(唐山三友化工工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063305)

1 堿渣壩使用情況

唐山三友純堿公司采用氨堿法生產(chǎn)純堿，目前僅堿渣壩內(nèi)灘曬區(qū)可供堿渣廢液排放。堿渣壩歷經(jīng)多年加高，15 m壩高已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，而庫(kù)區(qū)液位已近最高限位，因此現(xiàn)有堿渣壩已不能滿(mǎn)足純堿生產(chǎn)排放需要，影響著三友集團(tuán)“兩堿一化”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)性。在新的堿渣堆場(chǎng)不具備投用前，有效的辦法是對(duì)堿渣壩進(jìn)行加高。灘曬區(qū)位于渤海沿海灘涂，堿渣壩地基為十幾米厚度的粉質(zhì)黏土軟基，承載力低，震動(dòng)穩(wěn)定性差。壩基初期僅2 m左右深度做了拋石處理(拋石沿著壩體縱向兩條，每200 m橫向連接)。在現(xiàn)有壩體頂面單純加高壩體，勢(shì)必造成深層滑弧面抗剪承載力不足而導(dǎo)致壩體失穩(wěn)，因此壩體加固是壩體加高的前提。為滿(mǎn)足廢液正常排放，堿渣壩體穩(wěn)定安全，同時(shí)能夠加高壩體的條件下，確定切實(shí)可行的壩體加固技術(shù)方案已成當(dāng)務(wù)之急。

2 堿渣壩加固技術(shù)方案的選定

2.1 堿渣壩下游增加反壓平臺(tái)

現(xiàn)有壩體外坡腳已是征地紅線(xiàn)，限制了此方案的可行性。

2.2 堿渣壩壩基不加固，壩頂直接內(nèi)延后修建子壩

子壩需向庫(kù)區(qū)內(nèi)移50 m甚至更多，內(nèi)延平臺(tái)土方工程量非常大，水中作業(yè)，施工困難，且嚴(yán)重消減了庫(kù)容。內(nèi)延平臺(tái)及子壩均坐在非常軟弱的未固結(jié)堿渣膏(含水率高達(dá)150%～200%)上，據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，向庫(kù)內(nèi)中心方向土方工程豎向沉降量不斷加大，遠(yuǎn)端預(yù)估達(dá)到1 m甚至更大，同時(shí)大量的堿渣膏被擠向庫(kù)內(nèi)；為減少沉降，采用擾動(dòng)較小的復(fù)合地基，可水泥堿渣樁國(guó)內(nèi)又沒(méi)有成熟的技術(shù)、施工經(jīng)驗(yàn)。此技術(shù)方案不可取。

2.3 沿現(xiàn)有堿渣壩頂縱向布置多排樁

雖然可以減少內(nèi)延子壩向庫(kù)內(nèi)移動(dòng)距離，但是為了防止壩體深層滑移，保證壩體的整體穩(wěn)定，樁身需穿越整個(gè)堿渣壩體及壩基下的軟弱粉質(zhì)黏土，進(jìn)入相對(duì)較好的粉砂持力層，導(dǎo)致樁身較長(zhǎng)，最少25 m，且大部分需穿越壩基下的拋石，施工困難，且現(xiàn)實(shí)條件要求保證庫(kù)區(qū)廢液正常排放的狀態(tài)下施工，而打樁的施工過(guò)程至樁體固結(jié)前是壩體被消弱、強(qiáng)度穩(wěn)定性最差的時(shí)段，施工期間對(duì)軟基、壩體的頻繁擾動(dòng)，極易造成壩基壩體失穩(wěn)，類(lèi)似事故國(guó)內(nèi)已發(fā)生多例。因此該技術(shù)方案風(fēng)險(xiǎn)非常大，此技術(shù)方案不宜采用。

2.4 堿渣壩下游二級(jí)路平臺(tái)上打樁

樁身進(jìn)入相對(duì)較好的粉砂持力層，僅需穿越二級(jí)路平臺(tái)及壩基下的軟弱粉質(zhì)黏土，最大限度地避開(kāi)壩基下的拋石，樁長(zhǎng)較短18 m，可通過(guò)調(diào)整樁徑，增大抗剪能力，防止壩體深層滑移，且施工期間對(duì)主壩體的擾動(dòng)較小，保證壩體的整體穩(wěn)定，同時(shí)大大的減少了子壩體向庫(kù)內(nèi)移動(dòng)距離，可最大限度地保證有效庫(kù)容。此技術(shù)方案可行。

3 加固樁樁型的選定

3.1 不宜選用預(yù)制混凝土樁、鋼管樁，現(xiàn)場(chǎng)灌注樁，其他混凝土樁等剛性樁

3.1.1 受力特點(diǎn)

