水泥土攪拌樁在水閘地基處理中的應(yīng)用

郭浩鵬

摘 要：主要針對水泥土攪拌樁在水閘地基加固中的應(yīng)用展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實例，對水泥土攪拌樁的施工應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述和系統(tǒng)的總結(jié)分析，以期能為有關(guān)方面提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水泥土攪拌樁；水閘；軟土地基；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號：TU753.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.109

軟弱地基在沿海地區(qū)分布廣泛，而水閘建筑物所需的基礎(chǔ)通常需要承受相當(dāng)大的上部荷載，其基礎(chǔ)底部壓力往往比淤泥軟基持力層所能承載的壓力要大很多。因此，在這種淤泥質(zhì)軟基上修筑水閘建筑物，必須采取合理、有效的加固處理措施，否則就可能造成軟基出現(xiàn)局部沉降破壞，甚至出現(xiàn)構(gòu)建物整體滑動等地基失穩(wěn)現(xiàn)象。水泥攪拌樁通過特制的深層攪拌機(jī)械在地基深部就地將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和，使軟土硬結(jié)而提高地基強(qiáng)度，從而保障建筑的施工、運(yùn)行安全。下面就介紹水泥土攪拌樁技術(shù)在軟基水閘處理中的應(yīng)用。

1 工程概況

練江水閘工程位于普寧市練江干流，是一宗以防洪排澇為主、發(fā)電為輔的中型水利樞紐工程。試水閘工程設(shè)計流量1 118 m3/s，上游集水面積334.3 km2，按10年一遇設(shè)計和20年一遇校核。水閘順?biāo)鞣较虿贾糜袖伾w、閘室、消力池和海漫。鋪蓋長10.0 m，是在原有舊砌石護(hù)坦的基礎(chǔ)上鋪800 mm厚的混凝土，閘室段長8.4 m。底板是鋼筋混凝土，厚1 m，上游端設(shè)寬1.0 m、深1.0 m的齒墻。經(jīng)安全鑒定復(fù)核，水閘運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工程存在嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)除險加固后，才能達(dá)到正常運(yùn)行。按照《水閘安全鑒定規(guī)定》（SL 214—98）6.02的規(guī)定，判定本水閘為三類險閘，建議盡快對工程進(jìn)行除險加固，在未除險加固前必須采取應(yīng)急措施，確保工程安全。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖反映，練江斷裂（F14）為本場地主要構(gòu)造控制帶。基巖花崗巖深埋125 m以上。外業(yè)勘探過程中，在擬建場地未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造痕跡，為巨厚的第四系沖積砂土層，屬練江斷裂北西側(cè)練江平原地段。練江水閘地區(qū)洋尾山、洪厝寨山為殘丘低緩巖體，對局部地質(zhì)有直接影響。

2.2 主要工程地質(zhì)問題

2.2.1 軟土地基

閘址區(qū)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%；孔隙比較大，為1.02～2.32；壓縮系數(shù)一般為0.557～2.592/ MPa，具有高壓縮性。

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

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

2.2.2 飽和砂土液化

第四系上部海陸交互相沉積（Qmc）分布有2層砂性土層：①夾于淤泥土中的砂壤土-1。該土層厚2.0～3.6 m，埋深1.8～6.5 m。②淤泥土下部的砂壤土-2。該土層厚度一般為1.0～5.8 m，最厚為6.3 m，埋深5.5～13.0 m。兩層均為飽和砂性土。閘址區(qū)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%和15.6%，黏粒含量均小于16.0%，初判為液化土。復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法、液性指數(shù)復(fù)判法和相對密度法綜合進(jìn)行，復(fù)判結(jié)果表明兩層砂性土存在震動液化問題。

3 地基處理

3.1 地基處理的目的

3.1.1 提高地基承載力

水閘基底應(yīng)力計算結(jié)果顯示：完建期基底應(yīng)力最大，平均值為82.47 kPa；其他工況（擋潮工況、泄水運(yùn)用工況、檢修工況）下的基底平均應(yīng)力也大于淤泥地基的允許承載力50 kPa，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。

3.1.2 減小沉降量

水閘地基的沉降量采用分層總和法計算，結(jié)果顯示：完建期沉降量達(dá)40.8 cm，正常運(yùn)行工況的沉降量也達(dá)到了30.1 cm，均大于《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2001）規(guī)定的水閘允許沉降量15 cm。因此天然地基存在沉降量過大的問題，需要予以處理，已減小沉降量。

3.1.3 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(chǎn)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(qiáng)度低。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，在Ⅶ度地震條件下，當(dāng)承載力特征值小于80 kPa時，還可能產(chǎn)生震陷變形，需要采取地基處理措施預(yù)防。

3.1.4 提高閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

由于淤泥土抗剪強(qiáng)度很小，固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角為7°，黏結(jié)力為3.4 kPa，相應(yīng)的φ0僅為6.3°，C0為0.85 kPa。由式（1）計算可得：設(shè)計擋潮工況下（抗滑穩(wěn)定控制工況），閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.73，遠(yuǎn)小于安全系數(shù)的允許值1.30.折算的綜合摩擦系數(shù)僅為0.18，比一般地基上的摩擦系數(shù)小得多。

3.2 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1 m）和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC-B500-125）3種地基處理方案。鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)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(xiàn)脫空，所以一般不考慮樁間土體承擔(dān)荷載，全部豎向荷載和水平荷載由樁體承擔(dān)，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(fù)合地基，不存在脫空問題，樁間土與水泥土樁體一起承擔(dān)豎向荷載。同時，處理后的復(fù)合地基由于水泥土的改性作用，力學(xué)強(qiáng)度得到了提高，抗滑能力也有較大的提高。采用鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)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(jìn)行水閘地基處理。

