挖作业，如果垫层超挖，则对超挖部位进行人工回填夯实处理，必要情况下清理坑底扰动软土和调整垫层标高。对于分层填筑密实度不达标问题，适当增加垫层压实遍数，如果重复碾压后的压实度仍未达到设计标准，则将垫层挖除后将含水量超标的回填材料进行翻晒晾干处理，重复开展垫层回填夯实作业。

在采取挤淤抛填法时，常见工艺问题包括心墙与反压平台接触部位局部沉陷、反压平台不均匀沉陷。其中，对于心墙与反压平台接触部位局部沉陷问题，形成原因主要包括挤淤强度不足、反压平台厚度不达标、间隙部位遗留淤泥软弱夹层，施工人员需要在裂缝部位开展堆料预压作业来挤出遗留淤泥，静置一段时间等待平台恢复平衡状态，再挖移堆料体与开挖芯墙裂缝部位涂料，原位重新开展碾压作业。对于反压平台不均匀沉陷问题，形成原因包括抛填方量不足、反压平台外侧违规堆放淤泥，施工人员需要操纵挖掘机将平台周边淤泥向外挖移，开挖裂缝后向外推移原有填料，在裂缝部位重新填筑风化料与开展碾压作业。

结论

阶段，我国社会经济的迅猛发展，需要有良好的水利工程基础设施为其提供有力支持，可见，水利水电工程与经济发展空间具有息息相关的联系，但经济的迅猛发展会在一定程度上加大建设压力。通过目前我国水利水电工程施工现状来看，不良地基可以说是为水利水电工程施工带来极大困扰的难题，因此，在水利水电实际施工阶段，相关人员应依据水利水电施工实际情况，来对不良地基进行有效处理，进一步提高水利水电工程施工质量。

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