壩體在荷載作用下，由于剛性樁樁體相對(duì)周邊土體剛度非常大，荷載的作用效應(yīng)絕大部分由樁體承擔(dān)，剛性樁先被剪斷后，突然退出承載，此時(shí)全部作用效應(yīng)也只能由土體承擔(dān)，而土體抗剪承載力較低，造成壩體出現(xiàn)微小裂縫后會(huì)急劇開(kāi)展。因此，剛性樁壩體滑弧面抗剪驗(yàn)算只能計(jì)取剛性樁的抗剪強(qiáng)度，這種壩體整體發(fā)生滑弧位移往往是突發(fā)性的、后果是災(zāi)難性的。

3.1.2 剛性樁施工特點(diǎn)

預(yù)制剛性樁施工采用錘擊會(huì)產(chǎn)生較大振動(dòng)，而粉質(zhì)黏土軟基強(qiáng)度對(duì)振動(dòng)非常敏感，會(huì)有不同程度的下降；采用靜力壓樁，樁機(jī)重量非常笨重，二級(jí)路平臺(tái)寬度有限，且二級(jí)路平臺(tái)下壩基應(yīng)力瞬間突然增加很多，容易產(chǎn)生局部不均沉降?，F(xiàn)場(chǎng)灌注樁鉆機(jī)成孔、灌注混凝土至混凝土終凝對(duì)軟基壩基承載力是一個(gè)削弱過(guò)程，尤其是混凝土泵車(chē)或混凝土地泵的振動(dòng)給軟基強(qiáng)度帶來(lái)不可忽略的不利影響，且置換出來(lái)的大量泥漿處理比較困難。

3.2 選擇水泥土樁及類(lèi)似柔性樁，樁土形成復(fù)合地基

3.2.1 受力特點(diǎn)

這種壩體，樁體土體形成復(fù)合地基。雖然樁體抗剪承載力較剛性樁小，但是由于柔性樁樁體強(qiáng)度較剛性樁低，樁體與周邊土體能夠協(xié)同變形，柔性樁提高了原有軟基的抗剪承載力，樁體土體兩者共同承擔(dān)荷載的作用效應(yīng)，抗剪能力仍較強(qiáng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)堿渣壩體的實(shí)際測(cè)量及現(xiàn)場(chǎng)工程勘察報(bào)告，設(shè)計(jì)初步核算：灘曬區(qū)三面堿渣壩均需加固，共3400延長(zhǎng)米，需在二級(jí)路面沿著壩體縱向布置水泥土樁，橫向5排，直徑D900，樁長(zhǎng)18 m，其中下部11 m為有效樁長(zhǎng),上部7 m為引孔?？傆?jì)水泥土樁約6 200根。

3.2.2 柔性樁的選擇

1)不宜選用振沖碎石樁、沉管砂石樁、水泥粉煤灰碎石樁。

振沖碎石樁振沖器施工、沉管砂石樁振動(dòng)沉管、錘擊沉管或沖擊成孔等帶來(lái)的頻繁振動(dòng)對(duì)使用中的堿渣壩軟基強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不可忽視的不利影響，且這種復(fù)合地基提高豎向承載力、減少豎向沉降作用明顯，但對(duì)提高壩體深層弧滑的抗剪承載力不明顯。水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)輸送泵的頻繁振動(dòng)同樣對(duì)壩體不利，且施工工藝的特點(diǎn)決定現(xiàn)場(chǎng)將出現(xiàn)大量的泥漿。

2)常用的水泥土攪拌樁直徑小，限制了在本工程中的應(yīng)用。

水泥攪拌樁最大限度地利用了原狀土，攪拌時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)污染，對(duì)原壩體影響小，適用于二級(jí)路下粉質(zhì)粘性土、粉砂壩基。D500及D600的該種樁在本地區(qū)有成功施工經(jīng)驗(yàn)，但是由于注漿壓力低，僅適宜15 m以下樁長(zhǎng)，制成D900的不可能，設(shè)計(jì)前現(xiàn)場(chǎng)試樁失敗也證明了這一點(diǎn)。

3)最終選用了高壓旋噴樁。

高壓旋噴樁有：?jiǎn)喂芊ā邏核酀{；雙管法——高壓水泥漿、壓縮空氣；三管法——高壓切削水、高壓水泥漿、壓縮空氣。機(jī)械設(shè)備較輕，施工占地少、振動(dòng)小、噪音較低，相對(duì)污染小，能夠最大限度地利用了原狀土，能夠制成較大直徑的水泥土旋噴樁；上部7 m引孔僅為D200～D300,對(duì)壩體影響小。但是高壓旋噴樁施工時(shí)期高壓切削水、高壓水泥漿、壓縮空氣對(duì)壩體壩基有著不同程度的影響，施工期間需注意監(jiān)測(cè)壩體的變形。

4 艱難的D900旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)試樁，歷經(jīng)八個(gè)月

4.1 第一次試樁

2017年11月第一次高壓旋噴樁試樁。采用三管法，D900，水泥摻量為18%、20%、25%、30%、35%。28天后取芯，結(jié)果出乎意料，有效樁長(zhǎng)范圍內(nèi)水泥土均未成樁。

