攪拌樁復合地基優化設計

廖偉權

（佛山市水利水電建筑設計有限公司，廣東 佛山 528000）

攪拌樁復合地基優化設計

廖偉權

（佛山市水利水電建筑設計有限公司，廣東 佛山 528000）

珠江三角洲地質中普遍存在淤泥和淤泥性土，采用水泥攪拌樁作為地基處理的方式因此得到廣泛應用，是目前處理軟弱地基的重要方法之一。本文試以順德區陳村鎮南涌閘站重建工程的地基為研究案例，探討水泥攪拌樁的地基加固處理方式選擇，在滿足地基承載力和各水工建筑物沉降量控制要求的基礎上，采用數值模擬計算完成深層攪拌樁復合地基的優化設計，以達到既滿足工程質量要求又符合投資預算成本的雙重目標。

地基處理；水泥攪拌樁；設計優化

水泥攪拌樁的加固地基為復合地基中的一種，是利用水泥作為固化劑，通過特制的深層攪拌機械，在一定深度范圍內把地基土與水泥強行拌和固化形成具有水穩型和足夠強度的水泥土，制成樁體、塊體和墻體等，并與原地基土共同作用，提高地基承載力，改善地基變形特性的一種地基處理技術，適用于處理正常固結的淤泥與淤泥質土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。珠江三角洲由于普遍存在淤泥和淤泥性土，因此采用水泥攪拌樁作為地基處理的方式得到廣泛應用。本文試以順德區一泵站工程為研究案例，探討應用攪拌樁復合地基的優化設計。

1 工程概況

順德區陳村鎮南涌閘站重建工程位于南順聯安圍陳鎮排灌區，主要水工建筑物包括自流閘、泵站防洪閘、泵房、穿堤涵管、清污機閘和進水前池段和出水消力池段組成。其中泵站設計工況下排水流量為10.0 m3/s，設計引水流量為5.8 m3/s。泵站總裝機容量900 kW，安裝2臺豎井式貫流泵。工程為三等工程，主要建筑物（自流閘、泵站）為3級，次要建筑（護岸、擋墻）為4級。

本工程經過可研和初設兩個階段的地質勘察，共完成鉆孔16個，總進尺367.4 m，作標準貫入試驗107次，取土工試驗樣34個，取巖石抗壓樣8個，部分巖土層力學參數見表1。

表1 部分巖土層力學參數表

2 地基處理設計思路

2.1 存在問題

1）根據泵站的平面、垂直布置，泵站各水工建筑基礎大部分處于（2）層的粉質粘土及（3）層的淤泥質土，根據主要建筑物的整體計算，地基的承載力均達不到設計要求，見表2，需進行地基處理。

2）工程靠近外江，外江與內涌水位差較大，外江U型槽加上自排閘室底板地下輪廓線長約29 m，若取外江校核水位4.87 m，內涌常水位0.6 m，則水頭差為4.27 m，相應滲徑系數為29/4.27=6.79，小于規范[1]粉細砂地基的滲徑要求（自排閘基礎處于第（4）層的粉砂地質，規范要求7～9），同樣需采取措施增加滲徑。

表2 主要水工建筑物基底附加應力表

3）工程主要建筑物順水流方向布置長約110 m，垂直水流方向約60 m，在此范圍內土層變化復化，下伏的淤泥、淤泥質土厚薄不一，各建筑物對地基的荷載各不相同，需綜合考慮由于各建筑物地基處理方案，避免不均勻沉降對建筑物之間造成的危害。

2.2 設計思路

1）解決自流閘滲透問題。結合工程所在地的實際情況，采用密排水泥攪拌樁形成防滲帷幕垂直防滲效果顯著，而且能明顯增長滲徑，因此初擬在自流閘閘室前部布設兩排φ500@400密排攪拌樁，布設后地下輪廓線長為53 m，相應滲徑系數為12.41，滿足規范[1]要求。另外按規范要求，采用改進阻力系數法計算出口段坡降為0.2，滿足粉砂地基出口段土容許坡降［J］=0.33～0.39的要求。

