水泥土攪拌樁在梁寨閘地基處理中的應用

李洋洋，鄒福建，楊 寧，張崴棟

(徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000)

軟弱土層承載力低下，是制約工程建設的一個重要因素[1-3]。尤其是水利工程建設，河道軟土層分布范圍廣、厚度大，處理難度高。目前，針對軟土處理的方法主要包括換填法、復合地基、擠密法等[4-8]。不同的處理方法適用于不同的地層和地基承載力要求值。地基承載力是地基土的一個重要參數，現場荷載試驗是獲取承載力的重要方法，其測試結果較室內試驗更為準確，在工程中應用較廣[9-14]。結合梁寨閘對水利工程軟土地基處理方法進行研究。

1 工程概況

梁寨站位于豐縣梁寨鎮鄭集南支河上，是豐縣南線調水第二級泵站工程，由梁寨南站和梁寨北站共同組成。該站的主要作用是將范樓站來水二級提升，向豐縣東南部大沙河河川水庫不斷補充水源，增加調蓄能力，改善水質，促進大沙河兩岸的開發和利用，為豐縣南部及北部部分地區農作物提供灌溉用水。

梁寨南站建成于1986年8月，與水閘結合興建，布置在水閘下游右岸翼墻外側，共安裝5臺軸流泵，單機流量為2m3/s，單機功率為180kW，設計流量為10m3/s，裝機總功率為900kW。現狀梁寨閘為3孔4m開敞式水閘，10年一遇除澇流量為63m3/s，20年一遇行洪流量為82m3/s，經過多年運行，已破損嚴重，屬病險水閘，急需改造。梁寨北站建于1997年，布置在水閘下游左岸，安裝4臺36ZLB2.8-6.7軸流泵，單機流量為2.5m3/s，功率為250kW，設計流量為10m3/s。

泵站基底高程為30.3m，水閘基底高程為34.2m，持力層均為②層砂壤土夾粉砂，允許承載力為90kPa，層厚5.6～6.5m，層底高程為29.38～30.01m；下臥層為壤土，允許承載力為120kPa，層厚1.0～1.7m；其下為含砂壤土層，允許承載力為220kPa，層厚1.5～1.8m。

2 水泥土攪拌樁設計

2.1 水泥土攪拌樁方案

梁寨閘站翼墻、閘室及清污機橋基礎坐落在②層砂壤土夾粉砂，根據地質報告，該層為地震液化土層，允許承載力為90kPa，層厚5.6～6.5m，層底高程為29.37m；泵室坐落在壤土層，允許承載力為120kPa，層厚2.3～3.3m；其下為含砂壤土層，允許承載力為220kPa，層厚2.5～2.1m。經計算，站身完建期最大基底反力為173.3kPa，最小基底反力為164.12kPa，平均基底反力為168.7kPa，閘室完建期最大基底反力為117.6kPa，最小基底反力為63.8kPa，平均基底反力為91kPa。持力層為壤土層，承載力為90kPa，不滿足要求，需要進行地基處理。

下游一節翼墻經計算，完建期最大基底反力為132kPa，最小基底反力為128kPa，平均基底反力為130kPa。持力層為壤土層，承載力為90kPa，不滿足要求，需要進行地基處理。

以站室地基處理設計為例，站室設計采用Φ50cm水泥土攪拌樁復合地基進行地基加固處理，水泥摻入量為15%，具體設計如下：

(1)樁的布置形式

擬采用Φ50cm水泥土攪拌樁加固形式，周長為1.57m，面積為0.196m2。

(2)估算樁豎向承載力

水泥土攪拌樁的單樁豎向承載力按以下兩個公式計算，取其中小值：

Ra=up∑qsili+αqpAp

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中，up—攪拌樁周長，取1.57 m；qsi—第i層土的側阻力特征值，取12 kPa；li—樁長范圍內第i層土的厚度；qp—樁端地基土未經修正的承載力特征值，取220kPa；α—樁端天然地基土的承載力折減系數，取0.4；Ap—樁截面積，取0.196m2；η—樁身強度折減系數，取0.25；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90d齡期的立方體抗壓強度平均值，取1600kPa。

