水泥土攪拌樁地基圍封處理等相關技術的研究

夏成亮 袁 鵬 王艾艾

在我國水利工程領域，水泥土攪拌樁技術具有施工工藝簡單、施工工期短、施工成本低等方面的優點，被普遍應用于水利樞紐的地基處理、截水帷幕、堤壩加固及基坑支護等巖土工程。目前在中小型水利工程中利用水泥土攪拌樁處理地基越來越普遍，然而水利行業的規范對水泥土攪拌樁規定卻較為匱乏，設計、施工、檢測一般參照其他行業規范的相關內容執行。但是建筑類或其他行業規范一般沒有考慮到水利行業的特點，缺乏針對性，導致水泥土攪拌樁復合地基的理論遠落后于實踐，限制了水泥攪拌樁在水利工程實踐中的應用。本文通過對安徽省五河分洪閘地基中水泥攪拌樁處理液化土層方法，尤其是水泥土攪拌樁樁底入土深度的探討，為水閘地基處理中水泥攪拌樁的應用提供參考。

一、工程概況

1.工程簡介

五河分洪閘工程位于宿城區倉集鎮，黃河故道樁號K60+500，為五河分洪道首部控制性建筑物承擔分洪任務。五河分洪閘采用平底板寬頂堰開敞式結構型式，上下游翼墻均采用鋼筋混凝土扶臂式擋土墻。閘孔為5孔，單孔凈寬6.00m；閘室順水流向長12.00m，垂直水流向寬35.60m；閘室底板頂高程17.80m（廢黃河高程系，下同），上、下游河道底寬50m，兩側河槽邊坡為1∶3，根據分洪道行洪的要求，五河分洪閘的正常蓄水位為20.00m，相應下游水位為17.80m。設計20年一遇排澇流量為113m3/s，50年一遇校核流量為120m3/s。水閘最大流量為120m3/s，根據《水閘設計規范》（SL265-2001），同時結合該段黃河故道堤防級別（2級堤防），確定主要建筑物級別為2級，次要建筑物為3級。地震烈度7度。

2.工程地質

據勘察可知，在勘探孔揭露深度范圍內，該區場地內土層可分為4大層及一個亞層，基本是黃河泛濫時沖積形成的土層，茲自上而下分述如下：

①素填土（Q4al）：大部分為堤身填土，主要為粉土，灰黃色，稍濕，松散。局部可見植物根莖，土質不均勻。

③輕粉質砂壤土（Q4al）：灰黃色～淺灰色，稍濕，稍密～中密，夾有粉砂，局部地段夾有粉質粘土，干強度中等，中等壓縮性，水平層理發育，搖震反應一般，土質不均勻。

④粉砂夾粉土（Q4al）：灰黃色～淺灰色，稍濕，稍密～中密，水平層理發育，局部夾有淤泥質粘土；中等壓縮性，搖震反應一般，粉砂顆粒呈亞圓形或次棱角狀，顆粒級配一般，顆粒的礦物組成主要為石英、長石以及少量鐵質氧化物和云母碎片等，土質不均勻。

⑦粉質粘土夾粉土（Q4al）：灰黃色，局部淺灰色，可塑，局部呈軟塑狀，稍有光澤，搖震反應無，干強度中等，中等韌性，中等壓縮性，土質不均勻。

⑧-1粉質粘土夾粉砂（Q3al）：灰黃色，可塑～硬塑，稍有光澤，搖震反應無，干強度中等，中等韌性，中等壓縮性，土質不均勻，夾有粉砂，局部可見砂姜及鐵錳質結核。

地基土的物理力學性質指標見表1。

表1 排水溝和排澇溝流量計算表

3.地基處理

閘室底板底高程為16.80m，一級懸臂擋墻底板底高程為16.40～17.30m，其持力層為第③層輕粉質砂壤土，根據地質報告中資料顯示，第④層粉砂夾粉土為中等液化土層，液化可造成噴水冒砂，建筑物上浮，地基下沉與失效，側向擴展與流滑等危害，應采取抗液化措施處理地基。

在水利工程建設中，設計上可采用目前常用的地基液化處理方法有換土墊層法、強夯法、振動砂石樁等。其中振動砂石樁法因處理效果好、施工簡便、造價低廉而被廣泛采用；但振沖法會對周圍建筑物和環境造成損害，在一些情況不適用。水泥土攪拌法主要在淤泥質土、淤泥、粉土、飽和黃土、素填土、無流動地下水飽和松散砂地基、粘性土地基中最大限度地利用原土，在平面上布置成柱狀、壁狀、格柵對液化土形成圍封消除液化。具有施工效率高、施工工期短、施工過程振動小、噪音低、地面不隆起、不用擠土排污、環保經濟等優點，而且加固后土體容重基本不變，不會增加附加沉降。