2）提高地基承載力和防止各建筑物沉降不均勻。提高地基承載力的方法很多，由于考慮到自流閘應用水泥攪拌樁防滲，為便于施工，考慮全站區均采用水泥攪拌樁處理。此方案另一個優點就是能較有效控制建筑物之間的沉降。

確定全站的地基處理方案后，設計的目的在于計算出滿足地基承載力和建筑物之間沉降要求的攪拌樁的置換率和樁的長度。

3 設計優化

3.1 優化思路

1）設計單個建筑物的單樁長度和置換率。

在完全滿足擬建建筑需要的地基承載力的基礎上最大限度節省建設費用，并使地基沉降量控制在允許值之內，是復合地基優化設計的重要目標[2]。要實現這一目標，主要采用的手段是以單樁長度l和樁間距c為自變量，在滿足復合地基承載力要求的同時，求取單樁長度之和L的最小值。

根據規范[3、4]要求，軸心豎向力作用下，基礎地面的平均豎向力須滿足下式

式中：NK為荷載效應標準組合軸心豎向力作用下，基樁或復合基樁的平均豎向力；FK為荷載效應標準組合下，作用于承臺項面的豎向力；GK為樁基承臺和承臺上土自重標準值，對穩定的地下水位以下部分應扣除水的浮力；R為復合基樁豎向承載力特征值。同時，應滿足加固區變形量和下臥層土層壓縮量小于設定總壓縮量：

并且，同時應使修正后的地基容許承載力fa大于底面附加壓力值，即：

單樁長度總和L為單樁長l與樁根數乘積ni

當最小的L確定時，得到一組l，ni(進而確定置換率m)和Si等數據。

2）各建筑物最終沉降量之間的綜合考慮。

參照規范[1]的相關規定，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm，考慮地基已經過處理和工程的實際情況，將相鄰建筑物的沉降差定為不超過3 cm。在此基礎上將已計算出的各建筑物的總壓縮量進行比對，若不滿足要求，則重新選定建筑物的設計單樁長，重新計算，最終符合要求。

3.2 優化實施

計算可以通過程序進行實施。先定議初始巖土參數、基礎底面附加應力值、水泥攪拌樁水泥摻量及最小、最大樁長和樁間距，通過循環語句，逐步增加樁長的步長，計算出復合地基承載力，加固區和下臥區的沉降量，當總沉降量和承載力同時滿足要求則跳出循環，得出單個建筑物設計總樁長[5]。

在此基礎上，復核各建筑物間的沉降量。通過計算：自流閘、泵房、防洪閘、壓力涵管的最終沉降量分別為 24.52，22.07，25.66，29.98 mm。

目前本工程已完成水下驗收，根據實測的沉降數據顯示基本與設計相符。

4 結論

1）由于工程實施過程中，攪拌樁復合地基的沉降量一般會偏大于混凝土預制樁處理的地基，如果連接在一起的不同建筑物分別采用攪拌樁和預制樁進行地基處理，則容易造成建筑物之間不均勻沉降，設計時應慎用。

2）對于攪拌樁復合地基，提高置換率比增加樁長的效果更好。從本次設計來看，置換率比樁長更能反映沉降量的變化，置換率增大以后，樁身和樁間土的應力和承載作用得到進一步的發揮，加固區的整體剛度也得到增強，能夠促使加固區將荷載較為均勻地傳給下臥層，沉降量明顯減小。而樁長增加，對樁身強度的要求也就隨之增高，而過高的樁身強度將不利于樁間土承載力的發揮。但是，以上認識究竟是個案還是普遍存在，特別是考慮到下伏土層的厚度、特性的關鍵性影響，結論有待進一步研究。

［1］SL265-2001，水閘設計規范［S］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［2］陸基洪，水泥土攪拌樁在軟基處理中的應用［J］.中國高新技術企業，2010（27）.

［3］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［4］GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［5］楊磊，賀為民，周楊等.深層攪拌樁復合地基的優化設計［J］.巖土力學，2010（8）.

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2011-04-07