知识点1：概述 1．地基处理的概念 对天然地基进行加固处理以满足建筑物对地基强度和变形的要求称为地基处理。 2．为何要进行地基处理 当地质条件不能满足建筑物的设计要求时(稳定和变形)，就要采取地基处理。 3．地基处理的方法 岩土工程中地基处理的方法很多，主要有换填法、压实法、强夯法、排水固结法、复合地基加固法、灌浆法及加筋土法等。 水利工程建筑物主要有大坝、发电厂房、输水系统、泄水消能池及船闸等组成，各种建筑物对地质条件的要求不一样，当地质条件不能满足建筑物的设计要求时(稳定和变形)，就要采取地基处理，在水利水电工程中常见的地基处理主要有土坝软基排水固结处理，厚覆盖层截渗墙施工处理，防洪堤坝的截渗墙施工处理及高压固结灌浆处理等。
知识点1：概述
1．地基处理的概念
对天然地基进行加固处理以满足建筑物对地基强度和变形的要求称为地基处理。
2．为何要进行地基处理
当地质条件不能满足建筑物的设计要求时(稳定和变形)，就要采取地基处理。
3．地基处理的方法
岩土工程中地基处理的方法很多，主要有换填法、压实法、强夯法、排水固结法、复合地基加固法、灌浆法及加筋土法等。
水利工程建筑物主要有大坝、发电厂房、输水系统、泄水消能池及船闸等组成，各种建筑物对地质条件的要求不一样，当地质条件不能满足建筑物的设计要求时(稳定和变形)，就要采取地基处理，在水利水电工程中常见的地基处理主要有土坝软基排水固结处理，厚覆盖层截渗墙施工处理，防洪堤坝的截渗墙施工处理及高压固结灌浆处理等。
4．如何进行地基处理
掌握每种方法的适用性，面对实际工程知道如何选择和论证。
知识点2：土坝软弱地基土的排水固结处理
1．概念
排水固结法是先在地基中设置砂井等竖向排水体，然后利用建筑物本身重量分级逐渐加载，或是在建筑物建造以前，在场地先行加载预压，使土体中的孔隙水排出，逐渐固结，地基发生沉降，同时强度逐步提高的方法。该方法常用于解决软黏土地基的沉降和稳定问题。
2．组成
排水固结法通常由排水系统和加压系统两部分组成，如图所示。
加压系统是起固结作用的荷载，固结压力增加使地基土产生固结。（堆载预压、真空预压、真空和堆载联合预压）
排水系统主要在于改变地基原有的排水边界条件，增加孔隙水排出的途径，缩短排水距离，该系统由水平排水垫层和竖向排水体构成。（普通砂井法、袋装砂井法、塑料排水带法）
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图12-1 排水固结法 |
3．基本原理
排水固结的原理是渗透固结理论（详见3.9节）。假定：
1)如果软弱土层是单面排水的，每个砂井的渗透路径既有竖向分量，亦有径向分量。
2)每个砂井的影响范围在平面上为一个圆，整个砂井为一个圆柱体；
3)砂井地基表面上荷载是均匀分布的，而且附加应力的分布不随深度而变化；
4)地基土只能产生竖向压密变形；
5)施加瞬时荷载后，全部荷载立即由孔隙水来承担；
6)不考虑固结过程中固结系数的变化和砂井施工过程中涂抹作用的影响，则砂井的固结理论属三维问题。
4．设计
1）砂井布置方法；2）砂井间距；3）砂井深度。
一般砂井的平面布置有梅花形(正三角形)和正方形两种，如图所示。在大面积荷载作用下，假设每根砂井为一独立排水系统。正方形排列时，每个砂井的影响范围为一正方形，而梅花形布置时，则为一正六边形。为了简化起见，每个砂井的影响范围都简化为一个等面积圆。因此，梅花形排列时的影响直径de为
