水利工程中復(fù)合地基在軟弱地基中的應(yīng)用

楊飛鵬

（西安市水利規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,陜西 西安 710054）

1 引言

水利工程是國(guó)家民生工程,是關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要工程。通常情況下,水工建筑物建在環(huán)境惡劣、位置較偏遠(yuǎn)的河流地帶,受工程地質(zhì)和水文影響較大。尤其是遇到不良、較差的地質(zhì)條件,對(duì)建筑物的基礎(chǔ)處理提出了更高的要求,需滿足地基承載力、控制沉降量、降低滲透量等相關(guān)要求。因此,為了提高其地基承載力、改善其變形性能和滲透性能等,需對(duì)地基進(jìn)行處理,使其處理后滿足設(shè)計(jì)要求,因此地基處理是一項(xiàng)非常重要的工程內(nèi)容,并且要做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境。

2 地基處理常用方法

近年來(lái),隨著越來(lái)越多的水工建筑物建在地質(zhì)條件較差的軟弱基礎(chǔ)上,軟基地基處理技術(shù)也越來(lái)越成熟,不同的地基處理技術(shù)應(yīng)用于廣泛的工程當(dāng)中。同時(shí)也出現(xiàn)了更多新的地基處理技術(shù),其中復(fù)合地基加固技術(shù)取得了顯著的成效。

表1 地基處理常用方法匯總表

復(fù)合地基就是部分土體被增強(qiáng)或被置換,形成由地基土和豎向增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載的人工地基。復(fù)合地基的概念最早是由日本學(xué)者在20 世紀(jì)60 年代初提出來(lái)的,當(dāng)時(shí)指砂井地基計(jì)算的數(shù)學(xué)模型,伴隨著在國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用,已發(fā)展至今天較為成熟的地基處理技術(shù)。常見(jiàn)的復(fù)合地基方式有：砂石樁復(fù)合地基、水泥粉煤灰碎石樁復(fù)合地基、夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基、水泥土攪拌樁復(fù)合地基、旋噴樁復(fù)合地基、多樁型復(fù)合地基等方式。

3 研究依托項(xiàng)目工程

本次研究項(xiàng)目依托西安市渭河以北清河流域上某工程,主要工程內(nèi)容為修建一座攔河壩,壩長(zhǎng)102 m,壩高2.5 m,主要建筑物有攔河壩鋪蓋、壩座、消力池、海漫、拋石防沖槽、擋土墻等,攔河壩工程等別為Ⅴ等小（2）型,攔河壩建筑物級(jí)別為5 級(jí),防洪標(biāo)準(zhǔn)確定為20 年一遇洪水,相應(yīng)洪水洪峰流量為324 m3/s。根據(jù)攔河壩壩基及建筑物荷載計(jì)算確定,攔河壩壩基及消力池基礎(chǔ)地基承載力為140 kPa。

3.1 水文地質(zhì)概況

3.1.1 水文情況

清河流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū),四季分明,夏季炎熱、多雨,冬季寒冷干燥。工程區(qū)氣象特性借用三原縣氣象站實(shí)測(cè)資料說(shuō)明,多年平均氣溫13.2℃,極端最高41.6℃,極端最低-20.8℃；多年平均降水量536.6 mm,最大降水829.7 mm,最小365.3 mm。降水主要集中在夏季,5月～8月降水量占全年降水量的52%；多年最大風(fēng)速13.4 m/s,多年平均年最高氣壓994.3 hPa,相對(duì)濕度70%,最大凍土深度0.16 m,平均冰凍時(shí)間94.8 d。

3.1.2 地質(zhì)概況

工程區(qū)地貌單元為清河一級(jí)階地及河漫灘,兩側(cè)為黃土塬地貌。河流斷面呈平緩“U”字型。河流主流沿壩址中部流過(guò),河道內(nèi)河槽與河灘分明,河槽較窄,寬度10.0 m左右,河床地面高程367.00 m～370.40 m,河床比降6.3‰,清河流向由西北往東南方向。

壩址區(qū)地下水水位埋深為0 m～5.2 m,在20.0 m范圍內(nèi)有飽和砂土及粉土層分布,依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）,勘察區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度,場(chǎng)地地基土屬中軟土,場(chǎng)地類別為Ⅱ類,壩基土均處于水位以下,屬飽和砂土,為易液化地基。

壩基場(chǎng)地位于清河河漫灘與一級(jí)階地,壩基土由②層粉質(zhì)粘土、③層粉質(zhì)粘土、③1粉土、④層黃土組成。③1粉土分布于河漫灘下部,呈密實(shí)狀態(tài),可作為攔河壩的天然地基持力層。④層黃土分布于左右壩肩,可作為攔河壩的天然地基持力層。②層粉質(zhì)粘土、③層粉質(zhì)粘土分布于河漫灘、河床地段。

攔河壩壩基土主要由粉質(zhì)粘土、黃土組成,壩基土土層分布連續(xù)、厚度較均一,且厚度遠(yuǎn)大于壩體高度,同時(shí)粉質(zhì)粘土層結(jié)構(gòu)層面基本于地平面平行,②層粉質(zhì)粘土、③粉質(zhì)粘土呈軟塑狀態(tài),存在軟弱下臥層。壩基抗滑穩(wěn)定性差,需對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。

