洞庭湖區軟弱地基水泥土改良技術應用研究

薛 松

（湖南百舸水利建設股份有限公司，湖南 長沙 410007）

1 背 景

共雙茶垸分洪閘工程屬于國務院172 項目，該工程是洞庭湖三垸分蓄洪工程的重要組成部分，建成后將與原有湖堤一起構成一道有效的防洪屏障，確保蓄洪區內群眾的生命財產安全，同時有利于緩解城陵磯地區的防洪緊張局面[1]。工程蓄洪容積約21.00 億m3，最大分洪流量為3 630 m3，閘室總寬305.5 m，閘室過流總凈寬260.0 m，一共26 孔，閘室為整體開敞式結構，底板高程24.50 m，閘頂高程36.00 m。

根據勘察成果，共雙茶垸分洪閘閘址區地層主要為淤泥質粉質粘土夾粉細砂及粉質粘土，淤泥質粉質粘土具有抗剪強度低和地基承載力低的特點，主要存在滲透變形問題、不均勻沉降問題、抗滑穩定問題和抗沖刷穩定問題等工程地質問題[2]。在初步設計階段，巖土專業建議對閘室地基進行加固處理，采取基坑排水和相應支護措施；建議對海漫段進行地基處理，海漫下布置水泥土攪拌樁；建議對閘室上游防沖槽區、防滲鋪蓋段地基采取處理措施。在施工圖設計階段，由于一些原因，設計只對閘室主體結構段和上下游翼墻地基進行了水泥土攪拌樁處理，對上下游鋪蓋及海漫等位置未進行地基處理。

在實際施工時，海漫進行大面積開挖后，發現開挖面地基承載能力極低，施工機械發生沉陷無法在揭露面上進行攤鋪作業，為能滿足施工機械作業要求，同時滿足結構物作用下不發生不均勻沉降，需對該部分地基進行處理。水利工程建設中常用于加固軟土地基的水泥土攪拌樁加固法[3]，遇到高含水量且富含有機質的淤泥質土時，可能出現強度較低、成樁困難的問題，用于處理海漫等次要結構的地基土成本較高[4]。因此現場對基面進行了原位水泥土改良試驗，根據輕型動力觸探結果，改良后物理力學特性改善明顯，能夠滿足要求。后經各方同意，對淤泥質粉質粘土夾粉細砂層進行了大面積原位水泥土改良，效果顯著，經濟適用性高，同時節約了施工工期。

2 地質條件

共雙茶垸分洪閘工程位于共雙茶蓄洪垸內，四面環水。垸內河湖水系密布，溝渠縱橫交錯，地下水位較高，該區范圍內土質以河流沖積物和湖積物為主。地基自上而下依次為：①Q4al+l灰黃色、灰褐色粉質粘土，濕潤，呈可塑狀，厚0.5～2.2 m；②Q4al+l深灰色、灰綠色淤泥質粉質粘土，夾薄層粉細砂，淤泥質粉質粘土呈軟塑狀，厚2.0～2.8 m，薄層粉細砂呈千層餅狀，砂單層厚度一般1～4 cm；③Q4al+l灰褐色、灰色粉質粘土，濕潤，呈軟塑～可塑狀，厚度1.0～2.5 m；④Q3al黃褐色、灰褐色夾灰白色粉質粘土，具似網紋狀結構，呈可塑～硬塑狀，局部夾砂壤土、礫質土透鏡體，總厚5.4～13.5 m，其中砂壤土透鏡體單層厚0.2～0.6 m，礫質土透鏡體單層厚1.2～2.3 m；⑤Q3al黃褐色、灰白色粉細砂，稍密，厚2.1 m～10.8 m；⑥Q3al灰白色、灰褐色砂礫石層，中密，鉆孔揭露未見底。海漫和上游鋪蓋地基（或下臥層）為淤泥質粉質粘土夾粉細砂，淤泥質粉質粘土具有抗剪強度低和地基承載力低的特點，存在不均勻沉降問題。

勘察單位對地基土進行室內試驗，工程特性及透水性分別評價如下：淤泥質粉質粘土夾粉細砂：天然含水量37.1%～65.6%，干密度0.97～1.48 g/cm3，孔隙比1.016～1.772，呈流塑～軟塑狀，壓縮系數0.51～1.42 MPa-1，具高壓縮性，飽和快剪抗剪強度φ 值3.6°～13.4°，C 值9.0～25.5 kPa，標貫擊數1.9～2.9 擊，垂直滲透系數為2.8×10-5cm/s。推薦值見表1。

室內試驗和現場試驗有一定差別，經現場輕型動力觸探，淤泥質粉質粘土夾粉細砂層30 cm觸探擊錘數小于3～4 錘，則承載能力約50kPa。

3 現場試驗成果分析

由于對地基土進行大面積原位改良，在洞庭湖區類似工程和類似土質還未有先例，因此需要事先通過現場試驗來分析改良效果。為滿足在上部結構作用下地基不發生不均勻沉降及滿足施工機械作業要求，經設計確認，改良后地基承載能力應達到120 kPa 以上，現場試驗以此作為控制依據。

現場試驗分兩次進行，第一次利用現場已有的P.O42.5 水泥作為固化劑，分別摻土體天然重度10%和15%的水泥進行試驗，此時土體含水量為32%。試驗結果見下文，通過試驗結果分析，改良5 天后地基承載力已經遠遠超過120 kPa，效果顯著。通過第一次試驗結果分析，認為試驗還有優化空間，因此進行第二次試驗，第二次試驗采用M32.5 水泥作為固化劑，分別摻土體天然重度5%、7%、10%的水泥進行試驗。

