水泥土攪拌樁在水閘地基處理中的應用

郭浩鵬

摘 要：主要針對水泥土攪拌樁在水閘地基加固中的應用展開了探討，通過結合具體的工程實例，對水泥土攪拌樁的施工應用作了詳細的闡述和系統的總結分析，以期能為有關方面提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：水泥土攪拌樁；水閘；軟土地基；抗壓強度

中圖分類號：TU753.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.109

軟弱地基在沿海地區分布廣泛，而水閘建筑物所需的基礎通常需要承受相當大的上部荷載，其基礎底部壓力往往比淤泥軟基持力層所能承載的壓力要大很多。因此，在這種淤泥質軟基上修筑水閘建筑物，必須采取合理、有效的加固處理措施，否則就可能造成軟基出現局部沉降破壞，甚至出現構建物整體滑動等地基失穩現象。水泥攪拌樁通過特制的深層攪拌機械在地基深部就地將軟土和固化劑強制拌和，使軟土硬結而提高地基強度，從而保障建筑的施工、運行安全。下面就介紹水泥土攪拌樁技術在軟基水閘處理中的應用。

1 工程概況

練江水閘工程位于普寧市練江干流，是一宗以防洪排澇為主、發電為輔的中型水利樞紐工程。試水閘工程設計流量1 118 m3/s，上游集水面積334.3 km2，按10年一遇設計和20年一遇校核。水閘順水流方向布置有鋪蓋、閘室、消力池和海漫。鋪蓋長10.0 m，是在原有舊砌石護坦的基礎上鋪800 mm厚的混凝土，閘室段長8.4 m。底板是鋼筋混凝土，厚1 m，上游端設寬1.0 m、深1.0 m的齒墻。經安全鑒定復核，水閘運用指標達不到設計標準，工程存在嚴重損壞，經除險加固后，才能達到正常運行。按照《水閘安全鑒定規定》（SL 214—98）6.02的規定，判定本水閘為三類險閘，建議盡快對工程進行除險加固，在未除險加固前必須采取應急措施，確保工程安全。

2 工程地質條件

2.1 區域地質構造

根據區域地質構造圖反映，練江斷裂（F14）為本場地主要構造控制帶。基巖花崗巖深埋125 m以上。外業勘探過程中，在擬建場地未發現斷裂構造痕跡，為巨厚的第四系沖積砂土層，屬練江斷裂北西側練江平原地段。練江水閘地區洋尾山、洪厝寨山為殘丘低緩巖體，對局部地質有直接影響。

2.2 主要工程地質問題

2.2.1 軟土地基

閘址區第四系海陸交互相沉積（Qmc）的淤泥土埋深較淺，在河道、溝渠、淵塘等表部直接出露。淤泥土天然含水量高，一般為30.3%～78.6%，液限一般為26.2%～63.0%；孔隙比較大，為1.02～2.32；壓縮系數一般為0.557～2.592/ MPa，具有高壓縮性。

淤泥土野外現場十字板剪切強度小于40 kPa，一般在8～24 kPa之間，靜力觸探的比貫入阻力平均值等于0.236 MPa，土體強度很低。

淤泥土層厚度較大，存在土體強度及承載力低、壓縮變形大、地震條件下可能產生震陷變形等問題。

2.2.2 飽和砂土液化

第四系上部海陸交互相沉積（Qmc）分布有2層砂性土層：①夾于淤泥土中的砂壤土-1。該土層厚2.0～3.6 m，埋深1.8～6.5 m。②淤泥土下部的砂壤土-2。該土層厚度一般為1.0～5.8 m，最厚為6.3 m，埋深5.5～13.0 m。兩層均為飽和砂性土。閘址區地震基本烈度為Ⅶ度，處于抗震不利地段。兩層砂壤土黏粒含量分別為7.5%和15.6%，黏粒含量均小于16.0%，初判為液化土。復判采用標準貫入錘擊數法、液性指數復判法和相對密度法綜合進行，復判結果表明兩層砂性土存在震動液化問題。

3 地基處理

3.1 地基處理的目的

3.1.1 提高地基承載力

水閘基底應力計算結果顯示：完建期基底應力最大，平均值為82.47 kPa；其他工況（擋潮工況、泄水運用工況、檢修工況）下的基底平均應力也大于淤泥地基的允許承載力50 kPa，天然地基承載力不滿足要求，需要通過地基處理來提高地基承載力。

