攪拌樁長(zhǎng)墻連拱聯(lián)合梅花形布置在復(fù)合地基加固中的應(yīng)用

吳 俊 張桂萍 章啟兵

一、工程概況和地質(zhì)情況

金湖站為南水北調(diào)東線一期工程第二個(gè)梯級(jí)泵站，工程等級(jí)為Ⅰ等，泵站規(guī)模為大（Ⅰ）型，位于江蘇省金湖縣銀集鎮(zhèn)境內(nèi)、三河攔河壩下的金寶航道輸水線上。工程主要任務(wù)是通過(guò)與下級(jí)洪澤站聯(lián)合運(yùn)行，由金寶航道、入江水道三河段向洪澤湖調(diào)水150m3/s，并結(jié)合寶應(yīng)湖地區(qū)排澇。金湖泵站設(shè)計(jì)流量150m3/s，安裝燈泡貫流泵5臺(tái)套（含備機(jī)1臺(tái)套）。泵站底板地面高程-3.35～-2.10m，上游引河設(shè)計(jì)堤頂高程15.0m，下游引河設(shè)計(jì)堤頂高程9.5m，上下河底高程分別為4.5m和1.5m。

上游段場(chǎng)地高程6.5m，上覆土層A層為雜填土，層厚1.5m左右，工程性質(zhì)一般；下臥層1-1為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，層厚2～3m，含水量較大，強(qiáng)度低，壓縮性高；1-1層以下土層工程性質(zhì)較好，待處理淤泥質(zhì)土層主要分布于標(biāo)高5.0～2.0之間。

二、主要問(wèn)題

1.整體穩(wěn)定性問(wèn)題

上游迎水坡坡高10.5m，北側(cè)背水坡坡高7.7m，南側(cè)背水坡坡高7.4m。迎水坡施工期整體安全穩(wěn)定安全系數(shù)為0.94，背水坡施工期整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.14，按照規(guī)范規(guī)定，一級(jí)堤防允許抗滑安全系數(shù)為1.2，不能滿足要求，所以該處堤防要進(jìn)行地基加固處理。

2.攪拌樁彎折問(wèn)題

樁基水平承載能力不但與樁體剛度和強(qiáng)度有關(guān)，而且與地基土的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)?shù)鼗喜客翆虞^硬，樁頂位移小，樁體可承受較大水平荷載，當(dāng)?shù)鼗喜客翆虞^弱，樁頂在水平荷載作用下可產(chǎn)生較大位移，從而使樁體承受很大的彎矩，發(fā)生彎折后水平承載力就會(huì)喪失，該工程攪拌樁布置情況屬于后者，其水平承載力很弱。

3.單樁施工成樁質(zhì)量

攪拌樁單樁施工過(guò)程由于噴漿受到土層變異性、施工工藝等因素影響容易出現(xiàn)欠噴、欠攪缺陷從而形成劣質(zhì)夾層，對(duì)樁體豎向承載力影響較小，但是對(duì)水平承載力造成嚴(yán)重削弱，若軟土層與硬土層交界面附近存在劣質(zhì)夾層，則該樁體抗剪能力完全喪失。

4.壩頭端堤身穩(wěn)定問(wèn)題

由于上游堤填筑需要破原老堤身并連接，而原老堤是填筑于40年前，其間經(jīng)過(guò)多次加固修復(fù)才趨穩(wěn)定的。重新開(kāi)挖后，老堤防下覆深厚軟土迎水面暴露，原堤身整體性遭到破損，如何保證壩頭部分的施工穩(wěn)定，主要是后期運(yùn)營(yíng)期穩(wěn)定，將是一個(gè)十分突出重要的問(wèn)題。

三、處理方案

1.原設(shè)計(jì)處理方案

為了提高堤身下部軟土層復(fù)合地基承載力，控制堤身沉降變形并考慮堤身的抗滑穩(wěn)定，原設(shè)計(jì)采用樁徑為600mm水泥攪拌樁梅花形布置進(jìn)行軟土地基加固，外排和內(nèi)排置換率分別為0.196和0.11。

樁基水平承載能力不但與樁體剛度和強(qiáng)度有關(guān)，而且與地基土的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。本工程上游堤防上部土層較弱，樁頂在水平荷載作用下可產(chǎn)生較大位移，從而使樁體承受很大彎矩，發(fā)生彎折后其水平承載力就會(huì)喪失。該工程攪拌樁在穿透雜土層及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層進(jìn)入粉質(zhì)粘土層后，由于樁體具有懸臂效應(yīng)，在受到水平荷載作用時(shí)樁體在土層交界面處受到顯著彎折作用，取攪拌樁設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.0MPa，考慮樁體水平承載力特性，取攪拌樁水平抗剪能力為設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度乘以系數(shù)，即1000×0.06=60kPa，軟土層抗剪強(qiáng)度乘以0.7折減系數(shù)與攪拌樁換算為地基復(fù)合強(qiáng)度，迎水坡施工整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13，背水坡施工期整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.35，采用該方案攪拌樁水平承載力存在高估的風(fēng)險(xiǎn)。

