水閘軟弱地基處理方案比選及效果分析

摘要：本文主要針對水閘軟弱地基處理方案的比選及效果展開了系統分析，通過結合具體的施工實例，簡要概述了泵閘的地質情況，對泵閘地基處理的方案作了介紹和進行比選，探討了堆載預壓的設計，并分析了工程現場實施及效果，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

關鍵詞：水閘；軟弱地基；處理方案；比選及效果

粉細砂地基屬于軟弱地基，對其的處理主要取決于粉細砂的特殊性質，由于粉細砂地基的變形往往是局部和突然發生，且不均勻，對建筑物破壞性大，危害非常嚴重，因此對粉細砂地區的建筑物不論地基承載力是否達到容許承載力，都應對地基進行處理。鑒于此，本文就水閘軟弱地基處理方案的比選及效果進行了分析，并結合了具體的工程實例，相信對水閘軟弱地基的處理有一定的幫助。

1 工程概況

某水閘工程包括7.84km堤圍、圍區排澇工程及河口改道治理等。其中圍區排澇工程設一泵閘，設計排澇流量24.0m3/s，安裝3臺單泵流量8.0m3/s立式軸流泵。主體工程由主泵房、穿堤涵閘等組成，泵房采用整體式結構，底板順水流方向長25m，垂直水流向寬24.9m，底板底面高程-6.5m；穿堤涵閘為三孔鋼筋混凝土箱涵結構，閘室長25m，寬19.2m，底板底面高程-3.2m。

2 泵閘地質情況

工程區所處地貌單元為珠江三角洲地帶，屬河口、沙嘴、沙島近潮相地貌類型。地層為第四系以陸相為主的海陸交互相沖積的瀉湖平原及以海相為主的海陸混合沉積層等松散沉積。出海泵閘工程場區地形較平坦，灘面高程約-2.0～-3.0m。

泵閘主體基礎均座落在②層粉細砂上，該土層基礎之下厚度約4.0～7.0m，呈松散-稍密狀，壓縮系數a0.1-0.2平均值為0.24MPa-1，標準貫入擊數4～14擊，平均值8擊；下伏軟弱③層淤泥質黏土夾砂，呈流塑狀，壓縮系數a0.1-0.2平均值為1.22MPa-1，具高壓縮性，抗剪強度低，厚度達25m，中部夾0～2.5m不等的③j層中砂透鏡體；其下⑤層含礫中粗砂未鉆穿，為中密-密實狀，標準貫入擊數19～>50擊，是比較理想的樁基持力層。

3 地基處理方案比選

3.1 基底應力及沉降計算

主泵房和穿堤涵閘基底應力計算結果見表1。

表1 基底應力計算結果

天然地基下主泵房最終沉降量112cm，涵閘最終沉降量125cm，沉降主要發生在深厚的③層淤泥質黏土夾砂層。根據計算結果，主泵房和涵閘最大地基應力130.22kPa，②層粉細砂承載力特征值100kPa，有多種工況下承載力不滿足要求，天然地基沉降量很大，為工程結構運用所不允許，需進行地基處理。

3.2 地基處理方案比較

（1）換填法：由于地基表層粉細砂層較厚，換填法工程量較大，不是很經濟，下部又為深厚的高壓縮性淤泥質黏土層，不可能將其全部挖除換填，所以無法解決地基沉降量過大的問題。

（2）預壓加固法：由于本工程表層細砂層和淤泥質土下部的中粗砂層均為良好的排水層，都能有效的促進淤泥質土層的固結，預壓法能有效地減小地基的總沉降值及不均勻沉降值，但是預壓加固后表層砂的貫入度如不能夠達到臨界貫入度以上，還需要另外進行地基液化處理。

（3）樁基礎：樁基礎由于樁基穿透細砂層和淤泥質黏土層，將中粗砂層作為持力層，因此能夠同時解決地基沉降、承載力和砂土液化問題，但投資較高，且軟土地基易出現土層與底板脫空現象，但一般可通過設置與底板剛性連接的防滲板樁或預留注漿管進行充填灌漿的措施解決。

（4）砂石樁：砂石樁處理液化砂土一般采用振動沉管擠密成樁，在振動機的震動作用下，將套管沉入土體，將周圍土體擠密或振密，并在套管中加灌砂石料，然后邊拔管邊振動排砂于土體中振動密實成樁，與土體形成復合地基。

從以上分析可知，本工程出海泵閘首先要解決工后沉降過大的問題，其次要采取措施消除表層松散粉細砂的地震液化。本工程出海泵閘需采用圍堰擋水進行干地施工，當地砂料豐富，砂質好，圍內回填土方用量較大，如果結合圍內回填，進行堆載預壓，工程投資相對較省。因此，對建筑物地基先結合施工圍堰先采用插打塑料排水板堆載預壓，解決工后沉降過大的問題，再采用振動沉管擠密砂樁消除粉細砂液化，是可行且經濟的方法。

