新馮家口閘淤泥質軟土地基的處理措施

鄭 穎, 張著彬

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430064)

淤泥類土是在靜水或緩慢的流水(海濱、湖泊、沼澤、河灘)環境中沉積,經生物化學作用形成的含有較多有機物、未固結的飽和軟弱粘性土。其主要特點是孔隙比>1,天然含水率大于液限。根據孔隙比大小,又可分為淤泥(孔隙比>1.5)和淤泥質土(孔隙比1～1.5)[1]。淤泥和淤泥質土具有透水性弱、強度低、壓縮性高等特點。其承載力一般<100 kPa,被視為軟弱地基土。對于上部結構荷載較大、對變形要求較高的建筑物,不能利用淤泥類土作為天然地基持力層。但在工程建設中,受工程地質條件、建筑物性質及建筑場地等諸多因素限制,建筑物不得不建在淤泥類軟土地基上,這就要求對軟土地基采取補強處理。本文在對新馮家口閘軟土地基工程地質特性分析及處理措施總結的基礎上,結合類似工程經驗,對軟土地基的工程地質特性、處理措施以及軟土地基處理過程中的常見問題進行了探討。

1 新馮家口閘工程概況

南水北調中線從丹江口水庫調水,造成漢江中下游水量減少,相應的從漢江進入東荊河的流量減小,水位降低,影響了東荊河兩岸閘站正常使用。為減小其影響,需在仙桃市的東荊河左堤新建新馮家口閘,以改善通順河—東荊河之間的灌溉條件。

根據設計,新馮家口閘為單孔閘,孔口尺寸3 m×4 m,設計流量18.0 m3/s,建筑物等級為Ⅲ級。閘底板高程20.40 m,建基面高程19.30 m。由進水渠、閘室(啟閉機排架)、箱涵(洞)、翼墻、進出水池、沉螺池等建筑物組成。

2 基本地質條件

閘址地處仙桃市馮家口鎮,新建馮家口閘位于東荊河左堤143+180處,為穿東荊河左堤建筑物。堤頂高程31.74～31.84 m,堤頂寬8.0 m。堤身外平臺寬約50 m,高程24.29～26.96 m;堤外為寬250 m左右外灘,高程21.40～24.29 m。堤身內平臺寬30～50 m,高程24.01～26.17 m;堤內為公路和火腦溝灘地。

閘址地層主要為第四系全新統地層(Q4),地層巖性自上而下依次為:①堤身填土(黃褐色壤土);②-1灰色砂壤土夾薄層粘土或粉砂條帶;②-2黃褐色粘土;②-3褐灰色淤泥質粘土;②- 4黃褐色壤土;③-1黃褐色粘土;③-2灰褐色淤泥質粘土;④灰黃色壤土;⑤-1灰褐色粉細砂;⑤-2灰褐色砂壤土;⑥褐灰色粘土。

根據各土層室內土工試驗及原位測試成果統計分析,結合類似工程經驗綜合取值,各土層物理力學參數(見表1)。

3 閘基軟土的分布特征及工程地質特性

3.1 閘基軟土分布特征

根據鉆探揭示,閘基軟土分布不均,厚度變化較大。根據其分布位置的差異分為兩層(見圖1):

②-3層,褐灰色,流塑狀態,富含有機質,局部含螺殼,有腥味,粘性強,為閘及箱涵建基面主要土層,厚0.5～5.1 m,層底高程17.21～22.22 m。

圖1 新馮家口閘剖面圖Fig.1 Profile of Xinfengjiakou gate1.第四系全新統人工堆積;2.第四系全新統湖積堆積;3.第四系全新統沖積堆積;4.粘土夾碎石;5.粘土;6.壤土;7.砂壤土;8.淤泥質粘土;9.粉細砂;10.地層分界線;11.標貫擊數;12.原狀樣及編號;13.擾動樣及編號;14.地下水位;15.鉆孔編號鉆孔;17.地層編號;18.孔深—高程。

表1 新馮家口閘各土層物理力學參數表Table 1 The physical and mechanical parameter table of each soil layer of Xinfengjiakou gate

