水利工程中復合地基在軟弱地基中的應用

楊飛鵬

（西安市水利規劃勘測設計院,陜西 西安 710054）

1 引言

水利工程是國家民生工程,是關系到人民生命財產安全的重要工程。通常情況下,水工建筑物建在環境惡劣、位置較偏遠的河流地帶,受工程地質和水文影響較大。尤其是遇到不良、較差的地質條件,對建筑物的基礎處理提出了更高的要求,需滿足地基承載力、控制沉降量、降低滲透量等相關要求。因此,為了提高其地基承載力、改善其變形性能和滲透性能等,需對地基進行處理,使其處理后滿足設計要求,因此地基處理是一項非常重要的工程內容,并且要做到安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量、保護環境。

2 地基處理常用方法

近年來,隨著越來越多的水工建筑物建在地質條件較差的軟弱基礎上,軟基地基處理技術也越來越成熟,不同的地基處理技術應用于廣泛的工程當中。同時也出現了更多新的地基處理技術,其中復合地基加固技術取得了顯著的成效。

表1 地基處理常用方法匯總表

復合地基就是部分土體被增強或被置換,形成由地基土和豎向增強體共同承擔荷載的人工地基。復合地基的概念最早是由日本學者在20 世紀60 年代初提出來的,當時指砂井地基計算的數學模型,伴隨著在國內外實際工程中的廣泛應用,已發展至今天較為成熟的地基處理技術。常見的復合地基方式有：砂石樁復合地基、水泥粉煤灰碎石樁復合地基、夯實水泥土樁復合地基、水泥土攪拌樁復合地基、旋噴樁復合地基、多樁型復合地基等方式。

3 研究依托項目工程

本次研究項目依托西安市渭河以北清河流域上某工程,主要工程內容為修建一座攔河壩,壩長102 m,壩高2.5 m,主要建筑物有攔河壩鋪蓋、壩座、消力池、海漫、拋石防沖槽、擋土墻等,攔河壩工程等別為Ⅴ等小（2）型,攔河壩建筑物級別為5 級,防洪標準確定為20 年一遇洪水,相應洪水洪峰流量為324 m3/s。根據攔河壩壩基及建筑物荷載計算確定,攔河壩壩基及消力池基礎地基承載力為140 kPa。

3.1 水文地質概況

3.1.1 水文情況

清河流域屬暖溫帶大陸性季風氣候區,四季分明,夏季炎熱、多雨,冬季寒冷干燥。工程區氣象特性借用三原縣氣象站實測資料說明,多年平均氣溫13.2℃,極端最高41.6℃,極端最低-20.8℃；多年平均降水量536.6 mm,最大降水829.7 mm,最小365.3 mm。降水主要集中在夏季,5月～8月降水量占全年降水量的52%；多年最大風速13.4 m/s,多年平均年最高氣壓994.3 hPa,相對濕度70%,最大凍土深度0.16 m,平均冰凍時間94.8 d。

3.1.2 地質概況

工程區地貌單元為清河一級階地及河漫灘,兩側為黃土塬地貌。河流斷面呈平緩“U”字型。河流主流沿壩址中部流過,河道內河槽與河灘分明,河槽較窄,寬度10.0 m左右,河床地面高程367.00 m～370.40 m,河床比降6.3‰,清河流向由西北往東南方向。

壩址區地下水水位埋深為0 m～5.2 m,在20.0 m范圍內有飽和砂土及粉土層分布,依據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）,勘察區地震基本烈度為Ⅷ度,場地地基土屬中軟土,場地類別為Ⅱ類,壩基土均處于水位以下,屬飽和砂土,為易液化地基。

壩基場地位于清河河漫灘與一級階地,壩基土由②層粉質粘土、③層粉質粘土、③1粉土、④層黃土組成。③1粉土分布于河漫灘下部,呈密實狀態,可作為攔河壩的天然地基持力層。④層黃土分布于左右壩肩,可作為攔河壩的天然地基持力層。②層粉質粘土、③層粉質粘土分布于河漫灘、河床地段。

攔河壩壩基土主要由粉質粘土、黃土組成,壩基土土層分布連續、厚度較均一,且厚度遠大于壩體高度,同時粉質粘土層結構層面基本于地平面平行,②層粉質粘土、③粉質粘土呈軟塑狀態,存在軟弱下臥層。壩基抗滑穩定性差,需對地基基礎進行加固處理。