4 堆載預壓設計

為加快③層淤泥質黏土混砂層的固結速度，在泵閘基礎下及基礎底板輪廓外邊線往外10m范圍布設排水板，間距1.0m×1.0m，排水板穿透淤泥質黏土混砂層，并進入中粗砂50cm以上。由于表層為粉細砂，是良好的天然排水層，所以排水板頂部不需設置排水砂墊層。地基打排水板后在圍堰內回填中粗砂至5.4m高程進行堆載預壓，加載量約150kPa。經結果可知，超載預壓4個月后地基土的固結度可達85%以上。擬定預壓時間為4個月，轉換成泵閘的實際荷載后，地基基本能保持穩定，消除沉降和邊荷載的影響。采用堆載預壓進行地基處理后出海泵閘承載力和沉降均能滿足要求。

本工程區域抗震設防烈度為8度，建筑物需要做抗震設計，應采取措施有效消除液化對建筑物和相鄰堤防的影響。預壓處理后能適當提高地基土的抗液化能力。

5 砂石樁設計

（1）樁間距確定

根據消除地基液化的要求，處理后地基土的標貫擊數N大于臨界值Ncr，樁徑取500mm，正方形布置，粉細砂土天然孔隙比e0取1.10，砂土地基樁間距根據擠密后要求達到的孔隙比e1來確定。

式中各符號含義見《建筑地基處理技術規范》，處理后的相對密實度可取0.70～0.85，計算得樁間距1.3～1.6m，取樁距1.3m。

（2）樁體材料

樁體材料采用滲透性大的優質中粗砂，粒徑大于0.5mm以上顆粒重量大于50%，含泥量不得大于5%，含水量控制在8%左右。

（3）設計灌砂量

樁身灌砂用量按體積和重量雙重控制，施工中灌砂量不少于設計用量的95%，否則要采取復打法重新進行灌料。灌砂量按以下公式計算。按砂的重量計：

式中：G——填砂量；

Ap——砂樁截面積；

ds——填料砂的土粒比重；

ω——砂料的含水量；

e0——粉細砂土天然孔隙比，取最大孔隙比與最小孔隙比的平均值，此時相對密實度Dcr為0.5。

按砂的體積計：

V=βlπd2/4

式中，充盈系數β可取1.2～1.4；樁身長度l考慮樁端預留0.5m，以保證成樁質量。

（4）平面布樁

砂樁平面布置采用間距1.3m，正方形布置，建筑物底板下滿堂布樁，寬度超出底板外輪廓3～5排。

（5）樁長

砂石樁處理深度一般在15～20m以內，對于處理表層松散粉細砂土液化一般已可以達到消除地基液化的目的。本工程粉細砂厚度4.0～7.0m，砂石樁樁長根據下臥層承載力驗算，取樁長12m，穿透粉細砂層，進入軟弱黏土層5～8m。

6 現場實施情況及處理效果分析

排水板插打過程中出現大部分排水板到③j層中砂插入困難的情況，分析原因主要是③j層厚度分布不均，標準貫入度較高（標準貫入擊數38～>50擊），插板機穿透該層難度較大，造成排水板插打成功率較低。

由于本工程堆載預壓處理在各類地基處理方案中相對比較經濟，因此，現場實施過程中仍建議采用堆載預壓處理方案，但是排水板根據現場土質情況進行插打，在③j中砂層以上部分均按設計施工完成，中砂層以下部分因插板成功率較低，設計不考慮其作用，待堆載完成后檢驗現場堆載預壓效果。加載至設計高程后實施了井點降水增加壓載量，累計堆載約4個月時間。根據監測數據，至9月17日，由沉降數據推算的表層和深層平均固結度分別在93.4%～95.1%和71.3%～94.5%之間，孔隙水壓力平均消散率約在67.2%～100%之間，見圖1、圖2。

圖1 地基表層沉降點沉降-時間關系曲線

圖2 泵閘各測點孔隙水壓力-時間關系曲線

現場監測結果表明，在完成的加載條件下，地基土基本完成了固結沉降，泵站區域的沉降值達915mm，涵閘位置沉降量924mm，遠大于計算中砂層以上部分沉降值（552mm），表明中砂層以下土層也得到了壓縮，固結度指標達到了設計要求。分析原因是下部淤泥質黏土層下的含礫中粗砂排水性好，利于軟土層的固結。

通過標貫試驗復判粉細砂層液化，標貫擊數10～16擊，較原天然地基有所提高，但小于臨界值Ncr，表層粉細砂仍為嚴重液化，需進一步采用振動擠密砂樁進行處理，目前砂樁暫未施工，根據相關資料，振動擠密砂樁處理后標貫擊數可增加70%～90%，可以預見能取得良好的處理效果。

7 結語

綜上所述，軟弱地基對建筑物破壞性大，危害非常嚴重，特別是作為水利工程重要部分的水閘設施。因此，必須對水閘軟弱地基進行處理加固工作。相關的施工人員要認真分析工程現場所處的地質情況，并按實際采取適應的加固方案進行施工，以確保軟弱地基的處理符合水閘設施的要求。

參考文獻

[1]韓仕賓、戴敬秋、陳衛東.淺談泵站進水流道大體積混凝土裂縫的預防和控制[J].建設與管理.2011（01）.

[2]黃高峰、陳和愛.淺談深厚淤泥和淤泥質土層基礎地基處理設計方案比選[J].江西水利科技.2010（02）.