CN101255684B - 土石坝分层强夯法填筑施工方法 - Google Patents

Abstract

石坝分层强夯法填筑施工方法，步骤是：(1)、控制每层土石填筑厚度，在10～20m之间；(2)、采用大能量的夯击动力预压，以提高土石料的密度，消除土石料的变形；(3)、重复(1)、(2)两个步骤，在夯击后的土石层使填筑新的土石层，和进行新的夯击，至达到坝体需要的高度。优化方案(1)、(2)步骤中控制每层土石填筑厚度与采用夯击动力的能量，是按照以下公式计算：

Description

土石坝分层强夯法填筑施工方法

技术领域

本发明涉及一种水利工程施工方法，具体涉及一种土石坝分层强夯法填筑施工方法。

背景技术

土石坝是水利工程中经常采用的坝型。现代土石坝越来向更大更高发展，对施工技术的要求也越来越高。目前在建的土石坝已达200m级，规划设计中的的土石坝最大高度已达300m级。由于坝体较高，在施工期和运行期，在自重和水荷载的作用下坝体将产生较大的沉降和变形，给水库各种设施的运行带来不便影响。

在软土地基处理中，现有技术常采用超载预压的方法来预先产生地基的沉降变形，这样在建筑物荷载施加时，地基沉降变形就大大减少并控制在建筑物允许范围内。

目前建造土石坝最常采用的施工方法是分层碾压，控制每层土石填筑厚度(约300～1000mm)，使用大吨位的振动碾或履带(气胎)碾反复碾压，以提高土石料的密度，消除土石料的变形。然而由于碾压机械的压实能量有限，加之有的土石粒径较大(如堆石粒径最大可达600～1000mm)，碾压土石料的密度难以达到最大，填筑完成后坝体仍将产生较大的沉降，有的坝体沉降最大可达1000mm以上。

对于高土石坝，因为自重和水荷载太大(可达2～4MPa)采用通常的静力超载预压方法来预先消除坝体沉降已不可行，需要采取新的方法。

早在数千年前，我们的祖先就知道建造房屋、修路筑堤时要将地基土或路、堤土夯实，其主要目的是提高土体的密度和强度及消除或减少土体的沉降变形。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种土石坝分层强夯法填筑施工方法，该方法能够解决高土石坝采用传统的静力超载预压方法来预先消除坝体沉降已不可行的问题，使土石料的密度达到最大，填筑完成后坝体的沉降明显减少。

完成上述发明任务的技术方案是，一种土石坝分层强夯法填筑施工方法，步骤如下：

(1)、控制每层土石填筑厚度，在约2～10m之间；

(2)、采用大能量的夯击动力预压，以提高土石料的密度，消除土石料的变形；

(3)、重复(1)、(2)两个步骤，在夯击后的土石层使填筑新的土石层，和进行新的夯击，至达到坝体需要的高度。

所述的大能量的夯击动力，是指采用强夯击实施工技术。更具体的能量计算，请参照以下优化方案。

本发明的优化方案有：

1、第(1)、(2)步骤中，控制每层土石填筑厚度与采用夯击动力的能量，是按照以下公式计算：

夯实影响深度D(m)的Menard公式：

$D=\mathrm{\α}\sqrt{\frac{\mathrm{Mh}}{10}}$

其中，α为系数，根据不同土质约为0.5～1.0。

2、本发明建议，第(1)步骤中控制每层土石填筑厚度为2～10m。

本发明提出的强夯施工方法，是采用大能量的夯击动力预压，将土石料的密度提高到最大，受载后土石料的变形减到最小。土石坝经强夯法施工的坝体沉降可减至碾压法施工的1/5～1/3。

强夯法原理：将质量为M(kN)的夯锤提高到h(m)高度，自由落下，将位势能转化为动能，对土体冲击夯实。在强力动能作用下，土石料颗粒结构重新排列，土石料孔隙被压缩，孔隙率减小，密度增加，可压缩性相应减小。夯实的影响深度D(m)可根据Menard公式：

$D=\mathrm{\α}\sqrt{\frac{\mathrm{Mh}}{10}}$

α为系数，根据不同土质约为0.5～1.0。

如夯锤重20吨(200kN)，提升高度20m，理论上10～20m厚的土层均可以得到夯实，这与碾压密实每层厚度仅为0.6～1.0m不可同日而语。

夯实能量：根据工程需要，现代强夯机械单击能量Mh可达到1000～10000kN.m。我国土工试验规程粗颗粒土密实度标准也是采用夯击法，击实标准能量为2688.2kJ/m³(重型)。由于室内击实试验试样受试样筒和地基的约束，击实能量一部分消耗于试样筒和地基，试样本身受到的击实能量远小于该值。按夯锤直径2m，重20吨(200kN)，提升高度20m计，单击能量达到1274kJ/m²，对1m厚的土层只要2击即可达到试验室击实标准，对5m厚的土层只要11击即可达到试验室击实标准。而碾压施工的压实能量是以土料填筑密度达到试验室击实密度的95％～98％来控制的，以20吨振动碾为例，碾压6～10遍，其压实土体的能量与试验室击实能量相比低了很多，而且即使再增加碾压遍数也很难明显提高土料填筑密度。而使用强夯可以很轻易的地达到或超过试验室击实能量，夯实的土体密度可以超过试验室击实标准密度，也就是说用夯实的土体密度可以大大超过碾压的土体密度，强夯施工建造的坝体可以有效地减少沉降变形。