3.1 試驗流程

試驗流程如下：①試驗區表面清理攤平—→②攤鋪1/2 水泥量—→③挖機對試驗深度范圍內土體和水泥翻拌均勻（上下翻拌3 次）—→④挖機將水泥土攤平—→⑤攤鋪剩余1/2 水泥量—→⑥重復③④—→⑦輕型觸探試驗。過程見圖1～圖4。

圖1 水泥攤鋪圖

圖2 挖機翻拌

圖3 小孔管涌現象圖

試驗現象：由于含水量高，經上述步驟后水泥土呈流塑狀態，攤平表面有很多像管涌一樣的小孔，水和粉細砂從小孔內汩出來。

表1 地基土物理力學性質推薦值表

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 第一次試驗

摻P.O42.5 水泥作為固化劑，試驗后在不同齡期進行輕型動力觸探，結果見表2，承載力隨齡期增長曲線見圖5。

分析P.O42.5 水泥改良地基的試驗結果可得出以下結論：

表2 摻P.O42.5 水泥改良承載力試驗結果 kPa

圖5 承載力隨齡期增長曲線（P.O42.5 水泥改良）

1）淤泥質粉質粘土夾粉細砂經水泥固化改良后承載力可顯著提高。摻10%水泥28 d 承載力可達到180 kPa，約為原狀土的3.6 倍；摻15%水泥，28 d 承載力可達到216 kPa，約為原狀土的4.3 倍。

2）改良后前5 d 承載力增長率較高，平均增長率達12～14 kPa/d，5 d 后承載力增長趨于平緩，平均增長率為3 kPa/d。

3）承載力增加與水泥摻量不成正比，摻10%水泥最終承載力是摻15%水泥最終承載力的83%。

3.2.2 第二次試驗

摻M32.5 水泥作為固化劑，試驗結果見表3，承載力隨齡期增長曲線見圖6。

表3 摻M32.5 水泥改良承載力試驗結果 kPa

分析以上試驗結果可得出以下結論：

1）和P.O42.5 水泥類似，M32.5 水泥改良也可顯著提高地基土承載力。摻10%水泥28 d 承載力達到132 kPa，約為原狀土的2.6 倍；摻7%水泥，28 d 承載力達到124 kPa，約為原狀土的2.5 倍；摻5%水泥，28 d承載力達到118 kPa，約為原狀土的2.4 倍。

2） 同樣摻10%水泥，與P.O42.5 水泥相比，摻M32.5 改良28 天承載力僅為摻P.O42.5水泥的73%。

圖6 承載力隨齡期增長曲線（M32.5 水泥改良）

3）摻5%水泥，試驗結果較為離散，分析原因：主要是由于水泥摻量少，挖機翻拌難以翻拌均勻，導致同一塊試驗區不同位置承載力差別較大，不均勻。因此實際施工水泥摻量不應小于5%。要滿足設計120 kPa 的要求，考慮一定富余后建議采用摻10%M32.5 水泥進行施工。

3.3 現場施工

根據現場試驗結果，最終經參建各方同意，確定以10%M32.5 水泥摻量進行海漫地基改良，改良深度為1 m。改良前后現場形象對比見圖7 和圖8。

4 經濟效益和工期影響分析

4.1 經濟效益分析

由于本工程海漫地基不能滿足施工和承載力要求，因此對海漫進行地基處理是必須要做的工作。根據洞庭湖區類似工程的經驗，最常利用的處理方案為水泥土攪拌樁，下面對水泥土攪拌樁方案和水泥土改良方案進行成本比較。

海漫總面積為11 000 m2，原地面高程普遍約為28 m，持力層粉質黏土層高程為24.5 m 左右。

方案一：采用水泥土攪拌樁，樁徑D500，樁間距為1 m，樁長為3.5 m，根據閘室主體結構段樁的試驗參數，采用P.O42.5 水泥，摻量為18%。方案一成本費用見表4。

方案二：采用水泥土改良，地基改良深度1 m，采用M32.5 水泥，摻量為10%，挖機臺班生產率為500 m3。方案二成本費用見表5。

圖7 改良之前原狀土

圖8 改良后形象

表4 方案一成本費用

表5 方案二成本費用

方案二比方案一成本費用減少100 萬元，成本節約率為51%，因此采用水泥土改良處理經濟效益顯著。

4.2 工期影響分析

方案一：1 臺樁機1 個臺班最多施工300 m，完成39 200 m 樁的施工，則共需131 臺班。

方案二：1 臺挖機1 個臺班可施工500 m3，完成11 000 m3水泥土改良，則共需22 臺班。

比較方案二和方案一，方案二比方案一可節約111 個臺班，可極大地節約工期。

5 總 結

1）淤泥質粉質粘土夾粉細砂層可通過水泥土原位改良在短期內顯著提高地基承載能力。

2）水泥土改良水泥摻量不應小于5%，否則會由于難以翻拌均勻，導致同一塊試驗區不同位置出現承載力差別較大，地基不均勻的現象。

3）同樣水泥摻量，經M32.5 水泥改良后地基承載力約為P.O42.5 水泥改良后的73%，因此實際施工時應根據設計要求的地基承載能力值，經經濟效益比較后確定采用P.O42.5 或M32.5水泥。

4）采用水泥土原位改良地基，無論從經濟效益還是工期方面考慮均極大地優于水泥土攪拌樁處理方案，對于淺層地基處理可優先選擇。