滁州市汊河節制閘軟土地基加固設計

崔 冬 郭子婧

一、工程概況

滁州市汊河節制閘為汊河集樞紐工程重要組成部分，是滁河干流上的重要節制閘，也是駟馬山引江灌溉工程最下游的控制工程，其主要功能有灌溉、排洪和航運等。工程始建于1970年11月，竣工于1972年12月，該閘原設計洪水流量為1260m3/s，校核洪水流量為1550m3/s，為Ⅱ等大（2）型水閘。

汊河節制閘自建成投入運行近40年，水毀嚴重，雖歷經多次除險加固，運行狀態得到了一定改善，但受資金條件限制，仍存在較多工程安全隱患，影響工程的安全運行，對上下游兩岸人民的生命財產構成了嚴重威脅。2009年3月，滁州市水利局組織水閘工程專家對汊河節制閘進行了安全鑒定，專家組一致認定汊河節制閘安全類別為三類閘，需進行全面除險加固。

二、地質條件分析

汊河樞紐所在地為滁河下游河段，主要為沉積細粒土層，第四系地層厚度約30m左右，下臥基巖為白堊系上統赤山組砂巖及粉砂巖。經鉆孔揭示，第四系覆蓋層主要由第四系全新統～晚更新統沖洪積物組成的粘性土、重～輕粉質壤土、淤泥質軟土、含礫中粗砂所組成，下伏棕紅色中生代赤山組泥質粉砂巖。

表1 地基加固成果表

表2 地基變形計算成果表

閘址處自上而下主要土層分布：①層素填土、②層重、中粉質壤土、③層輕粉質壤土、③1層淤泥質粉質粘土、③2層淤泥質重粉質壤土、④層粉質粘土、④1層含礫中粗砂和⑤層泥質粉砂巖等。

節制閘閘底板坐落在③層輕粉質壤土上，地質勘探報告推薦的承載力標準值為80～120kPa，由于③層土在閘室底板下厚僅0.5m，不宜作為持力層，閘室底板實際持力層為③1層淤泥質粉質粘土，該層土天然地基承載力僅為50～80kPa，承載力較低，小于閘室、岸墻及上、下游翼墻基底應力，工程建設存在隱患。因此，地基應進行加固。

三、地基加固方案的選擇

該節制閘對承載力要求不高，③層輕粉質壤土的承載力可滿足要求，但因該土層較薄，且其下分布著厚達十余米的淤泥質軟土層，加上閘上部的交通橋的荷載要求，極易產生不均勻沉降，對建筑物的結構安全不利。根據汊河節制閘軟弱土層的特性及深度，地基加固措施擬選擇釘形水泥土雙向攪拌樁或鉆孔灌注樁進行處理。

上述兩種處理方案均能提高基土承載力，滿足工程安全運行要求。釘形水泥土雙向攪拌樁對軟弱土地基具有滿堂加固作用，可與地基形成一種均勻有效的復合地基，可減少上部結構發生較大的不均勻沉降，而且設計樁長為該型經濟樁長（不大于15m），但形成的復合地基仍有一定的沉降量。鉆孔灌注樁與閘底板屬剛性連接，其適應沉降變形的能力大于攪拌樁形成的復合地基，但是采用灌注樁加固地基后上覆荷載基本由灌注樁承擔，易使樁間土和構筑物底板之間脫開架空，形成滲漏通道，不利閘基滲流穩定。汊河閘底板持力層為③1層淤泥質粉質粘土，其壓縮模量僅為3.74MPa，屬高壓縮性土，樁間土和閘底板之間易脫開架空形成滲漏通道。另外，灌注樁造價明顯偏高。汊河閘采用筏式底板，較適合采用復合地基。因此，設計中選用釘形水泥土雙向攪拌樁對地基進行加固。

四、地基加固設計

地基采用釘形水泥土雙向攪拌樁進行軟基加固，這是一種在常規水泥土攪拌樁基礎上加以改進后形成的新型地基加固處理方法。可以克服常規水泥土攪拌樁存在的以下不足：水泥土在垂直方向和水平方向都難以攪拌均勻；在土壓力、孔隙水壓力、噴漿壓力的相互作用下，水泥漿沿鉆桿上行，普遍存在地面冒漿現象，影響地基水泥漿摻入量。

