基于复合微型桩的泥石流拦挡坝基底加固方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于复合微型桩的泥石流拦挡坝基底加固方法，根据坝基天然地基承载力和拟设坝体基底应力，结合坝址处的地形条件，采用微型钢管桩组成群桩基础，配合内置钢筋芯和外扩压力灌浆，构成复合地基；钢管与管内混凝土和钢筋芯共同作用，受力性状为两端固定的受压杆件，变形分析按弹性阶段的折算断面法计算。本发明充分利用钢管桩和钢筋芯等钢材抗压强度高和弹性模量高的特点，可提高拦砂坝地基的承载力10～12倍；大大提高了坝基土层的抗冲刷能力，解决狭陡型泥石流沟道地基承载力不足和坝下冲刷影响坝体安全的问题；所需的占地小、开挖和扰动工作量少，施工快捷方便，对于强震区地形条件恶劣的泥石流沟具有明显的适用性优势。
【专利说明】
基于复合微型桩的泥石流拦挡坝基底加固方法
技术领域
[0001] 本发明属于泥石流防治技术领域，尤其涉及一种基于复合微型粧的泥石流拦挡坝 基底加固方法。
【背景技术】
[0002] 泥石流灾害是我国地质灾害的主要类型之一，特别是"5.12"汶川地震之后，西部 山区的泥石流活动显著增强。强震区泥石流沟常呈现出沟谷狭、纵坡陡、岸坡高、岩土体松 散等特征，由于施工机械难以到达、人工作业安全无保障、"三通一平"工作量大等原因，该 类泥石流沟防治工程的施工环境复杂恶劣，安全风险高，诸多以往广泛使用的工艺和技术 在此类工程中无实施条件。例如，受开挖范围和深度的限制，仅依靠传统的板式坝基将难以 解决广泛存在的基底应力过大、坝下冲刷深度过深等问题;拱式坝基需要沟道两侧存在坚 实的持力层，在此类沟道中也往往难以满足。较为可行的方案是采取粧基，但大型粧基在此 类泥石流沟防治工程中存在以下问题：1)施工条件一该类泥石流沟道一般侵蚀或淤埋作用 强烈，沟道深切、岸坡陡峻、沟床纵坡大，若采用机械成孔法，则大型施工机械无地形条件展 布，且机械震动大影响沟岸边坡安全，而人工挖孔粧则存在粧壁垮塌问题，施工安全风险极 大;2)工期压力一泥石流治理工程只能在旱季施工，短促的工期决定了不可能开展耗时较 长的地基处理措施;3)技术瓶颈一泥石流的冲刷或淤埋作用常常引起局部地形强烈而频繁 的变化，致使粧基方案在勘查、设计和施工过程中经常变更，难以准确定量化设计。为了保 证在震区狭陡泥石流沟道中安全、有效、便捷地实施拦挡工程，在泥石流拦挡工程基础选型 中必须充分考虑施工可行性，尽量选择土方挖填量小、机械体量小、施工安全便捷、地基强 度较高的基础型式和施工工艺，避免因作业量太大难以搬运或作业安全无法保障，这样才 能促进泥石流拦挡工程的顺利实施。
[0003] 目前强震区常出现泥石流沟道地形条件恶劣、造成沟内拦挡工程基础处理困难。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法，旨在 解决目前强震区常出现泥石流沟道地基承载力弱、地形条件恶劣、造成沟内拦挡工程基础 处理困难的问题。
[0005] 本发明是这样实现的，一种基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法，所述 基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法根据坝基天然地基承载力和拟设坝体基底 应力，结合坝址处的地形条件，采用微型钢管粧组成群粧基础，配合内置钢筋芯和外扩压力 灌浆，构成复合地基;钢管与管内混凝土和钢筋芯共同作用，受力性状为两端固定的受压杆 件，变形分析按弹性阶段的折算断面法计算。
[0006] 进一步，所述基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法包括：