③-2層,灰褐色,流塑狀態,土質不均,局部夾厚約1.15 m的褐灰色淤泥質壤土,富含有機質,具腥臭味,呈透鏡層狀分布于外灘,厚0.8～3.0 m,層底高程17.41～19.55 m。

3.2 閘基軟土工程地質特性

根據閘基軟土室內土工試驗成果(見表1)表明,閘基分布的兩層軟土層物理力學性質大同小異,均具有如下工程地質特性。

(1) 高孔隙比:試驗成果表明,②-3和③-2兩層淤泥質粘土層的孔隙比分別為1.101和1.245,均>1,但<1.5。

(2) 高含水率:試驗成果表明,②-3和③-2兩淤泥質粘土層的含水率分別為46.1%和63.9%,均大于其液限44.8%和54.4%。

(3) 高壓縮性:試驗成果表明,②-3和③-2兩淤泥質粘土層的壓縮系數分別為1.023 MPa-1和0.941 MPa-1,壓縮模量分別為2.55 MPa和2.15 MPa,均具有高壓縮性。

(4) 低強度:試驗成果表明,②-3淤泥質粘土層的快剪強度為Cq=11 kPa 、φq=6.7°,固結快剪強度為Ccq=14 kPa、φcq=9.4°;③-2淤泥質粘土層的快剪強度為Cq=9 kPa 、φq=5.6°,固結快剪強度為Ccq=10 kPa、φcq=7.8°。兩層土層的強度均較低。

(5) 低承載力:根據物理參數查表及原位測試成果綜合取值,兩層土層的地基承載力特征值均為60～80 kPa,地基承載力極低,不能滿足上部建筑物對地基承載力的要求。

(6) 微透水性:試驗成果表明,②-3和③-2兩層淤泥質粘土層的滲透系數分別為4.36×10-6cm/s和5.25×10-6cm/s,均具微透水性,不利于土層滲透排水。

4 軟土地基處理方案選擇

根據設計,新馮家口閘底板高程20.40 m,建基面高程19.30 m,閘及箱涵等建基面正好坐落在軟土層上。由于軟土層存在均勻性差、壓縮性高、承載力低等特點,不能滿足上部建筑物對地基承載力及變形的要求,因此,需要對軟土地基進行處理。

對于軟土地基的處理,常用的方法有換填法、排水固結法和樁基法等[2]。在本工程設計過程中,主要針對上述三種方法從適宜性、時效性及經濟性等方面進行了比較,方案比較見表2。

從表2可以看出,由于新馮家口閘建基面以下淤泥質粘土層具有一定埋藏深度和厚度,場地狹窄,地下水埋深淺,土層透水性差,且受堤防及防洪安全等因素影響,對工期要求高。綜合上述各種因素分析,本工程不適合采用換填法及排水固結法,適合采用工藝簡單、進度快、效果好的樁基礎法。

表2 軟基處理方案對照表Table 2 Check list of soft foundation treatment scheme

樁的分類很多,根據材料可分為木樁、砂石樁、鋼筋混凝土預制(現澆)樁，灌柱樁和水泥攪拌樁等。木樁由于其耐久性差在民用建筑中已禁止使用;砂石樁主要用于加固較深淤泥類軟土地基,存在工期長、后期變形大等問題,對變形要求較高的建筑不宜使用;鋼筋混凝土預制樁雖具有施工快、效果良好等優點,但對施工機械及場地要求高,對于處理大面積場地而言比較經濟實惠,但對于小規模工地而言,由于一次性投資較高,反而不太經濟;灌注樁則存在因樁孔縮徑而導致樁身完整性的問題;水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑的主劑,利用攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌,使水泥與土發生一系列物理化學反應,使軟土硬結而提高地基強度,是處理軟土地基的一種行之有效的方法,具有施工方便、工期短、效果好等特點。

新馮家口閘直接與堤身銜接,施工場地受限,且存在軟基土層范圍較小,工程量不大等特點,經綜合比較,采用了水泥攪拌樁作為本工程軟基處理方案。

5 軟基處理存在的問題及應對措施

5.1 施工工藝選擇

水泥攪拌樁按材料噴射狀態可分為濕法和干法兩種。濕法以水泥漿為主,其特點是攪拌均勻,易于復攪,但存在水泥土硬化時間較長的問題;干法以水泥干粉為主,其特點是水泥土硬化時間較短,能提高樁間的強度,但存在攪拌均勻性欠佳,很難全程復攪的問題[3]。由于本工程地基地層巖性復雜,考慮到攪拌樁質量,選擇了攪拌均勻且易于復攪的濕法施工工藝。