圖1 處理前壩基土層現狀圖

3.2 施工條件

地基處理施工期間,工程區河道流域降雨頻繁,降雨量較往年大幅增加。同時上游水庫不間斷泄洪,上游圍堰水位持續抬升,壩址處地下水位明顯偏高。加上壩基位于某水庫庫尾新沉積的弱透水性飽和性粉質粘土之中,含水率較勘察期明顯增大,施工現場降水效果較差,施工環境比較差。給工程施工造成了一定的困難,工程安全也有一定的隱患。因此要選擇利于施工的地基處理方案,并且需要格外注重地基處理的效果。

3.3 施工概況

攔河壩壩基及消力池基礎地基承載力為140 kPa,而由于壩基位于②層粉質粘土層上,地勘報告中承載力標準值僅為80 kPa,經現場實際查勘,②層粉質粘土深8 m～10 m,成軟塑狀,工程性能差,需對其進行處理才能作為攔河壩基礎。

經過多方案比選,采用水泥土攪拌樁和沉管碎石擠密樁的多樁型復合地基方式處理此次軟弱地基。設計水泥土攪拌樁布置方式為矩形布置,樁長為8 m～10 m,設計樁徑為0.5 m,沿水流凈距為1.5 m,垂直水流方向凈距為1.0 m,共1650 根。設計沉管碎石擠密樁布置方式為等腰三角形,腰長（中心到中心）0.625 m,底邊長0.75 m,樁長平均為8 m～10 m,以到持力層為準,共4502 根。

圖2 地基處理布樁平面圖

根據《建筑地基處理規范》（JGJ 79-2012）中7.9 條多樁型復合地基規定,對具有粘接強度的樁和散體材料樁組合形成的復合地基承載力特征值：

式中：m1、m2分別為樁1、樁2的面積置換率；（將具有粘結強度的水泥土攪拌樁作為樁1,將散體材料的沉管碎石擠密樁作為樁2）

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）中知：

式中：d為樁身平均直徑,m；de為根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑,等邊三角形布樁de=1.05s,正方形布樁de=1.13s,矩形布樁；S、S1、S2分別為樁間距、縱向間距和橫向間距（樁與樁中心點距離）。

樁1的面積置換率：矩形布置,S1=1.5 m, S2=1.0 m。

樁2的面積置換率：等腰三角形布置S1=0.75 m, S2=0.625 m,按照等邊三角形計算,選擇較大邊長保守計算,de=1.05s=1.05×0.75=0.79 m

式中：1為為樁1的單樁承載力發揮系數；應由單樁復合地基試驗按等變形準則或多樁復合地基靜載荷試驗確定,有地區經驗時也可按地區經驗確定；設計取0.8；Ra1為樁1的單樁承載力特征值；考慮現狀水泥土攪拌樁成樁效果較差,取檢測結果113 kPa；Ap1為樁1的截面面積；β為僅由散體材料樁加固處理形成的復合地基承載力發揮系數,根據經驗查取相關文獻一般取0.8～1.0,取為0.8；n為僅由散體材料樁加固處理形成的復合地基的樁土應力比；宜采用實測值確定,如無實測資料時,對于黏性土可取2～4,對于砂土、粉土可取1.5～3,本次取為3；fsk為僅由散體材料樁加固處理后樁間土承載力特征值；本次取天然地基承載力特征值（kPa）80kPa。

同時,設置褥墊層厚0.8 m,采用10 mm～80 mm的級配碎石,壓實后相對密度不小于0.7,夯填度不大于0.9。

施工時,先進行水泥土攪拌樁施工,待到樁成型后再進行沉管碎石擠密樁施工,這樣避免破壞水泥土攪拌樁發揮效果。同時,施工沉管碎石擠密樁可有效增加工程區排水效果,減少液化,加速水泥土攪拌樁成樁。

經理論計算,水泥土攪拌樁和沉管碎石擠密樁形成的多樁型復合地基承載力特征值：fspk=165.2 kPa。

根據對攔河壩工程壩基、消力池復合地基檢測,結果顯示,該種布置方式復合地基承載力載荷試驗值達到為160 kPa,與理論計算結果較為符合,滿足要求。

4 結論

（1）地基處理工程施工完成后,持續對壩基進行了近半年的沉降觀測,未發生明顯沉降或裂縫。

（2）攔河壩主體建成后,已經開始蓄水,目前已運行狀況良好,未發生沉降。

（3）本次地基處理加固方案為以后在類似的工程中,提供了重要的參考意義,對周邊同等地質條件下修建攔河壩具有顯著的參考價值。

綜上所述,多樁型復合地基在處理軟弱地基過程中具有顯著的效果, 在水利工程中采用該方式加固地基,既能發揮水泥土攪拌樁提高承載力的作用,又能發揮碎石樁處理液化土層的作用,同時施工進度快,提高了地基穩定性,保證地基處理效果,確保了工程安全。