[0007] 首先确定坝基天然地基承载力和拦挡坝设计基底应力，天然地基承载力与坝基设 计应力的差值即为复合地基需分担的荷载；
[0008] 然后根据坝址处的地形条件，采用微型钢管粧组成群粧基础，再配以内置钢筋芯 和外扩压力灌浆；
[0009] 最终组合构成复合地基，钢管粧与管内混凝土和钢筋芯共同承载，其受力性状为 两端固定的受压杆件，变形分析按弹性阶段的折算断面法计算。
[0010] 进一步，所述基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法包括以下步骤：
[0011] 步骤一，依据岩土工程勘查资料，确定出拟设坝位的地基土力学参数，包括内摩擦 角屮、粘聚力C和各土层地基承载力特征值按厚度的加权平均值f ak;
[0012] 步骤二，由总竖向荷载F和承台及上覆土层重G，计算拟设拦砂坝在最危险工况下 坝趾处的压应力〇max ;
[001 3]步骤三，比较。和0歷，根据两者差距大小设计复合钢管粧基；
[0014] 步骤四，由公式R = Ra+nc ? fak ? Ac计算复合粧基竖向承载力设计值R，由公式
?计算单粧受力N;
[0015] 步骤五，比较R和N，gR>N，则复合粧基承载力满足要求，设计完成；若RSN，则不 满足要求，回到步骤四调整复合粧基设计参数，继续进行设计。
[0016] 进一步，所述步骤四中复合粧基竖向承载力设计值R由单粧竖向承载力设计值Ra 和考虑承台效应的地基承载力设计值组合而成，其中单粧竖向承载力设计值
式中，Qsk-单粧总极限侧阻力标准值，为粧的极限侧阻力标准值，h为按 土层划分的各段粧长;QPk-单粧总极限端阻力标准值，Qpk = qpkAP，qpk为粧的极限端阻力标 准值，AP为单粧截面面积；y s-粧侧阻抗力分项系数，粧端阻抗力分项系数，均取 1.65;承台效应的地基承载力设计值n。? fak ? Ac，其中n。一承台效应系数，计算取〇.〇7;Ac- 计算基粧对应的承台底净面积，AciU-nApJ/r^A为承台底面总面积，A PS为单根粧身截面面 积，n为粧根数。
[0017] 进一步，所述复合钢管粧中微型钢管、内置钢筋芯和外扩压力灌浆三者受压后的 变形量保持一致，按照弹性变形阶段理论，其满足弹性力学中的三维变形协调方程
[0018] 本发明提供的基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法，首先根据坝基天然 地基承载力和拟设坝体基底应力，结合坝址处的地形条件，采用微型钢管粧组成群粧基础， 配合内置钢筋芯和外扩压力灌浆，构成复合地基;钢管与管内混凝土和钢筋芯共同作用，其 受力性状为两端固定的受压杆件，变形分析按弹性阶段的折算断面法计算。复合钢管粧基 一方面利用钢材的高弹性模量，可提高天然地基承载力达10-12倍，并通过内置钢筋芯和灌 注砂浆增强粧体刚度;另一方面通过压力灌浆向粧外扩散浆液，充填岩土体孔隙，从而改善 粧周地层密实度，置换软弱地基，提高抗冲刷能力。本发明充分利用钢管粧和钢筋芯等钢材 抗压强度高和弹性模量高的特点，同时通过压力灌浆对粧周地层进行改良，可提高拦砂坝 地基的承载力10~12倍;大大提高了坝基土层的抗冲刷能力，解决狭陡型泥石流沟道地基 承载力不足和坝下冲刷影响坝体安全的问题;所需的占地小、开挖和扰动工作量少，施工快 捷方便，对于强震区地形条件恶劣的泥石流沟具有明显的适用性优势。本发明充分发挥钢 材的抗压强度和高弹模，钢管粧和灌浆固化物对坝基天然地层进行挤密和充填，可提高拦 砂坝地基的承载力达10~12倍，并提高坝基土层的抗冲刷能力及坝体安全性;施工所需占 地小、开挖和扰动工作量少，快捷方便，对于强震区地形条件恶劣的泥石流沟具有显著的适 用性优势。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明实施例提供的基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法流程 图。