正方形排列的情况则为
式中：l为砂井的间距。
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工程实例
知识点3：水利工程中的截渗墙防渗处理
截渗墙是水利工程中普遍采用的一种防渗处理工程，五十年代初期起源于意大利，然后传入西欧各国，1959年传入日本。目前已有多个截渗墙工程其深度超过100m，1972年意大利伊利斯公司在加拿大的马尼克3＃坝建成了深达131m的混凝土防渗墙，我国小浪底水利枢纽大坝深厚覆盖层截渗墙工程墙深达80m，长江三峡围堰混凝土防渗墙的墙深大于40m，墙厚1.0-1.1m，长江大堤、黄河大堤，都在建造薄型截渗墙，墙厚200～300mm，墙深10-40m不等，截渗墙的目的主要是防止水的渗透，降低大坝及大堤产生渗透变形破坏的机率。目前在我国截渗墙主要是混凝土截渗墙
1．截渗墙的结构
图12-3 堤坝截渗墙示意图
截渗墙是在坝体内或深厚覆盖层中施工一矩形槽，然后放置钢筋笼并灌注混凝土形成混凝土截渗墙，如图所示，对土石坝，上可与粘土心墙相接，下可接帷幕灌浆。对于堤防工程上可与土工合成材料相接，下为帷幕灌浆相接。
2．截渗墙的材料
截渗墙的目的是阻止水的渗透，所以截渗墙的材料多数都是选用渗透系数小的材料，如防渗混凝土，塑性混凝土，深层搅拌桩水泥土等。
1)防渗混凝土材料
① 普通防渗混凝土
普通防渗混凝土是根据结构所需的抗渗要求配制的。影响普通防渗混凝土抗渗性能的因素很多，但掌握以下配制规律就能配制出质量良好的防渗混凝土。水灰比应小于0.6，一般常用0.55左右，最大不超过0.65，塌落度以3-5cm为宜，水泥每立方米不少于300kg，含砂率不小于35%，灰砂比应不小于1：2.5，粗骨科最大粒径不超过40mm，细骨料最好采用中砂。
② 加气剂防渗混凝土
加气剂防渗混凝土是在混凝土拌合物中掺入微量的加气剂配制而成，加气剂是一种具有憎水作用的表面活性物质，可以显者降低混凝土拌合物中水的表面张力，通过搅拌在混凝土拌合物中产生大量微小均匀的气泡，切断混凝土内毛细渗水通道，并增加施工的和易性及分层离析，使混凝土内形成微小的封闭气泡以提高混凝土的密实性，改善混凝土的抗渗性能。常用的加气剂有松香酸钠和松香聚合物等。
③膨胀水泥防渗混凝土
采用膨胀水泥配制的防渗混凝土称为膨胀水泥防渗混凝土，膨胀水泥在水化硬化过程中形成大量体积增大的结晶体，它能产生一定的膨胀能，使混凝土中总的孔隙率减少，从而改善了混凝土的抗渗性，提高混凝土的抗裂能力，普通混凝土的抗渗标号为S6～S12，而膨胀水泥混凝土的抗渗标号可大于S20。
此外还有氯化铁防渗混凝土，减水剂防渗混凝土，膨胀剂防渗混凝土，防水剂防渗混凝土等。
2)塑性混凝土等柔性材料
塑性混凝土是以风化砂或河砂和小石、水泥和膨润土为主材，并掺入一定的外加剂配制而成，材料的强度低(R28＝4~5MPa)、弹性模量低(E0＝700～1000MPa)，这种材料施工方便，可就地取材，造价低廉。长江三峡二期围堰防渗墙材料就是采用的塑性混凝土。
3)深层搅拌桩水泥土
采用深层搅拌方法将水泥浆液或水泥粉与地基土拌和形成水泥土，其抗渗性能和强度方面明显高于原状土。此类材料在长江大堤、黄河大堤的防渗及工民建地基处理中被普遍采用。