5.2 水泥攪拌樁的布置

計算結果表明,新馮家口閘閘室及箱涵設計最大基底應力達182 kPa,遠大于閘址區軟土的地基承載力特征值60～80 kPa,同時也大于下伏各土層的地基承載力特征值。因此需采取水泥土攪拌樁進行地基處理。根據設計計算,水泥土攪拌樁置換率為20%,攪拌樁間距為1 m,梅花形布置,攪拌深度進入④壤土層內,樁尖底高程為7.7 m。

5.3 存在的問題及應對措施

受地層不均勻性及施工工藝熟練性差等因素影響,施工過程中主要遇到了樁頂強度低、冒漿和樁體不均勻等問題。其主要原因及應對措施如下。

(1) 樁頂強度低問題。原因分析:由于堤基表面覆蓋壓力較小,在攪拌過程中,上部土體很難攪拌均勻,導致樁頂成樁難,成樁質量差。

應對措施:建基面樁頂以上預留30～50 cm保護層;人為增加蓋重;在樁頂以下1 m范圍內做好加強段,進行一次復拌加注漿,同時提高水泥摻量15%。

(2) 冒漿問題。原因分析:在下伏③-1層粘土和④層壤土層中,受土的孔隙比偏小及上覆壓力大等因素影響,土層持漿能力差。而原設計攪拌速度和注漿壓力主要針對軟土層設計,在原設計攪拌速度和注漿壓力下,土層難以吸收原設計輸漿量,從而導致冒漿。

應對措施:提高攪拌轉速,降低注漿壓力和提升速度,使土與水泥漿充分拌合,從而達到減少冒漿的目的。

(3) 樁體不均勻問題。原因分析:由于本工程水泥土攪拌樁需要深入④層壤土中,除穿過淤泥質粘土層外,還要穿過③-1層粘土并進入④層壤土,由于各土層物理力學性質的差異及所處深度不同,在相同攪拌速度和注漿壓力下,其持漿量也各有差異。由于在施工過程中,僅按同一攪拌速度和注漿壓力進行施工,從而導致了樁體不均勻問題。

應對措施:針對不同土層采用不同的攪拌速度和注漿壓力。根據現場測試,軟土層的攪拌速度為500 r/min,注漿壓力為0.6 MPa,粘土和壤土的攪拌速度為700 r/min,注漿壓力為0.4 MPa。通過上述方法施工后,樁體均勻,質量良好,達到了預期效果。

6 成效

通過對軟基處理過程中遇到的問題進行及時分析處理,提高了水泥土攪拌樁的成樁質量,有效解決了閘基承載力不足的問題。根據試樁測試,經水泥攪拌樁處理后的復合地基承載力達到190 kPa以上,完全滿足上部建筑物對地基承載力及變形的要求。該工程于2013年5月建成投入使用,至今未發生不均勻變形問題,沉降量也在設計允許范圍類。充分說明,本次地基處理效果良好,可在同類工程中推廣使用。

7 結語

淤泥類軟土屬特殊類土,具孔隙比大、含水量高、壓縮性高、透水性差和強度低等特點。一般不宜直接作為建筑物的天然地基持力層。如果不得已將建筑物建于軟土層上,多需要采取地基處理。軟土地基的處理方法較多,在選擇處理方案前,必須弄清地基軟土的分布特征及工程地質特性,并結合建筑物規模及結構特點合理選擇處理方案。通過本工程的實踐經驗證明,采用水泥土攪拌樁處理軟土地基以提高復合地基承載力是行之有效的辦法,可在類似工程中推廣使用。

參考文獻：

[1] 《工程地質》手冊編委會.工程地質手冊[M].第四版.北京：中國建筑工業出版社,2007.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范：GB50007-2011[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3] 高謙,羅旭，吳順川,等.現代巖土施工技術[M].北京：中國建材工業出版社,2006.