[0020] 图2是本发明实施例提供的单个复合钢管粧截面图。
[0021] 图3是本发明实施例提供的复合钢管粧群平面布置图（L为坝基长，B为坝基宽）。
[0022] 图4是本发明实施例提供的拦挡坝基底复合钢管粧群纵断面布置图。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0024] 下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
[0025] 如图1所示，本发明实施例的基于复合微型粧的泥石流拦挡坝基底加固方法包括 以下步骤：
[0026] S101:首先根据坝基天然地基承载力和拟设坝体基底应力，结合坝址处的地形条 件，采用微型钢管粧组成群粧基础，配合内置钢筋芯和外扩压力灌浆，构成复合地基；
[0027] S102:钢管与管内混凝土和钢筋芯共同作用，其受力性状为两端固定的受压杆件， 变形分析按弹性阶段的折算断面法计算。
[0028] 复合钢管粧基一方面利用钢材的高弹性模量，提高地基承载力并增强粧体刚度， 另一方面通过压力灌浆改善粧周地层密实度，提高抗冲刷能力。
[0029] 具体而言，本发明提出的基于复合钢管粧的泥石流拦砂坝基底加固方法，步骤如 下：
[0030] A.依据岩土工程勘查资料，确定出拟设坝位的地基土力学参数，包括内摩擦角9、 粘聚力C和各土层地基承载力特征值按厚度的加权平均值f ak等；
[0031] B.由总竖向荷载F和承台及上覆土层重G，计算拟设拦砂坝在最危险工况下（空库 过流时)坝趾处的压应力〇m ax ;
[0032] C.比较fak和(W，根据两者差距大小设计复合钢管粧基；
[0033] D.由公式R = Ra+n。? fak ? Ac计算复合粧基竖向承载力设计值R，由公式
计算单粧受力N;
[0034] E.比较R和N，gR>N，则复合粧基承载力满足要求，设计完成;若R < N，则不满足要 求，回到步骤C调整复合粧基设计参数，继续进行设计。
[0035]上述步骤C中，复合钢管粧基的结构组成由微型钢管、内置钢筋芯和外扩压力灌浆 三部分，其设计参数包括钢管粧的直径、粧长、粧间距、群粧的数量和平面布置形式及位置、 钢筋芯中的钢筋直径和根数、外扩灌浆的浆液材料及浓度等级、灌浆压力等级、扩散半径、 设计最大压力和浓度下的结束标准等。
[0036]上述步骤D中，复合粧基竖向承载力设计值R由单粧竖向承载力设计值R4P考虑承 台效应的地基承载力设计值组合而成，其中单粧竖向承载力设计值
，式中， Qsk-单粧总极限侧阻力标准值，为粧的极限侧阻力标准值，1沩按土层 划分的各段粧长;QPk-单粧总极限端阻力标准值，QPk = qPkAP，qpk为粧的极限端阻力标准值， AP为单粧截面面积；y s-粧侧阻抗力分项系数，粧端阻抗力分项系数，均取1.65。考虑 承台效应的地基承载力设计值n。? fak ? Ac，其中n。一承台效应系数，这里计算取〇.〇7;Ac- 计算基粧对应的承台底净面积，AciU-nApJ/r^A为承台底面总面积，A PS为单根粧身截面面 积，n为粧根数。
[0037] 复合钢管粧中微型钢管的直径为50mm~200mm，长径比为50~150;钢管同时作为 压力灌浆的花管，钢管粧中部以下管壁设有小孔，孔径根据所用浆液材料的粒径大小合理 选择，化学浆液开孔为2~4mm，纯水泥浆液开孔为6~8mm，水泥砂浆开孔为8~12mm;钢管粧 设计为群粧，粧间距及排距为粧径的6~10倍;为防止坝下土层被泥石流冲刷，钢管粧主要 布置在坝基底板下游端距离坝趾2.0~5.0m范围内；钢管粧施工方法采用风动潜孔锤跟管 钻进，成孔后安置钢管并拔出套管。
