珠三角地區水閘地基基礎處理實例分析

中水珠江規劃勘測設計有限公司 廣東廣州 510000

摘要：本文主要針對珠三角地區水閘地基基礎處理的實例展開了分析，通過結合具體的工程實例，對地基的處理、水泥土攪拌樁的設計以及施工工藝作了詳細的闡述，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

關鍵詞：水閘地基；基礎處理；實例分析

水閘施工作為我國水利工程建設的重要組成部分，其地基基礎處理的好壞對水閘整體的施工有著關鍵的影響。因此，我們就需要按照具體情況具體分析，采取相應有效的技術進行施工，以保障地基基礎處理的質量。基于此，本文就珠三角地區水閘地基基礎處理的實例進行了分析，相信對有關方面的需要能有一定的幫助。

1 工程地質條件

1.1 區域地形地貌及地震

某河主泓偏左，河底高程一般為-5.73～-4.16m，水面寬210～275m。工程所在一帶為珠江三角洲淤積、沖積平原地貌，系海陸交互相沉積平原，地形低緩平坦，堤內地面高程一般為0.5～1.5m。區域構造環境相對穩定，地震動峰值加速度0.10g，地震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應譜特征周期為0.65s。

1.2 閘址區地層特性

閘址區基巖埋深約在20m以上，其上覆蓋層從上到下主要為第四系人工堆積層（Qml）、海陸交互相沉積層（Qmc）、殘積層（Qel）。閘址河床地層從上至下分布為：Qmc淤泥厚3.5～8.1m，上部夾一層厚約1.4m的砂壤土；Qmc砂壤土厚度一般為2.0～4.3m；Qel黏土或粉質黏土，厚5.7～6.3m；強風化泥質粉砂巖、泥巖，厚3.3～5.8m；弱風化泥巖、泥質粉砂巖，頂板埋深20m左右。閘址區土體物理力學參數見表1。

表1 閘址區土體物理力學性質參數表

1.3 主要工程地質問題

1.3.1 軟土地基

閘址區第四系海陸交互相沉積（Qmc）的淤泥土埋深較淺，在河道、溝渠、淵塘等表部直接出露。淤泥土天然含水量高，一般為30.3%～78.6%，液限一般為26.2%～63.0%；孔隙比大，為1.02～2.32；壓縮系數一般為0.557～2.592MPa-1，具有高壓縮性。

淤泥土野外現場十字板剪切強度小于40kPa，一般在8～24kPa，靜力觸探的比貫入阻力平均值等于0.236MPa，土體強度很低。

淤泥土層厚度較大，存在土體強度及承載力低、壓縮變形大、地震條件下可能產生震陷變形等問題。

1.3.2 飽和砂土液化

第四系上部海陸交互相沉積（Qmc）分布有兩層砂性土層：①夾于淤泥土中的砂壤土-1，厚2.0～3.6m，埋深1.8～6.5m；②淤泥土下部的砂壤土-2，厚度一般為1.0～5.8m，最厚6.3m，埋深5.5～13.0m。兩層均為飽和砂性土。閘址區地震基本烈度為Ⅶ度，處于抗震不利地段。兩層砂壤土黏粒含量分別為7.5%、15.6%，黏粒含量均小于16.0%，初判為液化土。復判采用標準貫入錘擊數法、液性指數復判法和相對密度法綜合進行，復判結果表明兩層砂性土存在震動液化問題。

2 地基處理

2.1 地基處理的目的

2.1.1 提高地基承載力

水閘基底應力計算結果顯示：完建期基底應力最大，平均值為82.47kPa；其他工況（擋潮工況、泄水運用工況、檢修工況）下的基底平均應力也大于淤泥地基的允許承載力50kPa，天然地基承載力不滿足要求，需要通過地基處理來提高地基承載力。

2.1.2 減小沉降量

水閘地基的沉降量采用分層總和法計算，結果顯示：完建期沉降量達40.8cm，正常運行工況的沉降量也達到了30.1cm，均大于《水閘設計規范》（SL265—2001）規定的水閘允許沉降量15cm。因此天然地基存在沉降量過大的問題，需要進行處理來減小沉降量。