4 水泥土攪拌樁設(shè)計

4.1 攪拌樁布置

由于水閘地基土體強(qiáng)度低，因此采用大直徑攪拌樁提高工效，攪拌樁直徑為600 mm。攪拌樁樁長根據(jù)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15 cm的要求，樁長不應(yīng)小于11.2 m；水閘地基下可液化砂層深度在10 m以內(nèi)，為達(dá)到抗液化的目的，攪拌樁應(yīng)進(jìn)入的非液化層深度按2 m考慮，樁長應(yīng)不小于12.0 m；按抗震陷要求，樁長應(yīng)超過淤泥深度，樁長不小于8.4 m。綜合考慮取攪拌樁樁長為12.0 m。

攪拌樁按照抗液化和震陷要求采取格柵式布置，樁間套接15 cm，格柵間距取為4 m左右。同時，格柵布置還要兼顧閘室底板受力特點，與閘室結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，分塊尺寸為25.0 m×18.8 m（順?biāo)飨颉翙M流向），每個分塊內(nèi)順?biāo)飨虿贾?排，排間距4.50 m和4.95 m；橫流向布置5排，其中在閘墩對應(yīng)位置各布置1排，底板下布置3排，排間距4.05 m。這種布置方式主要是依據(jù)彈性地基梁下基底反力分布規(guī)律，有利于減小水閘底板閘孔中部的負(fù)彎矩。每個格柵內(nèi)還布置有4根單樁，以調(diào)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%.

4.2 復(fù)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(guān)設(shè)計參數(shù)，專門進(jìn)行了室內(nèi)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-含量為395～408 mg/kg，對混凝土不具有硫酸鹽腐蝕性；有機(jī)質(zhì)含量2.40%～2.46%.試驗水泥品種及強(qiáng)度等級分別為32.5R復(fù)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%和21%，外加劑選擇三乙醇胺，試驗齡期分別為7 d、14 d、28 d、90 d。水泥土室內(nèi)配合比無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表1.

室內(nèi)配合比試驗表明，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)度等級的提高而增大，表明淤泥地基適用于以水泥作固化劑。

根據(jù)試驗結(jié)果，水泥土無側(cè)限抗壓設(shè)計強(qiáng)度值fcu取1.30 MPa（取28 d齡期強(qiáng)度主要是考慮到水閘還需承擔(dān)水平荷載），建議采用42.5R強(qiáng)度等級的水泥，摻量不小于18%.具體配合比則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗確定。

單樁承載力取為按樁身材料強(qiáng)度（樁身強(qiáng)度折減系數(shù)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(jù)計算結(jié)果，按樁身強(qiáng)度所確定的單樁承載力為91.9 kN，遠(yuǎn)小于按樁周土和樁端土抗力確定的單樁承載力232.85 kN。因此，單樁承載力取91.9 kN。

經(jīng)計算，復(fù)合地基承載力特征值為105.1 kPa，滿足水閘對地基承載力的要求。

水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降量包括樁長深度內(nèi)的復(fù)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130 MPa，經(jīng)計算，復(fù)合土層壓縮變形量為1.8 cm，樁端下未加固土層的壓縮變形量為2.5 cm，復(fù)合地基總沉降量為4.3 cm，滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2001）對沉降量的控制要求。

4.3 復(fù)合地基上水閘抗滑穩(wěn)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(yè)與民用建筑行業(yè)應(yīng)用較多，現(xiàn)有關(guān)于水泥土攪拌樁的設(shè)計規(guī)范也是針對建筑行業(yè)的。近十多年來攪拌樁在水利工程中也有應(yīng)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(yīng)用尚不多見。閘室抗滑穩(wěn)定分為以下2種情況計算。

4.3.1 不考慮齒槽作用，閘室沿建基面滑動

閘基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分解為由水泥土和樁間土分別提供的2部分安全系數(shù)，采用式（1）計算。作用于樁頂和樁間土上的豎向荷載根據(jù)水泥土和樁間土的應(yīng)力比確定。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，一般情況下，承受豎向荷載時樁土應(yīng)力比可達(dá)3～6.樁間土越軟弱，應(yīng)力比越高。水閘為淤泥地基，偏于保守考慮，取樁土應(yīng)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(dān)比例為43.5%.

由上式計算得到設(shè)計擋潮工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)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(wěn)定安全系數(shù)都能滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265—2001）的要求。

5 施工工藝

根據(jù)攪拌樁設(shè)計指標(biāo)，在施工前進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗和現(xiàn)場生產(chǎn)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(jī)械采用SP-5和PH-5B型樁機(jī)，施工工藝為四噴四攪，即兩沉兩升。樁頭40 cm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(fù)合地基承載能力試驗等多種方法進(jìn)行攪拌樁質(zhì)量檢測，全部合格。

6 結(jié)束語

綜上所述，在水閘工程的施工過程中，對軟土地基進(jìn)行加固是施工的重點和難點。實踐證明，水泥攪拌樁適用于對軟土的加固，尤其在水閘軟基的處理中效果極為顯著。值得注意的是，為了使水閘地基得到更好的加固，在施工過程中必須隨時檢查施工記錄和計量記錄，并對照規(guī)定的施工工藝對每根樁進(jìn)行質(zhì)量評定，嚴(yán)把設(shè)計關(guān)和施工關(guān)，采取有針對性的質(zhì)量控制措施，保證工程建設(shè)安全、可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)地高效開展。

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〔編輯：劉曉芳〕