[0038]复合钢管粧中的内置钢筋芯采用3~7根钢筋，钢筋直径为25~32mm，点焊成束，放 置于钢管中心形成轴心抗压竖向增强体;沿钢筋芯长度方向每隔2~3m用细钢条焊制固定 架，支撑于管壁，以保证钢筋芯始终处于管内中心位置。
[0039] 复合钢管粧外扩压力灌浆的浆液材料可采用纯水泥浆、水泥砂浆、细粒混凝土或 环氧树脂等化学浆液；灌浆方法采用孔口封闭、纯压式灌浆法，灌浆压力分等级从0.1~ l.OMPa逐级提高，浆液浓度由稀至浓逐级加浓，直至在设计最大压力和最浓浆液下达到设 计的结束标准为止，此时坝基底土层应被浆液完全充填密实。
[0040] 复合钢管粧中的微型钢管、内置钢筋芯和外扩压力灌浆三者应完全粘结，并与粧 周土层组成复合地基，共同承担上部荷载并抵抗坝下冲刷;复合粧基受力性状为两端固定 的受压杆，其变形分析按弹性阶段的折算断面法计算，根据钢管、钢筋芯与灌浆柱的弹性模 量比值进行面积折算，由于钢材的弹性模量是水泥混凝土材料弹模的10~12倍，则钢材的 断面面积折算为混凝土面积后也应是原面积的10~12倍，因此，可大大扩大原受压面积，大 幅提尚微型粧的抗压承载力。
[0041] 复合钢管粧中微型钢管、内置钢筋芯和外扩压力灌浆三者受压后的变形量保持一 致，按照弹性变形阶段理论，其满足弹性力学中的三维变形协调方程
[0042] 下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。
[0043] 实施案例，如图2-图4
[0044] 1)某泥石流拦砂坝坝址处的沟床纵坡约为350%。，沟床堆积物丰富，在水流和泥石 流的冲刷下，沟床下切强烈，沟道呈"V"型。物质组成为碎块石夹粉质粘土，碎块石含量约占 40~60%，一般粒径15~40cm，最大可达3.0m，岸坡坡度15~70°。坝肩及基底土体力学性质 为：1)小于4. Om地基土为稍密碎石，测试N120锤击数标准值为5.3击/10cm，承载力不满足上 部设计荷载的要求。2)大于4. Om地基土为中密碎石，稳定性好，N120锤击数标准值为8.3击/ 10cm，具有低压缩性，该层可做基础持力层。由于施工条件的限制，优选采用本发明的基于 复合钢管粧的拦砂坝基底加固方法，步骤如下：
[0045] A.依据现场工程勘查资料，确定稍密碎石土的承载力特征值为350kPa;确定稍密 碎石土的承载力特征值为550kPa，两层地基土承载力特征值按厚度的加权平均值fak = 470.OkPa〇
[0046] B.由拟设坝体的设计参数，计算出最不利工况下坝趾处的最大基底应力值为 570.78kPa〇
[0047] C.比较fak和〇max，地基承载力不足，设计复合钢管粧基参数为:钢管粧设计3排共计 20根粧，粧径0.15m，粧长8. Om，梅花形布置，粧间距和排距均为1. Om。钢管粧底端开8mm小孔 作为灌浆花管，粧内放置3根巾25钢筋，点焊成束，每隔2m设置一处固定点。钢管粧及钢筋安 装就位后进行灌注水泥浆，浆液水灰比采用5:1、3:1、1:1、0.8:1、0.5:1五个等级，灌浆压力 采用0 ? IMPa、0 ? 3MPa、0 ? 5MPa、0 ? 7MPa 四个等级。
[0048]D.由公式R = Ra+n。? fak ? Ac计算复合粧基竖向承载力设计值R = 585.08kPa，由公 式
计算单粧受力N=418.25kPa;
[0049]比较R和N，可见R>N，则复合粧基竖向承载力设计值大于单粧所受的压力，即复合 粧基承载力满足要求，设计完成。