2.1.3 消除地震條件下的砂土液化和震陷

在Ⅶ度地震條件下，閘基下海陸交互相沉積（Qmc）層中分布的兩層飽和砂性土層可能產生震動液化，需要采取地基處理措施來消除液化潛勢。同時，淤泥軟土層厚度大、強度低，根據文獻[1]，Ⅶ度地震條件下，當承載力特征值小于80kPa時，還可能產生震陷變形，需要采取地基處理措施進行預防。

2.1.4 提高閘室抗滑穩定安全系數

閘室抗滑穩定安全系數分為以下兩種情況進行計算。

（1）不考慮齒槽作用，閘室沿建基面滑動。

抗滑穩定安全系數計算公式為：

（1）

式中：KC為閘室的抗滑穩定安全系數；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；A為閘室基底面的面積，m2；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；Φ0為閘室基底面與地基之間的摩擦角，取淤泥土固結快剪內摩擦角的90%，（°）；C0為閘室基底面與地基之間的黏結力，取淤泥土固結快剪黏結力的0.25倍，kPa。

由于淤泥土抗剪強度很小，固結快剪內摩擦角為7°，黏結力為3.4kPa，相應地Φ0僅為6.3°，C0為0.85kPa。由式（1）計算可得：設計擋潮工況下（抗滑穩定控制工況），閘室的抗滑穩定安全系數僅為0.73，遠小于安全系數的允許值1.30。折算的綜合摩擦系數僅為0.18，較一般地基上的摩擦系數小得多。

（2）考慮齒槽作用，沿齒墻底部連同閘室與齒墻間土體一起滑動。

抗滑穩定安全系數的計算公式為：

（2）

式中：KC為閘室的抗滑穩定安全系數；∑G為作用在滑動面上的全部豎向荷載，包括齒墻間土體的浮重，kN；A為閘室基底面的面積，m2；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；Φ為地基土的摩擦角，取淤泥土固結快剪內摩擦角7°；C為地基土的黏結力，取淤泥土固結快剪黏結力3.4kPa。

由式（2）計算的結果表明，設計擋潮工況下閘室的抗滑穩定安全系數為1.03，小于安全系數的允許值1.30。

由計算結果可知，無論考慮齒槽作用與否，閘室抗滑穩定安全系數都不能滿足《水閘設計規范》（SL265—2001）的要求。閘室抗滑穩定安全系數雖然可以采取諸如增大閘室結構尺寸等其他措施來提高，但最優方案是能結合地基處理一并進行的措施。

2.2 地基處理方案比選

比較深層水泥土攪拌樁、鉆孔灌注樁（樁徑1m）和預應力混凝土管樁（PHC-B500-125）3種地基處理方案。鉆孔灌注樁和預應力混凝土管樁兩種剛性樁方案，因樁基和樁間土體一般存在沉降差，閘室底板與建基面之間可能出現脫空，故一般不考慮樁間土體承擔荷載，全部豎向荷載和水平荷載由樁體承擔，總荷載較大。而采用深層水泥土攪拌樁方案處理后的地基為復合地基，不存在脫空問題，樁間土與水泥土樁體一起承擔豎向荷載。同時，處理后的復合地基由于水泥土的改性作用，力學強度得到了提高，抗滑能力也有較大提高。采用鉆孔灌注樁和預應力混凝土管樁方案時，還需要在閘底板前后端以水泥土攪拌樁進行圍封，以避免閘室底板可能與建基面脫空帶來的接觸沖刷，其防滲的可靠性顯然低于水泥土攪拌樁方案。此外，地基處理造價也以水泥土攪拌樁方案最低，因此選擇水泥土攪拌樁方案進行水閘地基處理。

3 水泥土攪拌樁應用

3.1 攪拌樁布置

由于水閘地基土體強度低，因此采用大直徑攪拌樁提高工效，攪拌樁直徑為600mm。攪拌樁樁長根據控制閘基沉降量、抗液化和震陷的要求確定。按控制閘基沉降量不超過15cm的要求，樁長不應小于11.2m；水閘地基下可液化砂層深度在10m以內，為達到抗液化的目的，攪拌樁應進入的非液化層深度按2m考慮，樁長應不小于12.0m；按抗震陷要求，樁長應超過淤泥深度，樁長不小于8.4m。綜合考慮取攪拌樁樁長為12.0m。

