某防洪閘水泥土攪拌樁復合地基計算分析

張利濱;王偉

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環境控制工程技術中心，河南 鄭州 450008)

0 引言

水閘地基常存在新近沉積的淤泥、淤泥質土、軟弱粘性土、松散液化砂土等不良地質條件，常常會導致閘基出現沉降變形過大、不均勻沉降，閘室、翼墻出現拉裂、傾斜、甚至斷裂，如不采取地基處理，將影響水閘功能正常發揮。水泥土攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質土、軟弱粘性土、松散～中密砂土，因其具有可以最大限度利用原土，攪拌時震動小、噪聲低，對周圍既有建筑物影響較小，造價相對便宜，施工方便，技術成熟等優點，在水工建筑物地基處理中得到廣泛應用。以水溝防洪閘為例，通過計算分析，論述水泥土攪拌樁在其地基處理中的應用。

1 工程概況

水溝防洪閘為建在伊洛河支溝水溝上的溝口控制閘，設計防洪閘由進口連接段、閘室段、消力池段、海漫段組成，全長69.40 m。閘室段總長17.00 m，共設2孔，單孔凈寬6.00 m，整體式“山”型結構，底板為C25鋼筋混凝土結構。

2 地質概況

2.1 地形地貌

伊洛河河道順邙山山谷順流而下，多蜿蜒曲折，兩岸受黃土丘陵、崗地束縛，灘地狹窄，最窄處約650 m。水溝為伊洛河左岸支溝，發源于鞏義市康店鎮西北部黃土丘陵，屬山丘區河道。入伊洛河口處附近地面高程110.10～111.80 m，閘址附近水溝寬約10～14 m，溝底高程107.30～108.90 m，溝深約2.00～2.60 m。

2.2 地層巖性

水溝防洪閘場區地質結構為粘、砂、礫多層結構，由第四系全新統沖積成因的粉質壤土、細砂、卵石組成，現由老至新分述如下。

卵石(第⑦層)：稍密～中密狀，砂質充填，厚度3.20～5.30 m(未揭穿)；重粉質壤土(第⑥層)：可塑狀，厚度2.10～15.00m；細砂(第⑤層)：稍密狀為主，局部松散狀，厚度2.10 m左右；重粉質壤土(第④層)：可塑狀，巖性不均，夾輕粉質壤土薄層理或透鏡體，厚度1.90～2.10 m；細砂(第③層)：松散～稍密狀，層間可見重粉質壤土和卵石透鏡體，厚度4.90～6.00 m；灰色重粉質壤土(第③-1層)：軟塑狀，略有腥臭味，厚度1.00～5.50 m；中粉質壤土(第②層)：軟塑～可塑狀，厚度2.90～3.60 m；輕粉質壤土(第①層)：軟塑～可塑狀，厚度4.30～5.40 m；細砂(第①-1層)：松散～稍密狀，在臨河漫灘分布，厚度9.50 m；此外，在現狀溝底分布有厚度0.70 m左右的淤泥。

2.3 地質參數建議

結合土工試驗、原位測試成果，并經工程類比分析，提出閘基持力層參數建議值見表1。

表1 閘基持力層力學參數建議值表(單位：kPa)

3 地基處理計算分析

3.1 穩定計算

水溝防洪閘為2級建筑物，穩定計算工況如下。

工況一：完建期；工況二：閘前排澇水位112.10 m，閘后河道防洪水位116.05 m，閘門關閉擋水防洪；工況三：閘前排澇水位112.10 m，閘后河道水位112.05 m，閘門開啟；工況四：閘前、閘后水位108.60 m(正常水位)，地震工況。

將上述計算工況分為基本工況和特殊工況，相應的荷載組合分為基本組合和特殊組合，荷載組合表詳見表2。

表2 穩定計算荷載組合表

閘室抗滑穩定安全系數按式(1)計算:

(1)

式(1)中：∑G——作用在基底上的全部豎向荷載；σ——基底壓力(kN/m2)；A——基底面積(m2)；e——偏心距(m)(x向，y向)；B——基底寬度(m)(x向，y向)。

基底壓力不均勻系數按式(2)計算:

η=σmax/σmin

(2)

式(2)中：η——不均勻系數；σmax，σmin——最大及最小壓力值(kPa)。

水溝防洪閘穩定計算工況計算結果見表3。

表3 水溝防洪閘穩定計算成果匯總表

從計算結果看，水溝防洪閘抗滑穩定安全系數和基底壓力不均勻系數均滿足規范要求。閘基主要持力層第①～③層承載力標準值90～110 kPa，閘室基礎最大應力為144.81 kPa，地基承載力強度不足，需采取地基加固處理。

