滄州渤海新區某退水閘地基處理與基坑支護協同設計

孟衛濤

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北 石家莊 050021）

1 工程概況

滄海生態綜合治理工程位于滄州市渤海新區，主要任務是將現狀鹽田、蝦池等重新整合，對水體進行生態改造，建設人工水生態環境，改善區域小氣候。退水閘位于漣洼排干與板堂河交匯處上游，右岸為滄鹽提水泵站，兼顧排水和擋潮，設計流量26.6 m3/s，由滄海引渠段、鋪蓋、閘室和消能防沖段組成。

2 主要地質問題

退水閘地基中分布有素填土、淤泥質土、黏土和壤土等?；A位于淤泥質土層，地基承載力低，易產生壓縮變形，沉降量大，抗剪強度低，易發生剪切破壞。板堂河屬于平原排瀝河道，水位受海水潮汐影響較大。場區內地下水為第四系孔隙潛水，水位埋深淺，主要含水層為Ⅲ單元淤泥質土，含水層富水性差，滲透性弱，地下水對混凝土具硫酸鹽型強腐蝕性。退水閘開挖深度4.7～8.3m，邊坡主要由Ⅰ單元填土、Ⅲ單元淤泥質黏土組成，飽和狀態下邊坡穩定性差。

3 地基處理

3.1 穩定及沉降計算

閘室穩定及地基沉降按《水閘設計規范》（SL265-2016）相關公式計算：

式中：Kc為沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，包括閘室基礎底面上的揚壓力在內（kN）；∑H 為作用在閘室上的全部水平向荷載（kN）；f 為閘室基底面與地基之間的摩擦系數；σmax為基底應力的最大值（kPa）；σmin為基底應力的最小值（kPa）；η為應力不均勻系數；A為閘基礎底面積（m2）；∑M 為作用于閘室上全部荷載對基底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；W 為閘室基底面對該底面垂直水流方向的形心軸的抵抗矩（kN·m）；S∞為最終地基沉降量（m）；n 為地基壓縮層計算深度范圍內的土層數；hi為基底面以下第i層土的厚度（m）；mi為地基沉降量修正系數；e1i為基底以下第i 層土在平均自重應力作用下，由壓縮曲線查的相應空隙比；e2i為基底以下第i 層土壓平均自重應力和平均附加應力作用下，由壓縮曲線查得的相應空隙比。

根據“滄海人工生態湖”及板堂河特征水位，按照閘內外出現的水位組合工況進行基本組合和特殊組合，退水閘閘室穩定計算成果詳見表1。

退水閘基礎置于淤泥質黏土層，承載力特征值60 kPa，按漢森公式進行修正后的地基土允許承載力71.2 kPa。根據穩定計算成果，各工況下的基底最大應力為102.5 kPa，平均基底應力為82.8 kPa，均不滿足規范要求。各工況下的地基最大沉降量17.2 cm，最大沉降差5.6 cm，不滿足規范要求。因此，需進行地基處理，提高地基承載力，減少沉降量。

表1 閘室穩定計算成果

3.2 地基處理方案

常用的地基處理方法有換填法、強夯法、振沖碎石樁法和水泥攪拌樁法復合地基等。換填法適用于淺層地基處理，通過改善地基應力分布減少沉降量，提高地基穩定性。強夯法適用于透水性較好的松軟地基，對于淤泥質土層需要采取有效的排水措施。振沖碎石樁法利用振動器形成碎石樁，將樁間土擠密，提高承載力，碎石樁為樁間土提供排水通道，加速軟土固結。水泥攪拌樁以水泥作為固化劑，利用深層攪拌機械，在地基深處就地將軟土和水泥（漿液或粉體）強制攪拌，與樁間土組成復合地基，提高地基的承載力，減少沉降量。

場區淤泥土層較厚，淤泥質土中有機質含量0.72～1.13%，小于5%；土樣的pH 值為8.62～8.98，大于4；地基土塑性指數Ip為9.1～22.3，小于25；靈敏度為2.0～4.0，為中靈敏度土。退水閘緊鄰鹽場提水泵站。該泵站建于1989 年，結構老化。根據工程特點及場區地質條件，為降低對泵站的影響，閘室、消力池等基坑開挖深度較大部位地基處理采用水泥攪拌樁復合地基，鋪蓋、護坦等部位選用拋石擠淤方案。

復合地基允許承載力按《水工擋土墻設計規范》公式計算，復合地基土層的壓縮模量按《建筑地基基礎設計規范》公式計算。

根據土體極限平衡理論，拋石擠淤填筑體下沉深度（D）和厚度（H）滿足關系：

式中：fsp，k為復合地基承載力特征值（kPa）；m 為面積置換率；Rkd為單樁豎向允許承載力（kN）；Ap為樁的截面積（m2）；β 為樁間土承載力折減系數；fs，k為樁間土的允許承載力（kPa）；H 為填筑體厚度（m）；D 為填筑體下沉深度（m）；B 為填筑體寬度（m）；t 為淤泥深度（m）；cu為淤泥十字板抗剪強度（kPa）；γs、γg分別為淤泥、填筑體重度（kN/m3）。

經計算，水泥攪拌樁采用正方形布置，樁徑0.6 m，樁長12 m，樁間距1.0 m，復合地基允許承載力133.6 kPa，地基最終沉降量11.2 cm，最大沉降差0.7 cm。拋石擠淤填筑體厚度5.0 m，下沉深度1.16 m，拋石擠淤層設計厚度取1.5 m，履帶機碾壓至建基面高程。處理后，承載力及沉降量均滿足規范要求。