圖1 處理前壩基土層現(xiàn)狀圖

3.2 施工條件

地基處理施工期間,工程區(qū)河道流域降雨頻繁,降雨量較往年大幅增加。同時(shí)上游水庫(kù)不間斷泄洪,上游圍堰水位持續(xù)抬升,壩址處地下水位明顯偏高。加上壩基位于某水庫(kù)庫(kù)尾新沉積的弱透水性飽和性粉質(zhì)粘土之中,含水率較勘察期明顯增大,施工現(xiàn)場(chǎng)降水效果較差,施工環(huán)境比較差。給工程施工造成了一定的困難,工程安全也有一定的隱患。因此要選擇利于施工的地基處理方案,并且需要格外注重地基處理的效果。

3.3 施工概況

攔河壩壩基及消力池基礎(chǔ)地基承載力為140 kPa,而由于壩基位于②層粉質(zhì)粘土層上,地勘報(bào)告中承載力標(biāo)準(zhǔn)值僅為80 kPa,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際查勘,②層粉質(zhì)粘土深8 m～10 m,成軟塑狀,工程性能差,需對(duì)其進(jìn)行處理才能作為攔河壩基礎(chǔ)。

經(jīng)過(guò)多方案比選,采用水泥土攪拌樁和沉管碎石擠密樁的多樁型復(fù)合地基方式處理此次軟弱地基。設(shè)計(jì)水泥土攪拌樁布置方式為矩形布置,樁長(zhǎng)為8 m～10 m,設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m,沿水流凈距為1.5 m,垂直水流方向凈距為1.0 m,共1650 根。設(shè)計(jì)沉管碎石擠密樁布置方式為等腰三角形,腰長(zhǎng)（中心到中心）0.625 m,底邊長(zhǎng)0.75 m,樁長(zhǎng)平均為8 m～10 m,以到持力層為準(zhǔn),共4502 根。

圖2 地基處理布樁平面圖

根據(jù)《建筑地基處理規(guī)范》（JGJ 79-2012）中7.9 條多樁型復(fù)合地基規(guī)定,對(duì)具有粘接強(qiáng)度的樁和散體材料樁組合形成的復(fù)合地基承載力特征值：

式中：m1、m2分別為樁1、樁2的面積置換率；（將具有粘結(jié)強(qiáng)度的水泥土攪拌樁作為樁1,將散體材料的沉管碎石擠密樁作為樁2）

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）中知：

式中：d為樁身平均直徑,m；de為根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑,等邊三角形布樁de=1.05s,正方形布樁de=1.13s,矩形布樁；S、S1、S2分別為樁間距、縱向間距和橫向間距（樁與樁中心點(diǎn)距離）。

樁1的面積置換率：矩形布置,S1=1.5 m, S2=1.0 m。

樁2的面積置換率：等腰三角形布置S1=0.75 m, S2=0.625 m,按照等邊三角形計(jì)算,選擇較大邊長(zhǎng)保守計(jì)算,de=1.05s=1.05×0.75=0.79 m

式中：1為為樁1的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；應(yīng)由單樁復(fù)合地基試驗(yàn)按等變形準(zhǔn)則或多樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)確定,有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)也可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；設(shè)計(jì)取0.8；Ra1為樁1的單樁承載力特征值；考慮現(xiàn)狀水泥土攪拌樁成樁效果較差,取檢測(cè)結(jié)果113 kPa；Ap1為樁1的截面面積；β為僅由散體材料樁加固處理形成的復(fù)合地基承載力發(fā)揮系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)查取相關(guān)文獻(xiàn)一般取0.8～1.0,取為0.8；n為僅由散體材料樁加固處理形成的復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比；宜采用實(shí)測(cè)值確定,如無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí),對(duì)于黏性土可取2～4,對(duì)于砂土、粉土可取1.5～3,本次取為3；fsk為僅由散體材料樁加固處理后樁間土承載力特征值；本次取天然地基承載力特征值（kPa）80kPa。

同時(shí),設(shè)置褥墊層厚0.8 m,采用10 mm～80 mm的級(jí)配碎石,壓實(shí)后相對(duì)密度不小于0.7,夯填度不大于0.9。

施工時(shí),先進(jìn)行水泥土攪拌樁施工,待到樁成型后再進(jìn)行沉管碎石擠密樁施工,這樣避免破壞水泥土攪拌樁發(fā)揮效果。同時(shí),施工沉管碎石擠密樁可有效增加工程區(qū)排水效果,減少液化,加速水泥土攪拌樁成樁。

經(jīng)理論計(jì)算,水泥土攪拌樁和沉管碎石擠密樁形成的多樁型復(fù)合地基承載力特征值：fspk=165.2 kPa。

根據(jù)對(duì)攔河壩工程壩基、消力池復(fù)合地基檢測(cè),結(jié)果顯示,該種布置方式復(fù)合地基承載力載荷試驗(yàn)值達(dá)到為160 kPa,與理論計(jì)算結(jié)果較為符合,滿足要求。

4 結(jié)論

（1）地基處理工程施工完成后,持續(xù)對(duì)壩基進(jìn)行了近半年的沉降觀測(cè),未發(fā)生明顯沉降或裂縫。

（2）攔河壩主體建成后,已經(jīng)開(kāi)始蓄水,目前已運(yùn)行狀況良好,未發(fā)生沉降。

（3）本次地基處理加固方案為以后在類似的工程中,提供了重要的參考意義,對(duì)周邊同等地質(zhì)條件下修建攔河壩具有顯著的參考價(jià)值。

綜上所述,多樁型復(fù)合地基在處理軟弱地基過(guò)程中具有顯著的效果, 在水利工程中采用該方式加固地基,既能發(fā)揮水泥土攪拌樁提高承載力的作用,又能發(fā)揮碎石樁處理液化土層的作用,同時(shí)施工進(jìn)度快,提高了地基穩(wěn)定性,保證地基處理效果,確保了工程安全。