3.2 適用性分析

水泥土攪拌樁是利用水泥等材料作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌，使土體硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基土強度和增大變形模量。適用于處理淤泥、淤泥質土、素填土、粘性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細砂(松散、稍密、中密)等覆蓋層地基處理，不適用于含大孤石或障礙物較多且不易清除的雜填土、欠固結的淤泥和淤泥質土、硬塑及堅硬的粘性土、密實的砂類土，以及PH<4的酸性土。勘察表明場區地層由軟塑～可塑狀粉質壤土以及松散～稍密狀細砂組成，PH值7.41～7.93，因此，場地地質條件適合采用水泥土攪拌樁復合地基進行加固處理。

3.3 復合地基承載力計算分析

復合地基承載力與樁長、樁徑、樁間距和布樁型式密切關聯。

樁長、樁徑選擇：水泥土攪拌樁復合地基處理目的一是提高承載力，二是減小變形。對于較軟的地基，在滿足強度的前提下，水泥土攪拌樁穿透較軟土層，達到強度相對較高土層，避免產生“懸浮”樁型，可有效減少沉降。因此，樁長設計時，首先應根據場區地質條件，選擇強度較高地層作為樁端持力層。結合本場區地質條件，上部第①～⑥層壤土、細砂承載力標準值為90～120 kPa，下部第⑦層卵石承載力標準值400 kPa，強度明顯高于上部，選擇該層作為樁端持力層，有效樁長12.50 m。

水泥土攪拌法最早起源于美國，國內從1978年第一臺SSJB-1型雙軸攪拌樁機研制成功以來，目前已發展為單軸、雙軸、三軸和多軸等多種成孔工藝，成樁直徑范圍一般500～700 mm。此次選擇樁徑500 mm。

單樁承載力確定：《水工建筑物地基處理設計規范》《建筑地基處理技術規范》石浩男均提出，水泥土攪拌樁單樁承載力特征值按式(3)(4)進行計算，采用二者計算小值作為攪拌樁單樁豎向承載力特征值。

(3)

Ra=ηfcuAp

(4)

式(3)(4)中：Ra—單樁豎向承載力特征值，kN；Up—樁身周長，m；n—地基土層數；qsi—樁周第i層土的側阻力特征值，kPa，見表1；li—樁長范圍內第i層土的厚度，m；a—樁端天然地基土的承載力折減系數，取0.40；qp—樁端地基土未經修正的承載力特征值，見表1；η—樁身強度折減系數，取0.25；fcu—標準養護條件下28 d齡期的立方體抗壓強度平均值，劉香君等提出水泥土攪拌樁28 d齡期經驗值2.50 MPa，胡師遠通過室內試驗得出綜合含水率40%～55%、水泥參量10%～18%時28 d齡期抗壓強度1.03 ～4.38 MPa(平均2.53 MPa)，計算取值2.50 MPa。

式(3)計算Ra=314.80 kN，式(4)計算Ra=122.70 kN，按規定取Ra=122.70 kN作為單樁豎向承載力特征值進行復合地基承載力計算。

樁間距和布樁型式選擇：假定樁間距1.00 m、1.25 m、1.50 m時采用式(5)分別試算正方形布樁和梅花形布樁復合地基承載力特征值，比較是否滿足最大基礎應力，計算結果見表4。

表4 復合地基承載力試算表

(5)

式(5)中：fspk—復合地基承載力特征值，kPa；m—面積置換率；Ra—單樁豎向承載力特征值，kN；Ap—樁的截面積，m2；β—樁間土承載力折減系數，按經驗取0.75；fsk—處理后樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值，100 kPa。

從表4可以看出：采用樁間距1.25 m、梅花形布樁和樁間距1.00 m、梅花形及正方形布樁時，處理后的復合地基承載力特征值均大于閘室基礎最大應力，處理后復合地基承載力滿足設計要求。本著處理后的復合地基既能滿足上部荷載要求，又盡量減少處理工程量的角度出發，建議樁間距采用1.25 m、布樁型式采用梅花形布置。

4 結論

水泥土攪拌樁具有經濟環保、施工方便、技術成熟等優勢，可用于加固淤泥、淤泥質土、素填土、粘性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細砂(松散、稍密、中密)等覆蓋層地基。文章結合水溝防洪閘水泥土攪拌樁復合地基處理，提出水泥土攪拌樁設計既要滿足承載力要求，又要盡量減小處理后復合地基變形量，樁端應置于強度相對較高地層。基本設計流程分為三步：①根據場區地層選擇強度較高地層作為樁端持力層，②根據樁長和樁身強度確定單樁豎向承載力特征值，③采用不同樁間距和布樁型式進行試算，選擇與上部荷載最接近的方案作為地基處理方案。文章提出水泥土攪拌樁設計流程可為同類工程設計提供借鑒。