攪拌樁按照抗液化和震陷要求采取格柵式布置，樁間套接15cm，格柵間距取為4m左右。同時，格柵布置還要兼顧閘室底板受力特點，與閘室結構相對應，分塊尺寸為25.0m×18.8m（順水流向×橫流向），每個分塊內順水流向布置6排，排間距4.50m和4.95m；橫流向布置5排，其中在閘墩對應位置各布置1排，底板下布置3排，排間距4.05m。這種布置方式主要是依據彈性地基梁下基底反力分布規律，有利于減小水閘底板閘孔中部的負彎矩。每個格柵內還布置有4根單樁，以調整地基的均勻性。單個閘室總共布置攪拌樁581根，置換率約30.2%。攪拌樁布置如圖1所示。

圖1 單孔水閘閘基攪拌樁布置圖（單位：cm）

與一般承受豎向荷載為主的攪拌樁地基處理不同，水閘閘基防滲十分關鍵，同時基底應力相對也較小。因此在樁頂和基礎之間不設置級配碎石、粗砂等粒性材料褥墊層，而將閘基直接落在攪拌樁樁頂。

3.2 復合地基承載力及沉降量計算

選定地基處理方案前，為確定水泥土攪拌樁對淤泥地基的適用性以及獲得相關設計參數，專門進行了室內配合比試驗。試驗土樣取自閘基部位，土樣pH值大于7.0，呈堿性，表明地基土層對混凝土不具有泛酸性腐蝕；SO42-含量395～408mg/kg，對混凝土不具有硫酸鹽腐蝕性；有機質含量2.40%～2.46%。試驗水泥品種及強度等級分別為32.5R復合硅酸鹽水泥及42.5R普通水泥，水灰比為0.55，水泥摻量分別為15%、18%及21%，外加劑選擇三乙醇胺，試驗齡期分別為7、14、28、90d。水泥土室內配合比無側限抗壓強度結果見表2。

表2 水泥土室內配合比無側限抗壓強度結果

室內配合比試驗表明，水泥土無側限抗壓強度較大，隨齡期增長而增大，隨水泥摻量增大而增大，也隨水泥強度等級的提高而增大，表明雁洲淤泥地基適用于以水泥作為固化劑。

根據試驗結果，水泥土無側限抗壓設計強度值fcu取為1.30MPa（取28d齡期強度主要是考慮到水閘還需承擔水平荷載），建議采用42.5R強度等級的水泥，摻量不小于18%。具體配合比則應根據現場生產性試驗確定。

單樁承載力取為按樁身材料強度（樁身強度折減系數η取0.25）確定的單樁承載力、由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力兩者中的小值，根據計算結果，按樁身強度所確定的單樁承載力為91.9kN，遠小于按樁周土和樁端土抗力確定的單樁承載力232.85kN。因此，單樁承載力取91.9kN。

處理后的復合地基承載力特征值的計算公式為：

（3）

式中：fspk為處理后的復合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率，為30.2%；Ra為單樁承載力，為91.9kN；Ap為單樁的截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數，取為0.2；fsk為處理后樁間土承載力特征值，取為淤泥地基承載力50kPa。

經計算，復合地基承載力特征值為105.1kPa，滿足水閘對地基承載力的要求。

水泥攪拌樁復合地基沉降量包括樁長深度內的復合土層壓縮變形和樁端下未加固土層的壓縮變形。計算時攪拌樁的壓縮模量取130MPa，經計算，復合土層壓縮變形量為1.8cm，樁端下未加固土層的壓縮變形量為2.5cm，復合地基總沉降量為4.3cm，滿足《水閘設計規范》（SL265—2001）對沉降量的控制要求。

3.3 復合地基上水閘抗滑穩定計算

水泥土攪拌樁地基處理主要是提高地基豎向承載能力和減小沉降量，在工業與民用建筑行業應用較多，現有關于水泥土攪拌樁的設計規范也是針對建筑行業的。近十多年來攪拌樁在水利工程中也有應用，主要解決的還是地基豎向承載能力和沉降問題，用于提高地基抗滑能力的應用尚不多見。閘室抗滑穩定仍分為兩種情況進行計算。

