水泥土攪拌樁復合地基在東滘水閘軟基設計中的應用

戶朝旺, 何國柱, 遠艷鑫

(江門市科禹水利規劃設計咨詢有限公司，廣東 江門529050)

軟土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細粒土。軟土一般具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高和天然強度低等工程特性[1]。在軟土地基上修建建筑物容易引發地基承載力不足、沉降過大等一系列的工程問題，危及建筑物正常使用。水泥土攪拌樁復合地基具有施工簡單、造價低、工效高、加固效果明顯等特點，現已在建筑工程軟土地基加固處理中得到廣泛的應用[2]。

水泥土攪拌樁主要使水泥與樁周土一起組成復合地基，最大限度利用原位地基土，從而提高地基承載力，減少地基沉降。水泥土攪拌樁通常適用于淺層或中厚層軟弱地基，對于深厚層軟土地基，通常采用剛性樁復合地基加固。Chai等[3-5]采用數值分析研究了懸浮型攪拌樁復合地基加固效果的影響因素，發現增加攪拌樁面積置換率和樁長置換率能明顯減少復合地基的工后沉降，建議采用雙層固結理論計算懸浮型攪拌樁復合地基固結度。

水泥土攪拌樁除有較多優越性外也存在一些問題，如在施工過程中容易出現水泥含量偏少達不到設計要求，水泥與土攪拌不均勻導致局部水泥成塊或者水泥含量少，強度離散性大[6-7]。此外，地下水和土的礦化度很高，這使得水泥土性能隨時間衰減很快。Terashi[8]等首次提出了水泥土表層劣化的可能性。陳四利[9]等通過試驗探討了各種侵蝕性離子下的水泥土力學性能，分析了環境侵蝕下水泥土的破裂行為與機理。傅小茜[10]等分析了硫酸鹽侵蝕環境下水泥土力學性能的劣化機理。目前，利用有限元、有限差分等理論分析復合地基承載特性的方法已經較為成熟，但是很少考慮咸水等環境效應引起水泥土性能衰變的影響。

珠江三角洲地區，廣泛分布著以淤泥、粗砂為主的深層沉積土。該區域地下水和土的礦化度都很高，由此會引起攪拌樁復合地基承載性能發生衰變，產生過大沉降。這將縮短復合地基實際短壽命，影響工程質量。因此，如何針對珠江三角洲典型區域地下水和土的特性，優化水泥土攪拌樁，解決承載力、允許沉降量、允許斜度以及基底滲漏等基礎問題，具有較高的理論和實踐意義。

本文以東滘水閘為例，研究了水泥土攪拌樁復合地基處理后的閘室設計沉降量和實測沉降量之間的差異，驗算了不同處理樁長下的沉降量，提出在保證水閘安全和正常使用的前提下，通過調整處理樁長、減小建筑物應力、預留沉降量等工程措施，以期可以進一步優化水泥土攪拌樁復合地基設計，減少工程量，提高經濟效益，縮短施工工期。

1 工程概況

1.1 水閘概況

東滘水閘地處粵西珠江三角洲沖積平原，為東滘河出海口閉口擋潮閘，主要承擔擋潮、排澇、通航、納咸任務。設計潮水位2.78 m，30年一遇，以當地歷史最高潮水位(2003年“伊布都”臺風時最高潮位3.25 m)作為校核潮水位。東滘水閘左岸設3孔閘室，單孔凈寬8.5 m，閘室順水流向長19 m，閘底高程-2.50 m(珠基,以下同)，采用平板鋼閘門控制；右岸設一通航孔，凈寬8 m，采用人字鋼閘門控制。

1.2 地質條件

東滘水閘屬河流堆積地貌，閘基主要為軟土，厚度約 21 m。根據鉆孔資料，東滘水閘地基土層自上而下分別為：淤泥、粗砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖。

a) 淤泥:灰黑色、黑色，飽和，流塑。其成份主要為黏粒，富含腐殖質、貝殼、鱗片，揭露層厚在19.7～21.30 m之間，頂板高程為-0.3～-0.6 m。密度ρ=0.71 g/cm3，孔隙比e=2.754，含水量W=104.8%，天然快剪凝聚力C=1.35 kPa，內摩擦角φ=3.5°，壓縮模量Es1-2=0.92 MPa，承載力特征值僅為40 kPa。

b) 粗砂：灰色、黃色、灰白色，中密狀態，飽和，其成份主要為石英粗砂，局部含少量礫砂，揭露層厚在5.1～10.70 m之間，頂高程為-20.30～-21.5 m，承載力特征值為180 kPa。

c) 全風化花崗巖：暗黃夾白色，稍濕。巖心呈半土狀，其成份主要含大量石英中粗砂，局部殘留中～粗粒花崗結構，揭露層厚在2～4.30 m之間，頂高程為-30.40～-31.70 m。

d) 強風化花崗巖：暗黃色，稍濕。屬中粗粒黑云花崗巖，其主要成份為石英、鉀長石、鈉長石、黑云母等，裂隙發育，為鐵錳質充填，巖芯破碎，揭露層厚為6.20 m，頂高程為-33.70 m。