分析：有效樁長(zhǎng)范圍均在地下水位以下，粉質(zhì)黏土含水率高，不適合帶高壓水的三管法工藝。

措施：改用兩管法。

4.2 第二次試樁

2018年5月，第二次高壓旋噴樁試樁。三家試樁單位采用兩管法，D900，水泥摻量為28%、30%、35%、40%、45%。7天后取芯結(jié)果，其中兩家有效樁長(zhǎng)范圍樁身完整，芯樣強(qiáng)度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)度，但樁徑僅達(dá)到D500。

分析：樁徑僅達(dá)到D500，但是試驗(yàn)說(shuō)明有效樁長(zhǎng)范圍的粉質(zhì)黏土、粉砂摻入水泥能夠形成水泥土樁。余下的關(guān)鍵工作是采取措施使成樁直徑達(dá)到D900的設(shè)計(jì)要求。

措施：對(duì)有效樁長(zhǎng)、D900整個(gè)直徑范圍內(nèi)的粉質(zhì)黏土、粉砂加大切削拌和力度，加大復(fù)噴復(fù)攪次數(shù)，降低鉆桿提升速度，鉆桿通長(zhǎng)。原則上不得提高水泥漿、壓縮空氣壓力，因二者過(guò)大對(duì)壩基極為不利。

4.3 第三次試樁

2018年6月，第三次高壓旋噴樁試樁。三家試樁單位采用旋攪+兩管法，即旋攪—高壓旋噴—復(fù)噴，D900，水泥摻量為28%、30%、35%、40%。7天后取芯結(jié)果，其中兩家有效樁長(zhǎng)范圍的強(qiáng)度、樁身直徑滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，樁身基本完整，但樁身頂面下11～13 m連續(xù)性較差，樁中心芯樣含泥量非常大。

分析：堿渣壩內(nèi)庫(kù)區(qū)液位高，在上述11～13 m范圍內(nèi)存在地下水滲流，導(dǎo)致部分水泥漿流失。

措施：調(diào)整外加劑、鉆桿提升速度、降低最后一次復(fù)噴水泥注漿壓力、壓縮空氣壓力。

4.4 第四次試樁

2018年7月，第四次高壓旋噴樁試樁。一家試樁單位，采用旋攪+兩管法，即旋攪—高壓旋噴—復(fù)噴,D900,水泥摻量為35%、45%，各3根。參照上次試樁的施工參數(shù)，調(diào)整了早強(qiáng)劑摻量及品種，促使上述11～13 m范圍內(nèi)水泥土早凝，降低鉆桿提升速度，適當(dāng)降低最后一次復(fù)噴水泥注漿、壓縮空氣壓力。7天后取芯結(jié)果，水泥摻量35%旋噴樁，3根樁身完整性、強(qiáng)度、直徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其中1根樁中心含泥量較大。另3根水泥摻量45%旋噴樁，樁身完整性、強(qiáng)度、直徑均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最后選用此應(yīng)用于工程樁，現(xiàn)場(chǎng)試樁歷經(jīng)8個(gè)月終于結(jié)束。

5 試樁失敗的主要原因

確定已建成大型壩體地基加固技術(shù)方案前，應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021要求進(jìn)行巖土工程詳細(xì)勘察外，還應(yīng)查明擬處理地基土層的pH值、塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量、地下障礙物及軟弱土分布情況、地下水位及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，此外還要實(shí)地考察，掌握現(xiàn)有壩體的日常運(yùn)行管理情況。本工程中，有機(jī)質(zhì)含量、壩基拋石、二級(jí)路下游坡腳的上清液溝、庫(kù)區(qū)內(nèi)的高液位形成地下水液位差，尤其是壩基拋石層、飽和粉砂層地層中的帶壓水是多次試樁失敗的主要因素。

6 結(jié) 語(yǔ)

即使多方案對(duì)比、充分論證后優(yōu)選的技術(shù)方案也必須經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方可用于工程上。如本工程旋噴樁施工工藝、施工參數(shù)具有很強(qiáng)的地區(qū)性，必須在工程樁對(duì)應(yīng)的具體位置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁結(jié)果確定其適用程度。實(shí)際試樁耗時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了工程計(jì)劃，考慮堿渣壩體安全、工期的現(xiàn)實(shí)要求，最終設(shè)計(jì)選定D900，水泥摻量45%的高壓旋噴樁，將最后一次試樁的施工工藝、施工順序、施工操作參數(shù)、水泥品種及強(qiáng)度等級(jí)、外加劑摻量及品種作為固定標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于工程樁的施工。

D900大直徑旋噴樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成功及在灘曬區(qū)堿渣壩體加固中的成功應(yīng)用，保證了堿渣廢液正常排放下堿渣壩體安全穩(wěn)定，使壩體加高工程得以實(shí)施，延長(zhǎng)了堿渣壩的使用壽命，保證了純堿生產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，為1#、2#、3#堿渣場(chǎng)的堿渣壩體加固加高提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為籌建新的堿渣堆存場(chǎng)贏得了時(shí)間。