釘形水泥土雙向攪拌樁將水泥土攪拌樁成樁機械的鉆桿改進為同心雙軸鉆桿，即內鉆桿上安裝正向旋轉葉片并設置噴漿口，外鉆桿上安裝反向旋轉葉片，通過外桿上葉片反向旋轉過程中的壓漿作用和正反向旋轉葉片同時雙向攪拌水泥土，阻斷水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質量。通過同軸雙向轉動的轉桿以及可自動伸縮的葉片，沿深度方向將軟土與固化劑（水泥漿，可摻入一定量的外加劑）就地進行強制攪拌，使土體與固化劑發生物理化學反應，形成具有一定整體性和強度的水泥土復合地基。

1.釘形水泥土雙向攪拌樁設計

釘形水泥土雙向攪拌樁按照江蘇省工程建設推薦性技術規程《釘形水泥土雙向攪拌樁復合地基技術規程》（蘇JG/T024-2007，以下簡稱《規程》）進行設計，按復合地基要求計算，并進行地基變形驗算。

根據該規程的規定，釘形水泥土雙向攪拌樁的擴大頭高度宜不大于樁長的1/3，下部樁徑不宜小于500mm，上、下樁徑比宜在1.8～2.4之間，樁間距應根據復合地基的承載力、建（構）筑物允許沉降量、土性、施工工藝等確定，宜取1.8～2.4m。釘形水泥土雙向攪拌樁樁身水泥摻入比應根據單樁承載力通過室內配比確定，水泥摻入量宜為被加固濕土質量的12%～18%。水灰比可選用0.50～0.60，地基含水量高者取小值。根據土質條件可適當選用添加劑，添加劑應先進行室內配比試驗。

根據上述規定，初擬閘室、翼墻和空箱岸墻基礎釘形水泥土雙向攪拌樁加固，樁徑為0.5m、0.6m，擴大頭部位樁徑 1.0m、1.3m，平均樁長 14m，其中擴大頭部位樁長4.0m，樁距1.8m，樁身水泥摻入比取16%。《規程》建議：在釘形水泥土雙向攪拌樁與剛性基礎之間應設置褥墊層，褥墊層厚度宜取0.3～0.5m。褥墊層宜選用中砂、粗砂、級配砂石或碎石等，碎石最大粒徑不大于20mm。由于考慮到建筑地基防滲要求，本次設計在釘形水泥土雙向攪拌樁與建筑物基礎之間設置0.6～0.8m厚的水泥土褥墊層。

2.復合地基承載力計算

結合《地質報告》中各土層參數的推薦值，并根據《規程》3.3.8和3.3.9中的公式，對釘形水泥土雙向攪拌樁復合地基承載力特征值及單樁承載力特征值進行估算，其估算結果和各部位地基加固成果見表1。

計算結果表明，采用釘形水泥土雙向攪拌樁加固地基承載力可滿足設計要求。

3.地基處理后的變形驗算

地基處理后的變形計算按照現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）的有關規定執行。復合土層的分層與天然地基相同（在變截面處應分層計算），各復合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量與樁體壓縮模量按照面積置換率加權平均。

豎向承載的釘形水泥土雙向攪拌樁復合地基沉降包括擴大頭深度范圍內復合土層平均壓縮變形量S1、下部樁體深度范圍內復合土層平均壓縮變形量S2和樁端下部未加固土層平均壓縮變形量S3。根據《規程》3.3.13中的公式，對地基處理后的變形進行驗算，其計算成果見表2。

計算結果表明，加固后閘室、岸墻和翼墻沉降量滿足《水閘設計規范》（SL265-2001）中有關建筑物沉降量不大于150mm、相對沉降量不大于50mm的規定。

五、結語

軟土地基具有極大的危害性，如果處理不當會造成地基失穩，使構造物沉降過大或不均勻沉降，對構造物產生不同程度的危害，嚴重影響工程安全。釘形水泥土雙向攪拌樁處理軟土地基以其自身的優點，已經在鐵路、高速公路、港口、碼頭等多個領域中得到廣泛應用，加固效果顯著。近年來，該加固技術已經逐漸在水利工程中得到應用，尤其對厚度在15m左右軟土地基的加固處理，不僅有良好的加固效果，其綜合經濟效益比常規水泥土攪拌樁節省投資約15%～35%，經濟效益也很顯著