图12-4 液压铣槽机成槽
3．截渗墙的施工技术
1)成槽方法
① 液压铣槽机成槽
液压铣槽机是一种新型的地下连续墙成槽设备，该钻机可钻掘宽0.65m~1.5m，深达100m的深槽，它可以钻抗压强度低于100MPa的所有岩层，在钻进砂层及冲积层时，钻进速度可达20m3/h，在钻进过程中可随时纠正偏斜。在适宜的地层中成槽效率和精度都很高，泥浆耗损少，对环境污染小。
② 机械式或液压式抓斗成槽
图12-5 机械式或液压式抓斗成槽
配以一台以履带式起重机为主机的机械式抓斗成槽机，这种设备功率大，提升力和绳速均很高，加之一机可两用，抓取和冲凿，适于在复杂地层中建造防渗墙，液压抓斗其造孔速度快、精度高，但仅适用于均质松软的地层，对于块球体和硬岩地层无法施工。
③ 冲击或冲击正反循环钻机成槽
它适应于各种地层造孔，结构简单。冲击反循环钻机将出渣改为泵吸反循环连续出渣，其钻孔效率大大提高，也使清孔换浆质量大为提高。
④ 锯槽机成槽法
图12-6 冲击或冲击正反循环钻机成槽
利用锯槽机成槽具有连续成槽特点，在黄河大堤的截渗墙施工中被普遍采用，在适宜的地层中效果很好。
⑤高压水冲成槽法
利用高压水流切割土体形成槽。在黄河大堤的截渗墙施工中被应用。
2)混凝土浇筑工艺
① 采用液压铣槽机清孔换浆或用反循环钻机泵吸法清孔换浆，使浆液粘度及含砂率达到规范要求标准。
② 采用泥浆下直升导管法浇筑，压球满管法开浇，浇筑中要求严格控制混凝土面的高差和导管埋深。
③ 保证混凝土面上升速度，减少浇筑时间，防止混凝土顶面初凝形成硬壳。深槽孔浇筑的上升速度一般都大于5m/h。
④ 严格控制熟料质量，保证熟料的和易性，一旦发现不合格，立即将其废弃。
3)槽段连接方法
①“铣剥”法。该法用于液压铣建造的槽孔，它是在铣削二期槽时，一期槽的部分混凝土也同时被铣削，从而在槽段间形成锯齿状连接，这种方法施工简便、精度高，三峡二期围堰工程中就采用了该方法。
②“双反弧接头槽”法。这种接头方法是使用液压双反弧钻头等机具施工二期槽孔，不需要凿除一期墙段两端的混凝土，形成圆弧形接缝。它不仅节约了混凝土，槽段连接质量也明显优于“钻凿”法。
截渗墙工程是水利工程中一项很重要的工程，在截渗墙施工中，应根据地层特点来选取成槽设备，应尽可能考虑使用先进设备，在有条件时应结合工程进行生产性试验，以确定最优施工方案。
知识点4：高压固结灌浆处理
1．高压喷射灌浆流程
高压喷射灌浆通过对土体的切割及现场土与水泥浆的搅拌加固土体。或者说，由于空气-水的冲击，在某种程度上使部分土体被浆液置换。高压喷射灌浆根据射流介质的不同，分为单管法、二重管法和三重管法。单管法中高压浆液兼作射流介质；二重管法经高压浆液和压缩空气作射流介质；三重管法输送介质为水、空气、浆液、并以高压水和压缩空气为射流介质。
三重管高压喷射灌浆的操作分两个步骤：
1)用装有钻具和喷嘴的喷头钻至预定深度；
2)浆-气-水由喷嘴高压喷出。喷嘴边喷射边旋转和提升，最后在土层中形成圆柱状的固结体—桩。
图12-7 高压灌浆操作顺序
2．灌浆材料
1)水泥浆液