水泥土攪拌樁之所以可以消除地基液化，主要是水泥土攪拌樁將液化地基形成了圍封，水泥土攪拌樁在頂部與底板相連，底部與液化土層之下低壓縮性、低滲透性土層下形成密閉空間，將可液化土圍在其中。被圍土體在透水與剪應變方面受到限制，因而不可能產生液化。因為土在液化時需要的剪應變為2%（平均值），如果完全不允許土產生剪應變，則土不會液化。同時水泥土攪拌樁在一定程度上改善了液化地基的動力性質。

綜合考慮地層狀況、成本、工期等因素，確定該工程使用水泥土攪拌樁進行抗液化和防滲處理，其主要設計技術參數為：攪拌樁直徑為500mm，中心距400mm（100mm重疊）。水泥土攪拌樁采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為15%，無側限抗壓強度不小于1.6MPa，樁體滲透系數不大于10-6級，試樁數量為0.5%且不少于3根；攪拌樁施工及測試按《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）執行。根據基礎下土層分布情況，并結合防滲要求布置攪拌樁，處理深度為進入第⑧-1層土，樁底高程為12.00m。根據規范要求，攪拌樁沿閘室、一級懸臂式擋土墻底板輪廓線布置，平面布置見圖1。水泥土攪拌樁圍封大樣圖見圖 2、圖 3。

圖1 水泥土攪拌樁布置平面圖

圖2 雙排圍封樁圖

圖3 單排圍封樁圖

二、問題探究

1.存在的問題

2015年12月五河分洪閘建設過程中，下游右側翼墻部位的施工遇到問題：現場部分水泥土攪拌樁樁底攪拌至高程13.25m左右，難以繼續往下施工至設計樁底標高12.0m。

2.地質補勘

為查明該閘閘址下游右側翼墻部位各土層的分布情況，并提供各土層的物理力學性質指標和地基各土層的承載力特征值的建議值，對下游右側翼墻進行補勘。根據場地在鉆探深度范圍內所揭示的土層，結合區域地質資料分析對比，按其成因類型及土的性狀自上而下可分為下列土層：

表2 下游右側翼墻補勘地基土物理力學性質指標表

3.結果分析

補勘結果表明：由于⑧-1層為硬塑狀態的粘性土，含砂礓，局部砂礓含量較高，且標貫擊數（SPT）較高，壓縮性低。因此根據土層實際情況及施工設備能力，水泥土攪拌樁難以向下施工至設計樁底標高12.0m處。擬建的下游右側翼墻部位分布③層松散砂壤土，該層為可液化土層，易產生滲透變形破壞，基礎施工時需進行抗液化措施處理和防滲處理。

采用水泥土攪拌樁圍封法消除在地震作用下飽和砂土或粉土的液化性，可以形象地表達為將液化土層放到一個密閉的箱體之中，保證在地震發生時箱體內的土不產生剪應變。密閉的箱體應有三部分組成：圍封墻體、圍封的箱底和圍封箱蓋。閘室地板、擋墻地板作為圍封箱蓋。水泥土攪拌樁在平面上布置成格柵式，對可液化土有可靠的圍遮與限制剪應變的作用，可以作為圍封墻體。作為圍封墻體的水泥土格柵必須穿透液化層，打入下面的低壓縮性、低滲透性土層中，也就是說圍封的箱底必須是低壓縮性、低滲透性的非液化土層。

有關水泥土攪拌樁樁底深度在水閘設計規范中并無定論，其他行業規范的相關規定也少之又少，作為圍封墻體的水泥土攪拌樁樁底深入非液化土層的深度如何確定值得探討。以單排圍封樁為例進行分析，如圖3，樁徑500mm，咬合100mm。鑒于被圍封的是封閉體，四周壓力應基本相等，側向咬合處是最薄弱的情況，樁底插入非液化土層應不小于最薄弱情況；當單排圍封樁作為防滲體，《深層攪拌法技術規范》（DL/T5425-2009）中規定：封閉式、半封閉式水泥土防滲墻，墻體應進入不透水或相對不透水層0.5～1.0m。該工程地基處理主要是為了滿足抗液化及防滲要求，并無增強地基承載力及其他需求，樁底深入非液化土層的深度不小于樁徑即可認為滿足要求。因此結合原勘測資料、補勘資料及現場施工實際情況，確定五河分洪閘水泥土攪拌樁圍封樁底高程至少深入至非液化土層（⑦粉質粘土夾粉土）0.5m。

三、結語

采用水泥土攪拌樁處理水閘地基液化土層，施工進度快，工藝簡單、便捷，造價低，基本無環境影響。合理地確定水泥土攪拌樁樁底深度具有重要意義，樁太長不僅會提高工程建設成本，造成浪費，而且可能會對施工造成困難；樁太短又會造成“浮樁”埋下隱患。通過對水泥土攪拌樁樁底深度的探討，結合原勘測資料、補勘資料及現場施工實際情況，確定五河分洪閘圍封樁樁底高程深入非液化土層不少于0.5m