2.實(shí)際采用處理方案

為確保工程施工質(zhì)量，經(jīng)各方論證采用攪拌樁長(zhǎng)墻連拱方案加固邊坡軟基。在迎水坡布置12m長(zhǎng)攪拌樁長(zhǎng)墻連拱，采用變截面連續(xù)墻，墻端采用橫墻聯(lián)系；背水坡布置9m長(zhǎng)攪拌樁長(zhǎng)墻連拱；在兩者之間打設(shè)梅花形布置攪拌樁形成復(fù)合地基，間距2.0～2.5m漸變布置，樁徑Ф800。該方案能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗滑能力，同時(shí)該結(jié)構(gòu)型式水平截面抗彎能力大，基本不存在彎折問(wèn)題。布置形式見(jiàn)圖1。

（1）攪拌樁長(zhǎng)墻連拱型式結(jié)構(gòu)抗滑機(jī)制

水泥土拱通過(guò)拱作用將堤體一部分拱外水平推力（土壓力）傳遞到水泥土長(zhǎng)墻，另外一部分水平推力直接傳遞到拱內(nèi)土體中（拱內(nèi)土體主要為軟土）；

水泥土長(zhǎng)墻通過(guò)側(cè)壁接觸抗剪能力將一部分水平推力傳遞到墻內(nèi)土體；

長(zhǎng)墻內(nèi)軟弱土層最終將其承受的水平推力傳遞到下部硬土層和長(zhǎng)墻外側(cè)土體；

水泥土長(zhǎng)墻插入硬土層部分主要通過(guò)側(cè)壁和墻底將一部分水平推力傳遞至下部硬土層。

（2）方案的優(yōu)點(diǎn)

充分發(fā)揮攪拌樁連續(xù)墻、下臥硬土層水平抗滑能力，攪拌樁抗剪強(qiáng)度可充分利用，變截面連續(xù)墻可改善拱墻應(yīng)力分布；施工過(guò)程成樁質(zhì)量對(duì)連續(xù)墻整體性影響較小，對(duì)復(fù)合地基豎向承載力影響也小；復(fù)合地基承載力顯著提高，布樁間距較大，軟土可進(jìn)一步固結(jié)以提高強(qiáng)度；能夠顯著控制軟土層壓縮量；軟土層能得到一定程度固結(jié)并提高邊坡安全性。

（3）方案要點(diǎn)與建議

①攪拌樁進(jìn)入硬土層深度不小于2m；

②壩頭部位采用該方案迎水坡構(gòu)造型式，但加固深度和加固長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)軟土層深度按比例調(diào)整；

③連拱樁墻與壩頭部分連成整體，同時(shí)迎水坡部分延伸至泵站水池翼墻連接段，并設(shè)縫采用止水連接；

④進(jìn)行水泥土配比試驗(yàn)和試樁以確定攪拌樁設(shè)計(jì)強(qiáng)度；

⑤加強(qiáng)軟土層與硬土層交界面2m范圍水泥土施工質(zhì)量以提高可靠性。

四、實(shí)施方案整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

長(zhǎng)墻連拱攪拌樁設(shè)計(jì)強(qiáng)度為1.0MPa，穩(wěn)定計(jì)算時(shí)攪拌樁抗剪強(qiáng)度取200kPa（按照極限強(qiáng)度τmax乘以0.4折減系數(shù)），與拱內(nèi)土體換算為復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算；梅花形布置復(fù)合地基攪拌樁抗剪強(qiáng)度取60kPa，土層強(qiáng)度指標(biāo)加權(quán)換算為復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算。

施工期工況，土層強(qiáng)度指標(biāo)采用快剪指標(biāo)，軟土強(qiáng)度按照快剪指標(biāo)乘以0.7折減系數(shù)；穩(wěn)定滲流工況和洪水降落工況土層強(qiáng)度指標(biāo)均采用固快指標(biāo)（見(jiàn)表1）。

表1 整體穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算成果比較

五、結(jié)束語(yǔ)

攪拌樁長(zhǎng)墻連拱聯(lián)合梅花形布置處理復(fù)合地基，能夠充分利用長(zhǎng)墻連拱構(gòu)造抗滑能力和攪拌樁復(fù)合地基承載力以減少地基沉降。長(zhǎng)墻連拱結(jié)構(gòu)型式能夠有效傳遞水平推力，變截面拱墻優(yōu)化了樁身應(yīng)力分布，更為經(jīng)濟(jì)合理。該方案在今后類似水利工程復(fù)合地基處理加固施工中可以起到很好的借鑒作用