水泥浆液具有强度高、耐久性好、价格低以及无毒等优点，同时，水泥浆液具有一些明显的缺点，如粒径较大而进入细微裂隙的能力低；因易于析水沉积而稳定性差，硬化后的结石体积收缩，甚至产生裂缝而构成渗漏的通道等。许多国家为此而进行了研究工作，中国也研制出不同种类的超细水泥浆液、改性浆材和膏状浆材等，并且在实践中取得成功。详细
2)化学浆液
化学浆液具有某些水泥浆液所不具备的特性：①粘度低，可以灌入微细裂隙；②凝固时间可以控制，从几秒至几十小时内均可调节；③固结体可以是适于补强用的塑料体、应变形的橡胶体或止水用的凝胶体等等，因而可以满足工程的多种要求。但是化学浆材的价格高，配方比水泥浆液复杂，所以一般情况下，尽量先采用水泥浆材，若不能奏效，才起用化学灌浆。
在近30多年里，我国研制并应用的化学浆材品种多样，包括环氧类、聚氨酯类、丙烯酰胺类、甲基丙烯酸酯类、丙烯酸盐类、木质素类、脲醛类，以及水玻璃(硅酸盐)类等。详细
3．灌浆方法与工艺
1)灌浆方法
灌浆是通过灌浆管、喷嘴和灌浆泵完成的，目前的主要灌浆方法有：①孔口封闭，自上而下分段循环灌浆法；②自下而上分段卡塞纯压灌浆法；③GIN灌浆法；
①自上而下分段循环灌浆法
自上而下分段循环灌浆工艺号称“无塞灌浆”，但实际上孔口封闭器就是一种塞。只是这种“塞”卡在孔口，而不是卡在每一灌段的顶部。
图12-8 分段卡塞纯压灌浆法
该灌浆方法是国内最常用的灌浆方法，它被认为是保证帷幕灌浆成功的最为有效的方法。但由于其严格的操作程序和特殊的工艺要求，使其在工效上受到了限制。
②自下而上分段卡塞纯压灌浆法
自下而上分段卡塞纯压灌浆法如右图所示，要求灌浆塞卡在每一灌段的顶部。在施工中，应用的灌浆塞有液压式和气压式。膨胀体有胶囊式，它靠囊内充气体或液体膨胀，也有胶球式，它靠机械挤压使胶球变形，增大直径。机械挤压方法有螺杆式和活塞式。当灌浆孔段较深时，液压灌浆塞在灌浆结束后卸压缓慢，当较浅时，具有易于操作的优点。气压灌浆塞卸压比较容易，在深孔灌浆时有其优势，但由于配套设施比较复杂，所以操作不太便利。
③GIN即灌浆强度值，其含意为单位孔段上消耗的灌浆能量，它可用灌浆孔段的最终灌浆压力P(MPa)和单位灌段注浆量V(L/m)的乘积表示：GIN=P?V(MPa?L/m)，也可表示为：GIN=P?C(MPa?kg/m)，其中C为单位灌段注入水泥量。
GIN灌浆法的技术要点为：①在整个灌浆过程中尽可能使用单一配比的具有宾汉流体特性的稳定性浆液，降低浆液的沉淀速度；②根据GIN曲线，监控灌浆压力，避免出现有害的或浪费能耗的压力；③用计算机控制灌浆过程，在监视屏上随时观测灌浆压力和注入量，监视P-C灌浆过程曲线在选定的GIN曲线图上的运作趋势，根据P-C曲线和F/P-C可灌性曲线(F为浆液流量)，判断灌浆的完成情况。
2)灌浆工艺
①不同水泥浆液的配合应用
岩体中的裂缝宽度和性质都不同。从这一情况出发，在第Ⅰ序和第Ⅱ序孔先灌注普通水泥浆液以充填较宽的缝隙，然后在第Ⅲ序孔灌注超细水泥浆液以充填细微裂隙。如果灌注超细水泥浆液难以按常规的要求达到结束标准，就可再加灌普通水泥浆液。在二滩坝基础就成功采用这种技术。
②采用合适的制浆工艺
在配置水泥浆时，先进行低速预搅拌，后进行高速强制性搅拌，再转入低速搅拌待用。在搅拌中并掺入高效分散剂，可以显著地改善浆液的稳定性与流动性，从而提高可灌性。
③灌浆压力的控制
