濕法深層攪拌樁在小型水利工程中的應用

韓軍民

（華信天禹水利工程有限公司）

1 深層攪拌法應用發展歷史

深層攪拌法最初被稱為Mixed-in-place pile（簡稱MIP法），在美國研制成功。國內1977年開始引入并研制。1995年始用于閘基、泵站等水利工程構成復合地基，1996年單頭深層攪拌樁用于沂沭河攔河壩壩基防滲，效果較好。水利部淮委基礎公司為降低造價，提高工效，于1997年發明了多頭小直徑深層攪拌截滲技術，而后由北京振沖江河截滲公司研制出多種規格的多頭小直徑深層攪拌施工設備，極大推動了深層攪拌法在水利工程中的應用。

2 深層攪拌樁的分類

①按使用水泥的不同物理狀態、施工工藝，分為漿液攪拌法（濕法）和粉體攪拌法（干法）兩類。中國以水泥漿體深層攪拌樁應用較廣，粉體深層攪拌樁宜用于含水量>30%的土體。②按深層攪拌機械具有的攪拌頭數，分為單頭、雙頭和多頭深層攪拌樁。③按樁體內是否有加筋材料，分為加筋和非加筋樁。一般采用毛竹、鋼筋等加筋材料，以增強其勁性。

3 適用土質

深層攪拌法適用黏性土、粉土、砂土、黃土、淤泥、淤泥質土和素填土等土層。黏性土、粉質粘土、粉土、砂土等含水量較高的軟土地基承載力應<140 kPa。含高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等礦物的土層加固效果最佳；含伊里石、氯化物和水鋁英石等礦物或原始抗剪強度在20～30 kPa 土層加固效果較差。泥炭質土、塑性指數>25的黏土、有機質土、含礫直徑<50 mm的砂礫層，酸堿度較低（pH<7）及地下水有侵蝕性時，宜通過試驗確定其適用性。雜填土厚度大且含直徑>100 mm 的石塊或其他障礙物時，應將障礙物清除。

4 水利工程中的應用

4.1 防滲墻應用

4.1.1 基本情況

四里井水庫位于信陽市平橋區龍井鄉政府南3 km處的南雷營村，處于淮河支流洋河支溝上，1974 年建成，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產養殖等綜合利用的小（1）型水庫，控制流域面積3.94 km2。大壩為均質土壩，壩頂長547 m，寬6 m。

4.1.2 壩體存在滲漏問題

四里井水庫建成于“文革”期間，受客觀條件限制，建壩采用群眾性人力施工，施工質量從上壩土料的方法上均沒有保證，因此，大壩填筑質量存在較大問題。壩體土料有相當一部分含有機質耕作土，很濕，呈可塑～軟塑狀，鉆進中有縮徑現象，壩體填筑密度為稍密～中密。滲透系數7.85×10-4～1.41×10-5cm/s，屬于弱～中等透水性。

現狀大壩下游坡常年有滲水現象，河槽段滲水較為嚴重，壩腳沼澤化。高水位時背水坡78.00 m高程以下河槽段及臺地段均出現大面積滲水，并伴有散浸現象。壩體與山體結合部滲水，有明流。右岸臺地有一水井，井內常年有水，且水位與庫水位關系密切。

大壩壩基為密實的更新統（Q3）老粘土，滲透系數K<10-6cm/s，屬不透水層；主河槽附近壩基低液限粘土之上為淤泥和低液限粉土，為老河道沉積物，滲透系數K=（4.49～5.70）×10-6cm/s，屬微透水，不存在壩基滲漏。

4.1.3 加固方案

大壩采用深層攪拌水泥土防滲墻處理，處理范圍為樁號0-005～0+515壩段，防滲墻底部伸入壩基以下2.00 m，為不影響壩頂交通，防滲墻布置在壩頂上游，中心線距上游壩肩1.00 m。攪拌樁直徑為50 cm，樁距40 cm，樁與樁搭接長度10 cm，墻體厚度為30 cm。水灰比1.50∶1，水泥土中水泥摻入比為12%。

4.1.4 加固前后壩體滲流的理論分析

選取大壩主河槽最大壩高處斷面作為典型斷面，具有代表性。大壩土層的滲透系數取4.00×10-4cm/s，計算工況取興利水位81.90 m、20 a 一遇的設計洪水位82.56 m 和100 a 一遇校核洪水位82.91 m 三種情況。典型斷面在三種工況下，為下游無水的不透水地基上均質土壩，計算結果如表1。