2 地基處理設計

2.1 地基處理設計

根據地質報告[11]，閘址處淤泥深度最大為21.3 m，淤泥土層底高程為-21.5 m，淤泥以下為中粗砂層，擬采用水泥攪拌樁復合地基進行地基處理：在閘室、通航孔閘室基礎四周采用單排連體攪拌樁成墻圍封，設計樁徑0.5 m，樁間距0.4 m；其余部位采用格柵狀正方形布樁，設計樁徑0.5 m，樁間距1 m，樁長為18 m，樁頂高程為-3.50 m，樁底高程為-21.50 m，即樁底穿透軟土層進入中粗砂層。

水泥攪拌樁固化劑為水泥，采用425標號的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為65 kg/m，水泥土中摻入0.05%的三乙醇胺，水泥比控制在0.45～0.55之間。

在各構筑物上部結構的設計方面，盡量采用輕型結構：如水閘閘室采用箱涵式結構，通航孔的兩側導航墻及上、下游連接墻均采用空箱結構,閘室填土側邊墻采用了空箱結構，同時對水閘兩側引堤一定范圍內進行了基礎處理。采用這些措施既可以減小各構筑物的基底應力，又可以控制各構筑物的基底應力差不至于過大，從而控制各構筑物間的沉降差。

2.2 基底應力計算

按照《水閘設計規范》[12]，根據水閘的實際運行情況，采用不同荷載組合，對水閘的閘室基底應力進行了計算，計算結果見表1。

表1 水閘閘室、通航孔基底應力計算成果

2.3 復合地基承載力計算

復合地基承載力按照DBJ 15-38—2005《建筑地基處理技術規范》[13]中水泥土攪拌樁單樁或多樁復合地基的承載力特征值計算公式進行計算：

(1)

(2)

Ra=ηfcuAp

(3)

式中fspk——復合地基承載力特征值，154.87 kPa；m——面積置換率，0.196；Ra——單樁豎向承載力特征值， 145.23 kN；Ap——樁的截面積，0.2 m2；fsk——樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值，40 kPa；β——樁間土承載力折減系數，取0.3；fcu——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊在標準養護條件下90 d期齡的立方體抗壓強度平均值，1 470 kPa；η——樁身強度折減系數，取0.3；up——樁的周長，1.57 m；n——樁長范圍內所劃分的土層數，1層；qsi——樁周第i層土的側阻力特征值，5 kPa；li——樁長范圍內第i層土的厚度，淤泥層18 m；qp——樁端地基土未經修正的承載力特征值，40 kPa；α——樁端天然地基土的承載力折減系數，取0.5。

根據上述公式，對初擬布樁方案的地基承載力進行計算，單樁豎向承載力Ra=145.23 kN，復合地基承載力特征值fspk為154.87 kPa。均大于排水擋潮閘和通航孔各工況的基底應力，滿足規范要求。

2.4 地基沉降計算

根據DBJ 15-38—2005《建筑地基處理技術規范》和DB 44/T182—2004《廣東省海堤工程設計導則》附錄R,水泥攪拌樁復合地基變形由兩部分組成：水泥攪拌樁復合土層的平均壓縮變形s1與樁端下未加固土層的壓縮變形s2。

其中，水泥攪拌樁復合土層的平均壓縮變形s1可按式(4)計算：

(4)

式中pz——攪拌樁復合土層頂面的附加壓力值，48.58～82.45 kPa；pzl——攪拌樁復合土層底面的附加壓力值，7.08～11.25 kPa；L——樁長，18 m；本次地基計算深度綜合考慮附加應力與自重應力的比值小于0.2和閘基壓縮土層厚度等因素確定，本次按水泥攪拌樁樁長18 m計算。

Esp為攪拌樁復合土層的壓縮模量，按式(5)：

Esp=mEp+(1-m)Es

(5)

式中M——置換率,0.196；EP——攪拌樁的壓縮模量，可取(100～120)fcu，147 000 kPa；Es——樁間土的壓縮模量，取天然土層時的Es1—2值，920 kPa。

根據上述公式，對工程上述布樁方案進行水泥攪拌樁復合土層的平均壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2進行計算，計算結果見表2。

由計算結果可知，排水擋潮閘和通航孔的總沉降量均小于允許沉降量，沉降傾斜小于允許傾斜，滿足規范要求。

表2 沉降計算結果 m

3 實測沉降

東滘水閘于2010年11月開工，2013年3月建成投入使用。2013年3月20日、5月3日、6月6日、7月1日、8月3日、8月23日進行了完工后沉降變形觀測記錄，具體見圖2、表3。從中可知，東滘水閘水泥攪拌樁地基80%沉降發生在完工后3個月內，之后隨著水閘通水投入使用后，沉降變化較慢，且沉降量較小。