3.1.2 減小沉降量

水閘地基的沉降量采用分層總和法計算，結果顯示：完建期沉降量達40.8 cm，正常運行工況的沉降量也達到了30.1 cm，均大于《水閘設計規范》（SL 265—2001）規定的水閘允許沉降量15 cm。因此天然地基存在沉降量過大的問題，需要予以處理，已減小沉降量。

3.1.3 消除地震條件下的砂土液化和震陷

在Ⅶ度地震條件下，閘基下海陸交互相沉積（Qmc）層中分布的兩層飽和砂性土層可能產生震動液化，需要采取地基處理措施來消除液化潛勢。同時，淤泥軟土層厚度大、強度低。根據文獻[1]，在Ⅶ度地震條件下，當承載力特征值小于80 kPa時，還可能產生震陷變形，需要采取地基處理措施預防。

3.1.4 提高閘室抗滑穩定安全系數

由于淤泥土抗剪強度很小，固結快剪內摩擦角為7°，黏結力為3.4 kPa，相應的φ0僅為6.3°，C0為0.85 kPa。由式（1）計算可得：設計擋潮工況下（抗滑穩定控制工況），閘室的抗滑穩定安全系數僅為0.73，遠小于安全系數的允許值1.30.折算的綜合摩擦系數僅為0.18，比一般地基上的摩擦系數小得多。

3.2 地基處理方案比選

比較深層水泥土攪拌樁、鉆孔灌注樁（樁徑1 m）和預應力混凝土管樁（PHC-B500-125）3種地基處理方案。鉆孔灌注樁和預應力混凝土管樁兩種剛性樁方案，因樁基和樁間土體一般存在沉降差，閘室底板與建基面之間可能出現脫空，所以一般不考慮樁間土體承擔荷載，全部豎向荷載和水平荷載由樁體承擔，總荷載較大。而采用深層水泥土攪拌樁方案處理后的地基為復合地基，不存在脫空問題，樁間土與水泥土樁體一起承擔豎向荷載。同時，處理后的復合地基由于水泥土的改性作用，力學強度得到了提高，抗滑能力也有較大的提高。采用鉆孔灌注樁和預應力混凝土管樁方案時，還需要在閘底板前、后端以水泥土攪拌樁圍封，以避免閘室底板可能與建基面脫空帶來的接觸沖刷，其防滲的可靠性顯然低于水泥土攪拌樁方案。此外，地基處理造價也以水泥土攪拌樁方案最低，因此選擇水泥土攪拌樁方案進行水閘地基處理。

4 水泥土攪拌樁設計

4.1 攪拌樁布置

由于水閘地基土體強度低，因此采用大直徑攪拌樁提高工效，攪拌樁直徑為600 mm。攪拌樁樁長根據控制閘基沉降量、抗液化和震陷的要求確定。按控制閘基沉降量不超過15 cm的要求，樁長不應小于11.2 m；水閘地基下可液化砂層深度在10 m以內，為達到抗液化的目的，攪拌樁應進入的非液化層深度按2 m考慮，樁長應不小于12.0 m；按抗震陷要求，樁長應超過淤泥深度，樁長不小于8.4 m。綜合考慮取攪拌樁樁長為12.0 m。

攪拌樁按照抗液化和震陷要求采取格柵式布置，樁間套接15 cm，格柵間距取為4 m左右。同時，格柵布置還要兼顧閘室底板受力特點，與閘室結構相對應，分塊尺寸為25.0 m×18.8 m（順水流向×橫流向），每個分塊內順水流向布置6排，排間距4.50 m和4.95 m；橫流向布置5排，其中在閘墩對應位置各布置1排，底板下布置3排，排間距4.05 m。這種布置方式主要是依據彈性地基梁下基底反力分布規律，有利于減小水閘底板閘孔中部的負彎矩。每個格柵內還布置有4根單樁，以調整地基的均勻性。單個閘室總共布置攪拌樁581根，置換率約30.2%.

4.2 復合地基承載力及沉降量計算

選定地基處理方案前，為確定水泥土攪拌樁對淤泥地基的適用性以及獲得相關設計參數，專門進行了室內配合比試驗。試驗土樣取自閘基部位，土樣pH值大于7.0，呈堿性，表明地基土層對混凝土不具有泛酸性腐蝕；SO42-含量為395～408 mg/kg，對混凝土不具有硫酸鹽腐蝕性；有機質含量2.40%～2.46%.試驗水泥品種及強度等級分別為32.5R復合硅酸鹽水泥及42.5R普通水泥，水灰比為0.55，水泥摻量分別為15%，18%和21%，外加劑選擇三乙醇胺，試驗齡期分別為7 d、14 d、28 d、90 d。水泥土室內配合比無側限抗壓強度結果見表1.