4 基坑支護

4.1 基坑支護方案

基坑開挖常用的施工方法有放坡開挖和不放坡開挖。受提水泵站、引水渠等影響，閘室基坑不具備放坡開挖條件，須采取有效的支護措施確保施工安全。根據滄州沿海地區的經驗及工程地質條件，結合工程特點，比較適合的支護方案包括深層攪拌水泥土圍護墻、鋼筋混凝土灌注樁和鋼板樁支護。深層攪拌水泥土圍護墻采用深層攪拌機械就地將土和輸入的水泥漿強行攪拌，形成連續搭接的柱狀水泥土加固擋墻，墻體兼具擋土和止水功能，依靠加固墻體自身剛度保護基坑土壁安全，適用于深度小于6 m的基坑，墻體強度受地下水影響較大。鋼筋混凝土灌注樁和鋼板樁均通過樁體連續搭接形成支擋結構連續墻，適用于深度小于6 m 的基坑或溝槽，但鋼板樁支護在地下水位高的地區需采取隔水或降水措施，支護結構剛度小，開挖后變形較大。

退水閘基坑呈溝槽狀，地下水位高，且難以排水。水泥土圍護墻受地下水影響，強度難以較長時間保持，有坍塌隱患。鋼筋混凝土灌注樁支護效果好，但施工期長，投資高。鋼板樁支護可重復利用，但易產生變形，支護效果較差。考慮基坑支護輕微變形對施工影響不大，同時支護規模較小，經綜合考慮，選用鋼板樁支護方案。受地質條件影響，單排鋼板樁難以形成穩定支擋結構，選用雙排鋼板樁支護方案。鋼板樁選用拉森SP-Ⅳ型，規格400 mm×170 mm×15.5 mm（寬×高×厚），延米鋼板樁參數A=242.5 cm2，W=2 200 cm3，[δ]=215 MPa，樁長15.0 m，兩排樁間距5.0 m，頂部設冠梁，采用拉桿連接，冠梁、拉桿均采用15#工字鋼，閘室段基坑支護如圖1所示。

圖1 閘室段基坑支護結構（單位：m）

4.2 基坑支護計算

4.2.1 整體穩定性計算

按照《建筑基坑支護技術規程》，雙排樁支擋結構采用滑弧滑動條分法進行分析，整體穩定性可按下式進行穩定性驗算，懸臂式支擋結構的嵌固深度應符合嵌固穩定性要求。

式中：Ks為圓弧滑動整體穩定安全系數；Ks，i為第i個滑動圓弧的抗滑力矩與滑動力矩的比值；cj、φj分別為第j 土條滑弧面處土的粘聚力（kPa）、內摩擦角（°）；bj為第j 土條的寬度（m）；θj為第j 土條滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角（°）；lj為第j土條的滑弧段長度（m）；qj為作用在第j 土條上的附加分布荷載標準值（kPa）；ΔGj為第j土條的自重（kN）；uj為第j土條在滑弧面上的孔隙水壓力（kPa）；Kem為嵌固穩定安全系數；Eak、Epk為基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力合力的標準值（kN）；Za1、Zp1分別為基坑外側主動土壓力、內側被動土壓力合力作用點至擋土構件底端的距離（m）。

基坑支護穩定性根據設計方案，按彈性支點桿系有限元法計算，被動土壓力按彈性地基梁考慮，其水平抗力系數采用m 法。排樁為臨時圍護結構，按作用在彈性地基上的彈性地基梁來計算，土層對墻體的作用采用一系列彈簧進行模擬。圍護結構在施工階段按照荷載“增量法”原理模擬施工全過程進行內力及位移分析計算?；又ёo體系穩定計算結果，詳見表2。

表2 退水閘基坑支護體系穩定計算成果

4.2.2 支護結構承載力計算

雙排鋼板樁圍堰設計根據《基坑工程手冊》，采用下列方法計算。

（1）視內外板樁為嵌固于基坑面以下0.5～1.0 m的懸臂梁，且內外板樁頂端拉桿處位移相等，計算拉桿拉力和板樁最大彎矩。

（2）視內外板樁分別為各自獨立的單排板樁，按單排板樁計算拉桿拉力和板樁最大彎矩。

本工程承載力計算視內外板樁為各自獨立的單排板樁，按單排板樁計算，成果詳見表3。

表3 退水閘基坑支護結構承載力計算成果

鋼板樁及拉桿抗彎強度驗算均滿足要求，閘室段和消力池段鋼板樁變形分別達到126、184 mm，考慮施工周期不長，基坑支護時顧及作業空間要求，支護范圍較建筑物外輪廓線向兩側均外擴了1.0 m，施工期間通過加強監測，及時對變形較大部位進行補強，未對工程施工造成較大影響。

5 結論

水泥攪拌樁復合地基處理通過強制攪拌使水泥與軟土固結，不僅提高了地基承載力，減小了沉降量，同時改善了土體結構，提高了邊坡穩定性，為場區基坑支護提供了有利條件。

工程區位于河北省黃驊市的冀東沿海一帶，地下水埋深淺，基坑深度范圍淤泥質土富水性差，但排水難度大。為避免產生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁坍塌，保證施工安全、減少開挖對周圍環境的影響，基坑開挖前應采取有效的排水措施和可靠的隔水措施。

雙排鋼板樁作為整體門式鋼架結構，大大提高了支護結構整體穩定性和抗傾覆能力，由于樁間土的存在，前后排樁之間產生彈性約束，有效降低了樁身內力。方案簡單易行，在華北沿海地區有很好的借鑒性。