[0050]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法，其特征在于，所述基于复合微 型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法根据巧基天然地基承载力和拟设巧体基底应力，结合巧 址处的地形条件，采用微型钢管粧组成群粧基础，配合内置钢筋忍和外扩压力灌浆，构成复 合地基;钢管与管内混凝±和钢筋忍共同作用，受力性状为两端固定的受压杆件，变形分析 按弹性阶段的折算断面法计算。2. 如权利要求1所述的基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法，其特征在于，所 述基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法包括： 首先确定巧基天然地基承载力和拦挡巧设计基底应力，天然地基承载力与巧基设计应 力的差值即为复合地基需分担的荷载； 然后根据巧址处的地形条件，采用微型钢管粧组成群粧基础，再配W内置钢筋忍和外 扩压力灌浆； 最终组合构成复合地基，钢管粧与管内混凝±和钢筋忍共同承载，其受力性状为两端 固定的受压杆件，变形分析按弹性阶段的折算断面法计算。3. 如权利要求1所述的基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法，其特征在于，所 述基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法包括W下步骤： 步骤一，依据岩±工程勘查资料，确定出拟设巧位的地基±力学参数，包括内摩擦角取、 粘聚力C和各±层地基承载力特征值按厚度的加权平均值fak; 步骤二，由总竖向荷载F和承台及上覆±层重G，计算拟设拦砂巧在最危险工况下巧趾 处的压应力曰max; 步骤Ξ，比较f ak和Omax，根据两者差距大小设计复合钢管粧基； 步骤四，由公式R = Ra巧C · fak · Ac计算复合粧基竖向承载力设计值R，由公式 巧 计算单粧受力N; 步骤五，比较R和N，若R>N，则复合粧基承载力满足要求，设计完成;若R ^ N，则不满足 要求，回到步骤四调整复合粧基设计参数，继续进行设计。4. 如权利要求3所述的基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法，其特征在于，所 述步骤四中复合粧基竖向承载力设计值R由单粧竖向承载力设计值Ra和考虑承台效应的地 基承载力设计值组合而成，其中单粧竖向承载力设计值式中，Qsk-单粧总极 限侧阻力标准值，Qsk = ulqsikli，qsik为粧的极限侧阻力标准值，1功按±层划分的各段粧 长;Qpk-单粧总极限端阻力标准值，Qpk = qpkAp，qpk为粧的极限端阻力标准值，Ap为单粧截面 面积；丫 S-粧侧阻抗力分项系数，丫 P-粧端阻抗力分项系数，均取1.65;承台效应的地基承 载力设计值屯· fak · Ac,其中ric-承台效应系数，计算取0.07;Ac-计算基粧对应的承台底 净面积，Ae= (A-nAps)/n，A为承台底面总面积，Aps为单根粧身截面面积，η为粧根数。5. 如权利要求3所述的基于复合微型粧的泥石流拦挡巧基底加固方法，其特征在于，所 述复合钢管粧中微型钢管、内置钢筋忍和外扩压力灌浆固化物Ξ者受压后的变形量保持一 致，按照弹性变形阶段理论，其满足弹性力学中的Ξ维变形协调方程·
【文档编号】E02D27/40GK105839659SQ201610230398
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】杨东旭, 陈晓清, 游勇, 石胜伟, 赵万玉, 黄海, 刘建康
【申请人】中国地质科学院探矿工艺研究所