周口沙潁河北楊集閘重建工程粉噴樁技術(shù)的應(yīng)用

李梅華

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

1 工程概況

北楊集閘位于周口市沈丘縣新安集沙潁河左岸支流新蔡河入口、沙潁河干流樁號157+150 處。 其主要功能有兩項(xiàng)，一是汛期防止干流洪水倒灌，提高沿岸防洪標(biāo)準(zhǔn)；二是蓄水灌溉，補(bǔ)充地下水。 該閘建于1970 年，為開敞式水閘，共11 孔，孔口尺寸為4.0 m×5.0 m(b×h)。經(jīng)過約40 年的運(yùn)行，北楊集閘損壞嚴(yán)重，運(yùn)行指標(biāo)無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，存在著嚴(yán)重安全隱患，應(yīng)拆除重建。

重建的北楊集排水閘排水面積為1 030 km2， 設(shè)計(jì)流量380 m3/s，除澇水位36.60m，防洪水位40.04 m。它采用帶胸墻的開 敞 式 水 閘，孔 口 尺 寸 為6.0 m×4.4 m（b×h），共9 孔，閘孔凈寬54 m，閘底板頂面高程32.20 m，閘墩頂高程41.54 m。閘墩以上設(shè)工作橋、啟閉機(jī)房。 閘室兩岸設(shè)置橋頭堡，以連接橋與機(jī)房相連。 閘室上游側(cè)設(shè)置交通橋，橋面凈寬6m（與設(shè)計(jì)堤頂同寬），總寬7.0 m。 閘室下游側(cè)設(shè)置一座便橋，寬1.6m。

2 工程地質(zhì)特點(diǎn)及評價(jià)

2.1 工程地質(zhì)特點(diǎn)

場區(qū)地層根據(jù)時(shí)代、成因、巖性及其物理力學(xué)性標(biāo)準(zhǔn)，共劃分為4 個(gè)土體單元，自上到下分別為低液限粉土、低液限黏土、級配不良沙、低液限粉土。

（1）低液限粉土（沙壤土）(Qa14)。 灰色，略有塑性，有搖震反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性低，斷面有黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，土質(zhì)不均多夾低液限黏土或級配不良細(xì)沙，層底高程為25.0～26.6 m。 高程29.21 m 以上是淺黃色，厚度為5～7.9 m，以下是灰色，厚度一般為3.1～6.5 m。

（2）低液限黏土（重粉質(zhì)壤土）(Qal3)。 棕黃色、灰黃色，硬～可塑狀，有光澤反應(yīng)，干強(qiáng)度和韌性高，有鈣質(zhì)結(jié)核。 本層厚度約0.5～1.2 m，在3#孔左右缺失，層底高程23.31～25.28 m。

（3）級配不良沙（細(xì)沙）(Qal3)。 淺黃色，飽和，松～中密，土料主要成分為石英、長石，有搖震反應(yīng)和鐵質(zhì)侵染，土質(zhì)不均，局部為粉土或粉土質(zhì)沙、低液限黏土等。 本層厚度一般為4.0～6.0 m，層底高程為19.2～19.8m。

（4）低液限粉土（沙壤土）(Qal3)。 灰色，飽和，較密實(shí)，有搖震反應(yīng)，多夾極薄層粉質(zhì)黏土，偶夾植物碎屑。 土質(zhì)不均，3#孔附近相變?yōu)榧壟洳涣忌常?xì)沙），沙質(zhì)主要成分為石英、長石，有鐵質(zhì)侵染，土質(zhì)不均，局部為粉土或粉土質(zhì)沙、低液限黏土，揭露厚度為8 m。

2.2 工程地質(zhì)評價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場原位測試和室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，經(jīng)綜合分析、整理，各土體單元力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。 工程區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)低液限黏土，地層分布穩(wěn)定，均為中等壓縮性的中硬土層。

根據(jù)北楊集閘勘探資料，水閘座落在低液限粉土層（沙壤土）上。其地質(zhì)參數(shù)為C=9 kPa、φ=22°，承載力為80 kPa。低液限粉土為該閘基的主要持力層，承載力為80 kPa，而水閘要求地基承載能力為190 kPa， 故需要采取措施對地基進(jìn)行加固處理。

3 粉噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

北楊集排水閘地基加固采用粉噴樁復(fù)合地基方案。 該方案具有加固成本低、樁體強(qiáng)度較高、干法施工、不需排污、無污染、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 粉噴樁復(fù)合地基加固處理范圍為閘室底板及上下游翼墻基礎(chǔ)，并在其范圍以外打兩排保護(hù)樁。

3.1 單樁承載力的確定

單樁承載力Nd的計(jì)算式[1]為

式中：Nd為單樁承載力，kPa；K 為水泥加固土強(qiáng)度折減系 數(shù)， 取0.35；Qu為 水 泥 加 固 土 樁 身 抗 壓 強(qiáng) 度，kPa，取2100；Ap為粉噴樁截面積，m2（樁直徑取0.5m）。

經(jīng)計(jì)算，單樁承載力Nd=137.28kPa

3.2 復(fù)合地基承載力的確定

復(fù)合地基承載力fsp的計(jì)算式[1]為

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical mechanics indexes of every soil layer

式中：fsp為復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值，kPa；β 為樁間土承載力折減系數(shù)， 取0.75；m 為粉噴樁的面積置換率，%，取22.7%；fs為樁間土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，取80。 其他符號同公式（1）。