表3 沉降統計 m

4 沉降分析

為了解設計沉降與實際施工后的沉降相互關系，本次對設計沉降量與實際沉降量進行了比較，具體見表4。從表4可以看出：①除通航孔外海側右岸實測沉降與設計沉降差為31%外，其余沉降差均在30%以內；②除水閘閘室左岸和通航孔外海側右岸實測沉降量比設計沉降量大外，其余均比設計沉降量要小。考慮閘室左岸及通航孔右岸為連接堤，設計時設計沉降量未考慮連接堤填土荷載的附加應力作用，且通航孔右岸外海側比內涌側填土要高，因此，這三個部位實測沉降量比設計沉降量大是合理的；另外，考慮水閘建成后即投入使用，運行期間在揚壓力的作用下建筑物地基應力比完建期小得多，因此，大部分實測沉降量比設計沉降量小也是合理的；即設計沉降量成果基本可信。

表4 設計沉降量與實際沉降量對比

5 優化方案

原設計水泥攪拌樁樁長為18 m，以水泥攪拌樁樁端穿透淤泥層控制，主要出于當時沒有相關的水泥攪拌樁地區經驗和工后沉降數據支撐，因此，基于水閘的重要性和工程安全考慮，為減小沉降量，水泥攪拌樁樁端穿透淤泥層是合適的。

結合東滘水閘建成后進行了多次沉降觀測，通過對比設計沉降量和實測沉降觀測數據可知，除通航孔外海側右岸實測沉降量超出允許沉降量外，其余閘室和通航孔設計沉降量與實測沉降量基本接近，且相差不大不超過30%，因此，設計沉降量基本與實測沉降量吻合，設計沉降量基本可信。

根據以上結論，本方案提出在保證水閘安全和正常使用的基礎上，且在原設計樁間距不變的情況下，分別計算樁長為10、13、15、18 m時水泥攪拌樁復合地基及其下臥層的沉降量，具體見表5。

表5 不同樁長時水閘沉降統計 m

表6 不同樁長時通航孔沉降統計 m

通過表5、6可知，①不同樁長下水閘、通航孔復合地基沉降量均不大，主要沉降量來自下臥層；②隨著樁長的縮短，下臥層的沉降量較快增大；③根據應力擴散原理，附加應力隨著地基深度不斷減小，水泥攪拌樁復合地基超過一定處理深度后，下臥層沉降量影響不大。

根據SL 265—2016《水閘設計規范》中8.3.6 土質地基允許最大沉降量和最大沉降差應以保證水閘安全和正常使用為原則，并根據具體情況確定。天然土質地基上水閘最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm。考慮到東滘水閘閘室和通航孔地基應力相對較小，且相差不大，一定范圍內的整體沉降不會對閘室的安全和正常使用產生不利影響。因此，在水泥攪拌樁復合地基承載力滿足閘室和通航孔基底應力的基礎上，通過適當優化樁長，使地基沉降量滿足最大沉降量不宜超過15 cm和相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm要求。通過試算和上述計算成果可知，當樁長為10 m時，水泥攪拌樁復合地基承載力為92 kPa，大于閘室和通航孔最大基底應力82.45 kPa，但是閘室和通航孔的最大沉降量為21.2、26.2 cm，均大于15 cm；當樁長為13 m時，水泥攪拌樁復合地基承載力為105.98 kPa，閘室和通航孔的最大沉降量分別為12.4、14.9 cm，閘室和通航孔上下游最大沉降差1.3 cm，閘室和通航孔最大沉降差為3.2 cm，滿足最大沉降量不宜超過15 cm和相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm的要求。

6 結論

本文以東滘水閘為例，對比了水泥土攪拌樁復合地基處理后的閘室設計沉降量和實測沉降量之間的差異，驗算分析了不同處理樁長下的沉降量，并得出以下結論和建議。

a) 在保證水閘安全和正常使用的前提下，且水泥攪拌樁復合地基水泥摻量和樁間距不變的情況下，原設計水泥攪拌樁樁長18 m可優化為13 m，可減少27.3%水泥攪拌樁的工程量，節省了投資，還縮短了施工工期，帶來了可觀的經濟效益。因此，在水泥攪拌樁復合地基承載力滿足建筑物基底應力的基礎上，通過適當優化樁長，使地基沉降量滿足最大沉降量不宜超過15 cm和相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm要求是可行的。

b) 根據設計樁長計算的理論最終沉降量，在施工基坑開挖時可預留沉降量，這樣既可減少基坑支護費用，又可以減少開挖量；既節省了投資又減少了時間。

c) 在設計階段優化建筑物結構，盡可能減小地基應力以及盡量減小相鄰建筑物的地基應力差。