在确定灌浆压力时，不能只考虑灌浆段深度，还应同时注意其进浆量。在进浆量大时应限制压力，避免浆液扩散过远造成浪费。在进浆量小的孔段，即使孔段较浅，也可以适当地加大压力。这不会产生不利后果，且可提高灌浆效果。
④水泥灌浆和化学灌浆的结合采用
采用水泥灌浆和化学灌浆相结合来构成组合帷幕，
如龙羊峡坝是一座高178m的重力拱坝。它的左坝肩单薄，在紧靠拱端的上游侧有一较宽的伟晶岩劈理带。它与位于下游侧的深沟连通，这会在蓄水后构成严重的漏水通道。因此必须设置帷幕，以截断劈理带在蓄水后产生的拉力区。若是单纯采用水泥灌浆，则帷幕有被拉裂的危险。
⑤GIN灌浆法中GIN值的选取
GIN值是GIN灌满浆工艺最关键的系数。它关系到灌浆的成败，不同地层，不同裂隙发展状况，不同防渗标准，需要选用不同的GIN值。GIN值过大会造成浪费，严重的还可能引起地层的破坏性变形(当设计最大压力选择不当时)导致更大的损失，GIN值过小则裂隙充填不充分，影响质量，施工中基本上都取设计范围的上限值。从灌浆效果看，选择的GIN值是恰当的。
⑥灌浆自动记录及灌浆过程监控
灌浆工程是隐蔽工程，对工程质量的评价主要以过程和数据记录为依据，所以记录的准确性和及时性尤为重要。小浪底帷幕灌浆过程及数据的记录全部为自动记录仪记录，这就避免了人为因素对记录的准确性的影响。使用灌浆监控系统可实时远距离监控多个灌段的灌浆过程。
4．灌浆机制
①劈裂灌浆
在岩基中，劈裂灌浆之所以得以形成是灌浆压力先后克服地层的应力和抗拉强度，使岩体沿垂直于小主应力的平面发生劈裂，于是浆液进入和挤密夹泥层，并在其中产生化学加固作用，形成起骨架作用的浆脉，岩体也因受挤压而致密。在均质土基中，主要产生径向裂隙。在层状土基中，主要产生水平裂隙。灌浆后产生以大量水平浆脉为主的浆脉网络，构成土—－浆脉复合地基。在形成浆脉的同时，土层因受挤压而在性能上有着显著的改善。
②吸渗作用
浆液在低渗透性(K≤10-6～10-8 cm/s)软弱岩土中的透入，主要的并不是依靠灌浆压力注入，而是靠浆液对岩土的润湿能力以及相互亲和力，即所谓的吸渗作用。浆液对岩土的润湿性是以与之接触的角度θ来表示。如果θ＜90°，那么浆液就是岩土的润湿相。浆液与岩土的亲和力F＞0。此时有吸渗作用；反之θ＞90°，浆液为岩土的非润湿相。亲和力使难以压渗的地层成为较易渗透的地层。
③化学浆液的亲水效应
裂隙中的重力水和毛细水在灌浆压力的作用下易于被挤掉，剩下的是对浆液效果有较大影响的吸附水。在憎水性浆液中，若加入亲水的、表面张力比水低的、具有强极性并能够和主剂结合的材料，则将提高浆液的湿粘结强度。
5．高压固结灌浆设计
在设计灌浆时应考虑以下几点：
①灌浆孔的布置；②灌浆压力；③浆液浓度和配方；④灌浆材料的选择(特别是强度和凝结时间)；⑤灌浆机械的工作性能；⑥灌浆量；⑦钻孔的类型、直径和钻孔的深度；⑧灌浆模式的试验；⑨灌浆机械的安排及安全措施等。
6．高压灌浆的应用
在水利水电工程中，采用高压灌浆技术解决了不少特殊的基础问题。例如高压灌浆处理岩溶坝基用于乌江渡水电工程、隔河岩水电工程等，高压冲洗置换法处理断层软弱破碎带用于铜子街坝基础处理工程，高压喷射灌浆技术对深厚覆盖层作防渗处理用于小浪底水利枢纽大坝等。
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知识点： 水利水电工程中地基处理