表1 大壩加固前滲流計算結果表

雖然理論計算的壩坡滲透坡降小于允許滲透坡降，但浸潤線逸出點較高，壩體滲漏量較大，滲漏損失約占興利庫容的29.10%，影響水庫效益發揮。理論計算結果與壩體實際存在滲漏現象基本一致，壩體滲流性態不安全。

加固后壩體土層的滲透系數取4.00×10-4cm/s，水泥土防滲墻滲透系數取1.00×10-6cm/s。加固后壩體滲流理論計算結果見表2。

表2 大壩加固后滲流計算結果表

由計算結果知，除險加固后，壩體滲漏量大幅減小，浸潤線明顯降低。說明處理效果明顯，大壩滲流性態趨于安全。

4.1.5 實際防滲加固效果

防滲加固后至今，河槽段滲水、壩腳沼澤化現象已經逐漸消失，高水位時背水坡78.00 m 高程以下河槽段及臺地段已無滲水現象，右岸臺地水井內水位不再隨庫水位變動。壩腳處量水堰量測得滲漏量為2 L/s，滲漏量很小，滲漏損失占興利庫容的3.70%，對水庫效益影響甚微，說明壩體滲漏處理效果顯著。

4.2 復合地基應用

4.2.1 基本情況

肖王下水庫位于平橋區肖王鄉肖王村，處在淮河流域洋河支流上。該水庫是一座以防洪、灌溉為主，結合水產養殖等綜合利用的小⑴型水庫。左溢洪道拆除為泄洪閘，由進口引渠段、閘室段、陡坡段、消能防沖設施、尾水渠段組成。閘底板高程51.30 m，設5孔閘門，過流凈寬40.00 m。

4.2.2 存在問題

溢洪道泄洪閘底板坐落在填土層上，黃色～棕黃色，稍濕，物質組成以粉質粘土為主，密實性差，孔隙發育，結構較疏松，N=6～7 擊，層厚8.20～8.50 m，地基承載力特征值為70 kPa。經閘室及邊墻穩定計算，閘室段及擋墻段基底最大應力分別為82 kPa和115 kPa，均大于地基允許承載力，所以溢洪道閘室及擋墻是不穩定的，需要進行地基處理。

4.2.3 加固方案

采用水泥土攪拌樁進行地基處理，攪拌樁根據《建筑地基處理技術規范》進行設計，攪拌樁樁徑取0.45 m，水泥摻入比15%，水灰比1.50:1。

水泥土攪拌樁單樁豎向承載力Ra 按下列兩式計算：由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力Ra：

式中：Ra-單樁豎向承載力特征值（kPa）；qsi-樁周第i 層土的側阻力特征值（kPa）；Ap-樁的截面積（m2）；up-樁的周長（m）；Li-樁長范圍內第i層土的厚度（m）；qp-樁端土未經修正的承載力特征值（kPa）；α-樁端阻力發揮系數，取0.50。

由樁身材料強度確定的單樁承載力Ra′：

式中：Ra′-單樁豎向承載力特征值（kPa）；fcu-與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊，邊長為70.70 mm 的立方體在標準養護條件下90 d 齡期的立方體抗壓強度標準值（kPa）；η-樁身強度折減系數，取0.25。

經計算，Ra≤Ra′，取Ra進行計算。

復合地基的承載力標準值fspk由下式計算：

式（3）（4）中：Ra-單樁豎向承載力特征值（kPa）；λ-單樁承載力發揮系數，取1.00；m-面積置換率；Ap-樁的截面積（m2）；β-樁間承載力發揮系數，取0.40；d-樁身直徑，d=0.45 m；s-樁間距；fsk-處理后樁間土承載力特征值。

經計算，閘底板下樁長8 m，直徑0.45 m，呈1.50 m×1.50 m梅花型布置，共需攪拌樁136 根；進口段擋墻下樁長5 m，直徑0.45 m，呈1.00 m×1.00 m 梅花型布置，共需攪拌樁24 根；陡坡段擋墻下樁長1～5 m，直徑0.45 m，呈1.00 m×1.00 m梅花型布置，共需攪拌樁72根。

4.2.4 加固效果

肖王下水庫左溢洪道泄洪閘現已建成運用，且經過汛期洪水考驗，閘室及擋墻均安全運行，未發現不均勻沉降及位移現象，說明地基處理效果明顯，達到設計要求。

5 結語

深層攪拌樁作為一種技術成熟、造價合理、施工簡便的工程措施，以前多用于建筑地基處理，近年來，隨著一大批小型水利工程的實施，深層攪拌樁得到大力推廣應用，尤其是漿液攪拌法（濕法）的施工工藝在不同的工程中應用的更加廣泛，且效果明顯。略有不足之處在于，施工機械較大較長，部分工程無法提供合適的施工條件，采用該法存在制約。