上世纪六十年代对法国Menard公司对古老的夯实法进行改进，发明了强夯击实施工技术。强夯法被广泛地应用于各种工程的地基土体压实处理，一些含大块石的高填方路堤、桥台以及很多土石坝的基础采用这种方法处理取得了成功。但直到目前还没有在土石坝填筑建造施工中使用，这主要可能有下面几方面的原因：(1)目前已建造完成的土石坝最高仅100多米，分层碾压施工的坝体最大沉降一般为1000～2000mm，对坝体结构还不至于产生严重不利影响。而随着200～300m级的土石坝的规划建造，分层碾压施工坝体最大沉降可能达到3000～4000mm甚至更大，这将对坝体结构如混凝土面板的防渗面板产生严重不利影响。(2)强夯法施工造价一般高于分层碾压施工，随着强夯法的普及使用以及施工技术和施工工效的提高，两者的造价越来越接近，目前已基本相当。(3)单套设备的强夯法施工工效仍明显低于分层碾压法。(4)对于单层的地基采用强夯法处理已形成一套较成熟完整的设计、施工、效果检验方法，而对于分层填筑的土石坝采用强夯法建造还没有先例，其设计、施工、效果检验等方面还需要进行大量的试验研究。

本发明克服了上述原因产生的传统技术偏见，在土石坝的施工上采用分层强夯法填筑施工方法。由于强夯法施工的坝体密度可以显著超过碾压法，坝料的强度和模量也大为提高，坝体断面的设计尺寸和坝体体积也可以大为减少，施工工程量和工程造价大大降低。解决了高土石坝采用传统的静力超载预压方法来预先消除坝体沉降已不可行的问题，使土石料的密度达到最大，填筑完成后坝体的沉降明显减少。

在工民建工程中，为防止振动损害强夯法施工需对周围地面和建筑物采用减振、隔振措施。坝体填筑强夯法施工不存在振动损害问题，相反地，坝料经过了大能量的振动动力作用过程后，所形成的坝体抗击地震的能力可以得到显著提高。

更由于坝体沉降和变形大幅度减小，在坝体防渗方面，采用更经济合理、施工速度更快的防渗材料如土工合成材料来取代昂贵的钢筋混凝土等成为可能。

施工造价比较：仍以上述的碾压和夯实机具为例，碾压法耗费约为5～10元/m³，强夯法约为5～12元/m³，两者的耗费基本相当。然而考虑到强夯法施工可有效地减少坝体沉降大坝的运行维护费用减少以及上述潜在的经济效益，在土石坝尤其是对沉降和变形要求很高的如混凝土面板坝建造时与碾压强夯法相比强夯法仍具有更高的竞争力。

施工速率比较：以20吨振动碾为例，碾压速度2km/h，层厚0.8m，碾压8遍，每遍碾压有效宽度1.5m，施工速率为300m³/h；强夯法按45击/h速度，施工速率为70m³/h，强夯法施工速率较低。但只要有足够的施工工作面，可以使用多台设备施工。并且考虑到强夯法一层夯击厚度可以是碾压法的3～5倍或以上，整个坝体施工分层数大为减少带来的工效提高，以及碾压法施工中后期一般需设6个月或更长时间的沉降周期，而强夯法毋需，一般情况下强夯施工方法是可以满足工期要求的。

具体实施方式

实施例1，京承高速公路高填方路基，路基土为风化砾岩、强风化角砾岩组成的土石混合填料最大粒径260mm。先采用分层碾压，分层厚度为50cm，但压实度只能达到0.95。后采用强夯法夯实路基，路基分层厚度为5m，强夯法施工参数为：夯锤重107kN，夯锤直径2.25m，夯锤落距10m，每点10击，夯击后路基土孔隙比由0.53下降为0.41，孔隙率由0.35下降为0.29，压实度由0.95提高到1.06。

实施步骤如下：

(1)、控制每层土石填筑厚度，为5m；(2)、采用大能量的夯击动力预压，以提高土石料的密度，消除土石料的变形；夯击动力的能量按照以下公式计算：影响夯实深度D(m)的Menard公式：

$D=\mathrm{\α}\sqrt{\frac{\mathrm{Mh}}{10},}$ α为系数，根据不同土质约为0.5～1.0。

本实施例的夯锤重10.7吨(107kN)，提升高度为10m。取α＝0.5，夯实影响深度约为5m。

重复(1)、(2)两个步骤，在夯击后的土石层上填筑新的土石层，和进行新的夯击，至达到需要的高度。

Claims (2)

1.一种土石坝分层强夯法填筑施工方法，其特征在于，步骤如下：

(1)、控制每层土石填筑厚度，在2～10m之间；

(2)、采用大能量的夯击动力预压，以提高土石料的密度，消除土石料的变形；

(3)、重复(1)、(2)两个步骤，在夯击后的土石层填筑新的土石层，和进行新的夯击，至达到坝体需要的高度；

第(1)、(2)步骤中，控制每层土石填筑厚度与采用夯击动力的能量，是按照以下公式计算：

影响夯实深度D(m)的Menard公式：

$D=\mathrm{\α}\sqrt{\frac{\mathrm{Mh}}{10}}$

其中，α为系数，根据不同土质为0.5～1.0；Mh为夯实能量。

2.根据权利要求1所述的土石坝分层强夯法填筑施工方法，其特征在于，第(1)步骤中控制每层土石填筑厚度为5m。