（1）不考慮齒槽作用，閘室沿建基面滑動。

閘基抗滑穩定安全系數分解為由水泥土和樁間土分別提供的兩部分安全系數，采用式（1）計算。作用于樁頂和樁間土上的豎向荷載根據水泥土和樁間土的應力比確定。根據實際工程經驗，承受豎向荷載時樁土應力比，一般情況下可達3～6，樁間土越軟弱應力比越高。雁洲水閘為淤泥地基，偏于保守考慮，取樁土應力比為3。按攪拌樁置換率30.2%計算，則樁體承載豎向荷載比例為56.5%，樁間土承擔比例為43.5%。

參考其他工程經驗，取攪拌樁樁身內摩擦角Φ1為20°，攪拌樁樁身黏結力c1則參考《海堤工程設計導則（試行）》中的公式計算，即：

（4）

代入相關參數計算得：c1=114kPa。同樣，閘室基礎底面與攪拌樁之間的內摩擦角取為攪拌樁樁身內摩擦角Φ1的0.9倍，黏結力取為攪拌樁樁身黏結力c1的0.25倍，閘室基礎底面與樁間土之間的內摩擦角及黏結力取值同處理前。由式（1）計算的結果表明，設計擋潮工況下的抗滑穩定安全系數為2.66，抗滑穩定安全系數得到了大幅提高，水閘抗滑穩定安全系數滿足不小于1.30的要求。

（2）考慮齒槽作用，沿齒墻底部連同閘室與齒墻間土體一起滑動。

復合地基上水閘抗滑穩定安全系數采用式（2）計算，對于復合地基的內摩擦角和黏結力指標，參考《地基處理手冊》，采用下面公式計算：

tanφ=tanφ2（1-m）+mtanφ1 （5）

c=c2（1-m）+mc1 （6）

式中：c為處理后的復合地基的黏結力，kPa；φ為處理后的復合地基的內摩擦角，（°）；m為攪拌樁置換率；c1為攪拌樁樁身黏結力，取114kPa；φ1為攪拌樁樁身內摩擦角，取20°；c2為淤泥土層的黏結力，取3.4kPa；φ2為淤泥土層內摩擦角，取7°。

經計算，復合地基的黏結力為36.8kPa，內摩擦角為11.07°。

由式（2）計算得到設計擋潮工況下的抗滑穩定安全系數為4.41，大于允許值1.30。可見，無論考慮齒槽作用與否，處理后閘室抗滑穩定安全系數都能滿足《水閘設計規范》（SL265—2001）的要求。

4 施工工藝

根據攪拌樁設計指標，在施工前進行了室內配合比試驗和現場生產性試驗，確定采用臺泥牌42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為21%，水灰比0.55；外加劑為三乙醇胺，摻量0.05%。施工機械采用SP-5和PH-5B型樁機，施工工藝為四噴四攪即兩沉兩升。樁頭40cm需挖除。

施工完成后，采用開挖檢查、動力觸探、鉆孔取芯以及復合地基承載能力試驗等多種方法進行攪拌樁質量檢測，全部合格。

5 結語

綜上所述，水閘地基的施工質量對水閘整體的工程建設有著關鍵的影響，因此，我們需要重視水閘地基的基礎處理工作，具體情況具體分析，采取有效的技術做好施工，以保障水閘地基的施工質量。

參考文獻：

[1] 張帆.珠三角地區水閘軟土基礎沉降處理案例分析[J].西北水電，2007（2）：50-51.

[2] 張帆，錢剛.珠三角地區水閘軟土基礎處理案例分析[J].水利科技與經濟，2007，13（6）：437-438.

[3] 楊光華，涂金良，喬有梁，等.珠江三角洲軟土地基上涵閘基礎處理的現狀及對策[J].廣東水利水電，2008（8）：67-68.

[4] 曹婭飛.珠江三角洲公路軟土地基加固處理案例分析研究[D].華南理工大學，2011.

[5] 陳仲策，陳文思.水泥攪拌樁在深厚淤泥地基處理中的應用分析[J].湖南水利水電，2005（04）：38-39.

[6] 陳曉文，楊光華，羅軍，等.箱形結構水閘基礎不均勻沉降靜壓樁處理與分析[J].廣東水利水電，2008（8）：96-101.

[7] 李盛.水泥土攪拌法在水閘基礎處理中的應用[J].水利科技與經濟，2013，19（2）.115-117

作者簡介：

黃凌超（1988年4月份）女；籍貫：廣東揭陽；民族：漢；職稱：水利助理工程師；畢業于：河海大學；學歷：本科；從事工作：水工設計等工作。