室內配合比試驗表明，水泥土無側限抗壓強度較大，隨齡期增長而增大，隨水泥摻量增大而增大，也隨水泥強度等級的提高而增大，表明淤泥地基適用于以水泥作固化劑。

根據試驗結果，水泥土無側限抗壓設計強度值fcu取1.30 MPa（取28 d齡期強度主要是考慮到水閘還需承擔水平荷載），建議采用42.5R強度等級的水泥，摻量不小于18%.具體配合比則應根據現場生產性試驗確定。

單樁承載力取為按樁身材料強度（樁身強度折減系數η取0.25）確定的單樁承載力、由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力兩者中的小值，根據計算結果，按樁身強度所確定的單樁承載力為91.9 kN，遠小于按樁周土和樁端土抗力確定的單樁承載力232.85 kN。因此，單樁承載力取91.9 kN。

經計算，復合地基承載力特征值為105.1 kPa，滿足水閘對地基承載力的要求。

水泥攪拌樁復合地基沉降量包括樁長深度內的復合土層壓縮變形和樁端下未加固土層的壓縮變形。計算時攪拌樁的壓縮模量取130 MPa，經計算，復合土層壓縮變形量為1.8 cm，樁端下未加固土層的壓縮變形量為2.5 cm，復合地基總沉降量為4.3 cm，滿足《水閘設計規范》（SL 265—2001）對沉降量的控制要求。

4.3 復合地基上水閘抗滑穩定計算

水泥土攪拌樁地基處理主要是提高地基豎向承載能力和減小沉降量，在工業與民用建筑行業應用較多，現有關于水泥土攪拌樁的設計規范也是針對建筑行業的。近十多年來攪拌樁在水利工程中也有應用，主要解決的還是地基豎向承載能力和沉降問題，用于提高地基抗滑能力的應用尚不多見。閘室抗滑穩定分為以下2種情況計算。

4.3.1 不考慮齒槽作用，閘室沿建基面滑動

閘基抗滑穩定安全系數分解為由水泥土和樁間土分別提供的2部分安全系數，采用式（1）計算。作用于樁頂和樁間土上的豎向荷載根據水泥土和樁間土的應力比確定。根據實際工程經驗，一般情況下，承受豎向荷載時樁土應力比可達3～6.樁間土越軟弱，應力比越高。水閘為淤泥地基，偏于保守考慮，取樁土應力比為3.按攪拌樁置換率30.2%計算，則樁體承載豎向荷載比例為56.5%，樁間土承擔比例為43.5%.

由上式計算得到設計擋潮工況下的抗滑穩定安全系數為4.41，大于允許值1.30.可見，無論考慮齒槽作用與否，處理后閘室抗滑穩定安全系數都能滿足《水閘設計規范》（SL 265—2001）的要求。

5 施工工藝

根據攪拌樁設計指標，在施工前進行了室內配合比試驗和現場生產性試驗，確定采用臺泥牌42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為21%，水灰比0.55；外加劑為三乙醇胺，摻量0.05%.施工機械采用SP-5和PH-5B型樁機，施工工藝為四噴四攪，即兩沉兩升。樁頭40 cm需挖除。

施工完成后，采用開挖檢查、動力觸探、鉆孔取芯以及復合地基承載能力試驗等多種方法進行攪拌樁質量檢測，全部合格。

6 結束語

綜上所述，在水閘工程的施工過程中，對軟土地基進行加固是施工的重點和難點。實踐證明，水泥攪拌樁適用于對軟土的加固，尤其在水閘軟基的處理中效果極為顯著。值得注意的是，為了使水閘地基得到更好的加固，在施工過程中必須隨時檢查施工記錄和計量記錄，并對照規定的施工工藝對每根樁進行質量評定，嚴把設計關和施工關，采取有針對性的質量控制措施，保證工程建設安全、可靠、節能、經濟地高效開展。

參考文獻

[1]鄭志.水泥攪拌樁在水閘軟弱地基處理中的應用[J].城市建設與商業網點，2009（23）.

[2]黑東平，馬曉慧.水泥攪拌樁在水閘軟弱地基處理中的應用探討[J].科技研究，2014（7）.

[3]蔡列敏.探討水泥攪拌樁在水閘工程中的應用[J].中華民居，2012（3）.

〔編輯：劉曉芳〕