經計算，Ra1=92.63kN，Ra2=78.5kN，故取Ra=78.5kN作為單樁的豎向承載力。

(3)確定加固區的面積置換率及樁數

根據復合地基承載力計算公式

(3)

(4)

(5)

式中，m—面積置換率；fspk—復合地基承載力，站身取170kPa；fsk—樁間天然地基土承載力標準值；β—樁間土承載力折減系數，取0.8；A—加固區總面積。

按上述計算閘室、翼墻、檢修間等各個建筑物面積置換率及根數計算值見表1。

表1 地基處理成果表

2.2 水泥土攪拌樁加固效果分析

2.2.1現場試驗

為了研究水泥土攪拌樁加固后的效果，獲取復合地基的承載力特征值，采用現場荷載試驗進行研究。荷載試驗結果見表2。

由表2可以得知，采用水泥土攪拌樁處理后的復合地基承載力有了較為顯著的提升。其中水泥土攪拌樁的樁身承載力較大，約為470kPa，樁間土在水泥土攪拌樁的影響下，承載力提高至160kPa，綜合計算，水泥土攪拌樁復合地基的承載力約為240kPa，滿足設計要求值，表明水泥土攪拌樁加固效果良好。

表2 現場荷載試驗結果

2.2.2加固效果數值模擬分析

(1)數值模擬模型建立

根據地質勘察報告可知，梁寨閘地基土層主要為②層砂壤土夾粉砂、壤土層、含砂壤土層。根據設計樁長及樁間距以及地層條件建立FLAC3D數值模擬模型。研究復合地基施工完成后，上部主體建筑施工過程中以及后期建設完成運行期間水泥土攪拌樁、樁間土的沉降變形特征和樁土應力比變化特征。數值模擬模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D數值模擬模型

(2)數值模擬計算結果分析

①沉降變形分析

施工期以及施工完成后運行期間水泥土攪拌樁和樁間土的沉降變形結果如圖2所示。從圖2中可以得知，上部主體結構施工及運行期間，水泥土攪拌樁和樁間土的沉降變形量隨著時間推移而增大，變形速率在施工期間基本保持穩定，在主體結構完成后，變形速率有所下降，運行一段時間后，沉降變形量趨于穩定。主體結構施工初期，上部荷載較小，樁間土和水泥土攪拌樁以相同的速率發生沉降變形，隨著結構施工進程，上部荷載不斷增大，逐漸超過樁間土承載力，此時樁間土沉降變形速率大于樁的沉降變形速率。樁間土與樁的沉降差值在主體結構施工完成時最大。之后，由于荷載基本不發生變化，樁和樁間土工程承載上部荷載，樁、土沉降差逐漸減少。

圖2 沉降變形監測結果

②樁土應力比研究

樁土應力比是反應樁和樁間土承受荷載大小的比值。樁土應力比在主體結構施工、完工期的變化過程如圖3所示。從圖3中可以得知，上部結構開工后，上部荷載小于樁間土承載力值，樁土應力比較小，此時樁、土承受荷載大小基本一致；在施工過程中，上部荷載逐漸增大，超過樁間土承載力，此時，水泥土攪拌樁承擔的荷載大于樁間土荷載。完工后，樁土應力比達到最大值。之后，隨著上部荷載趨于穩定，樁間土不斷固結，承載力有所提高，樁土應力比下降。

圖3 樁土應力比

3 結論

(1)梁寨閘地基軟土層厚度較大，承載力不滿足要求，需要對地基進行處理。通過計算，確定了水泥土攪拌樁參數。

(2)通過現場荷載試驗結果可知，水泥土攪拌樁處理后的復合地基承載力明顯提高，可滿足設計要求。

(3)復合地基沉降變形隨著上部結構施工、荷載增大而逐漸增大，施工完成后，沉降變形逐漸趨于穩定。樁土沉降差在施工完成時最大，之后逐漸減小。

(4)樁土應力比與上部荷載變化關系密切。隨著上部結構施工，樁土應力比逐漸增大，直至施工完成達到最大值。之后，隨著樁間土固結，承載力提升，樁土應力比逐漸減小。