經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基承載力fsp=205.3 kPa，大于190 kPa，滿足要求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，粉噴樁復(fù)合地基加固的固化材料為強(qiáng)度等級42.5 的水泥，水泥摻入量為15%，面積置換率22.7%，樁徑0.5 m，樁長5.0 m。

4 粉噴樁復(fù)合地基處理工藝及注意事項(xiàng)

4.1 施工工藝

北楊集排水閘地基粉噴樁復(fù)合處理采用“一噴四攪”工藝。 施工前應(yīng)確定樁位并編號，組裝架立噴粉樁機(jī)，檢查主機(jī)及其他各系統(tǒng)工作是否正常。 其流程如下：樁機(jī)就位—開機(jī)鉆進(jìn)到底（噴氣）—反轉(zhuǎn)提升到頂（噴粉）—正轉(zhuǎn)復(fù)攪到底—反轉(zhuǎn)提升到頂（噴氣）—樁機(jī)移位。

（1）樁機(jī)定位、對中。 根據(jù)樁位平面布置圖，放好攪拌樁樁位后，移動攪拌主機(jī)，使之對準(zhǔn)設(shè)計(jì)樁位。 調(diào)整導(dǎo)向架垂直度，采用經(jīng)緯儀或吊線錘，雙向控制導(dǎo)向架垂直度。 按設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，垂直度小于1.0%樁長。

（2）開機(jī)鉆進(jìn)到底。 開動攪拌機(jī)，鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)要求深度時(shí)，停鉆。 鉆速為0.57～0.97 m/min。

（3）反轉(zhuǎn)提升到頂。 鉆桿鉆到設(shè)計(jì)深度后，反向旋轉(zhuǎn)，以0.97 m/min 速度邊攪拌、邊提升鉆頭。 同時(shí)，通過噴粉系統(tǒng)將水泥粉由鉆桿端噴嘴定時(shí)定量向攪動的土體噴粉， 使土體和水泥進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁纬伤?、土的混合體。 提升到超過設(shè)計(jì)高度30～50 cm 后，關(guān)閉水泥發(fā)送裝置，鉆機(jī)原位旋轉(zhuǎn)1 min，然后繼續(xù)提升到地面[2]。

（4）正轉(zhuǎn)復(fù)攪到底。攪拌鉆頭提升至樁頂以上500 mm 高度后，關(guān)閉噴粉系統(tǒng)。 重新啟動攪拌鉆機(jī)，鉆頭正向旋轉(zhuǎn)，重復(fù)攪拌，下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停鉆。下沉速度為0.57～0.97 m/min。

（5）反轉(zhuǎn)提升到頂。 鉆頭復(fù)攪下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，再次反向旋轉(zhuǎn)提升鉆頭，邊提升、邊攪拌，一直提升至地面，進(jìn)行復(fù)攪。

（6）樁機(jī)移位。 施工完一根樁后，移動樁機(jī)至下一根樁位，重復(fù)以上步驟，進(jìn)行下一根樁的施工。

4.2 施工注意事項(xiàng)

（1）在正式施工前，選取一定數(shù)量的樁進(jìn)行試打，從而確定樁機(jī)在本工程地質(zhì)條件下的施工技術(shù)參數(shù) （樁機(jī)鉆進(jìn)速度、提升噴攪速度和復(fù)攪速度、刮灰器轉(zhuǎn)速與噴攪提升速度的配合、空壓機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量等）。

（2）樁體噴粉要求一氣呵成，不得中斷，噴粉壓力控制在500～800 kPa。 當(dāng)噴粉機(jī)在成樁過程中遇故障而停止時(shí)，第二次噴粉成樁的噴粉重疊長度不少于1.0 m[3]。

（3）控制樁位偏差≤50 mm，樁垂直度偏差≤1.5%，樁徑偏差<4%， 樁長偏差<50 mm，1m 水泥噴入量與設(shè)計(jì)值偏差<3%[4]。

（4）采取24h 質(zhì)監(jiān)員跟班檢查服務(wù)，重點(diǎn)檢查每米的噴粉量、樁長、樁位垂直度及樁機(jī)下鉆、上提速度。 此外，采用電子秤（計(jì)量裝置）對每根樁的噴粉量進(jìn)行控制，并每米記錄一次噴粉量，以準(zhǔn)確跟蹤第i 根樁從下到上的質(zhì)量情況。 一旦發(fā)現(xiàn)在某個(gè)深度出現(xiàn)灰量不足或斷灰情況，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行補(bǔ)噴。

（5）若在鉆進(jìn)或噴粉過程中發(fā)生堵鉆頭、堵管或機(jī)械故障，應(yīng)立即停噴提鉆，待處理完畢再進(jìn)行復(fù)鉆、復(fù)噴。

5 結(jié)語

北楊集排水閘地基的主要持力層為低液限粉土，承載力僅為80 kPa，小于閘基的壓應(yīng)力。 采用粉噴樁復(fù)合地基方案對其進(jìn)行加固，復(fù)合地基承載力fsp=205.3 kPa，大于要求的地基承載能力190 kPa，滿足該閘對地基的要求。

[1] 龔曉南. 地基處理手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：27-28.

[2] 馮瑞玲， 謝永利. 粉噴樁處理淤泥質(zhì)土及飽和黃土地基的應(yīng)用研究[J]. 公路交通科技，2005（3）:94-95.

[3] 戴詩軍. 水泥粉噴樁在南沙分輸站軟基處理中的應(yīng)用[J].山西建筑，2010（16）：87-88.

[4] 駱銀輝，朱榮華，馬剛，等. 靜壓樁與粉噴樁在復(fù)合地基中的聯(lián)合應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué)，2002（z1）：54-57.