新馮家口閘淤泥質(zhì)軟土地基的處理措施

鄭 穎, 張著彬

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,湖北 武漢 430064)

淤泥類土是在靜水或緩慢的流水(海濱、湖泊、沼澤、河灘)環(huán)境中沉積,經(jīng)生物化學(xué)作用形成的含有較多有機(jī)物、未固結(jié)的飽和軟弱粘性土。其主要特點(diǎn)是孔隙比>1,天然含水率大于液限。根據(jù)孔隙比大小,又可分為淤泥(孔隙比>1.5)和淤泥質(zhì)土(孔隙比1～1.5)[1]。淤泥和淤泥質(zhì)土具有透水性弱、強(qiáng)度低、壓縮性高等特點(diǎn)。其承載力一般<100 kPa,被視為軟弱地基土。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)荷載較大、對(duì)變形要求較高的建筑物,不能利用淤泥類土作為天然地基持力層。但在工程建設(shè)中,受工程地質(zhì)條件、建筑物性質(zhì)及建筑場(chǎng)地等諸多因素限制,建筑物不得不建在淤泥類軟土地基上,這就要求對(duì)軟土地基采取補(bǔ)強(qiáng)處理。本文在對(duì)新馮家口閘軟土地基工程地質(zhì)特性分析及處理措施總結(jié)的基礎(chǔ)上,結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn),對(duì)軟土地基的工程地質(zhì)特性、處理措施以及軟土地基處理過(guò)程中的常見問題進(jìn)行了探討。

1 新馮家口閘工程概況

南水北調(diào)中線從丹江口水庫(kù)調(diào)水,造成漢江中下游水量減少,相應(yīng)的從漢江進(jìn)入東荊河的流量減小,水位降低,影響了東荊河兩岸閘站正常使用。為減小其影響,需在仙桃市的東荊河左堤新建新馮家口閘,以改善通順河—東荊河之間的灌溉條件。

根據(jù)設(shè)計(jì),新馮家口閘為單孔閘,孔口尺寸3 m×4 m,設(shè)計(jì)流量18.0 m3/s,建筑物等級(jí)為Ⅲ級(jí)。閘底板高程20.40 m,建基面高程19.30 m。由進(jìn)水渠、閘室(啟閉機(jī)排架)、箱涵(洞)、翼墻、進(jìn)出水池、沉螺池等建筑物組成。

2 基本地質(zhì)條件

閘址地處仙桃市馮家口鎮(zhèn),新建馮家口閘位于東荊河左堤143+180處,為穿東荊河左堤建筑物。堤頂高程31.74～31.84 m,堤頂寬8.0 m。堤身外平臺(tái)寬約50 m,高程24.29～26.96 m;堤外為寬250 m左右外灘,高程21.40～24.29 m。堤身內(nèi)平臺(tái)寬30～50 m,高程24.01～26.17 m;堤內(nèi)為公路和火腦溝灘地。

閘址地層主要為第四系全新統(tǒng)地層(Q4),地層巖性自上而下依次為:①堤身填土(黃褐色壤土);②-1灰色砂壤土夾薄層粘土或粉砂條帶;②-2黃褐色粘土;②-3褐灰色淤泥質(zhì)粘土;②- 4黃褐色壤土;③-1黃褐色粘土;③-2灰褐色淤泥質(zhì)粘土;④灰黃色壤土;⑤-1灰褐色粉細(xì)砂;⑤-2灰褐色砂壤土;⑥褐灰色粘土。

根據(jù)各土層室內(nèi)土工試驗(yàn)及原位測(cè)試成果統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)綜合取值,各土層物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。

3 閘基軟土的分布特征及工程地質(zhì)特性

3.1 閘基軟土分布特征

根據(jù)鉆探揭示,閘基軟土分布不均,厚度變化較大。根據(jù)其分布位置的差異分為兩層(見圖1):

②-3層,褐灰色,流塑狀態(tài),富含有機(jī)質(zhì),局部含螺殼,有腥味,粘性強(qiáng),為閘及箱涵建基面主要土層,厚0.5～5.1 m,層底高程17.21～22.22 m。

圖1 新馮家口閘剖面圖Fig.1 Profile of Xinfengjiakou gate1.第四系全新統(tǒng)人工堆積;2.第四系全新統(tǒng)湖積堆積;3.第四系全新統(tǒng)沖積堆積;4.粘土夾碎石;5.粘土;6.壤土;7.砂壤土;8.淤泥質(zhì)粘土;9.粉細(xì)砂;10.地層分界線;11.標(biāo)貫擊數(shù);12.原狀樣及編號(hào);13.擾動(dòng)樣及編號(hào);14.地下水位;15.鉆孔編號(hào)鉆孔;17.地層編號(hào);18.孔深—高程。

表1 新馮家口閘各土層物理力學(xué)參數(shù)表Table 1 The physical and mechanical parameter table of each soil layer of Xinfengjiakou gate

③-2層,灰褐色,流塑狀態(tài),土質(zhì)不均,局部夾厚約1.15 m的褐灰色淤泥質(zhì)壤土,富含有機(jī)質(zhì),具腥臭味,呈透鏡層狀分布于外灘,厚0.8～3.0 m,層底高程17.41～19.55 m。

3.2 閘基軟土工程地質(zhì)特性

根據(jù)閘基軟土室內(nèi)土工試驗(yàn)成果(見表1)表明,閘基分布的兩層軟土層物理力學(xué)性質(zhì)大同小異,均具有如下工程地質(zhì)特性。

(1) 高孔隙比:試驗(yàn)成果表明,②-3和③-2兩層淤泥質(zhì)粘土層的孔隙比分別為1.101和1.245,均>1,但<1.5。

(2) 高含水率:試驗(yàn)成果表明,②-3和③-2兩淤泥質(zhì)粘土層的含水率分別為46.1%和63.9%,均大于其液限44.8%和54.4%。

(3) 高壓縮性:試驗(yàn)成果表明,②-3和③-2兩淤泥質(zhì)粘土層的壓縮系數(shù)分別為1.023 MPa-1和0.941 MPa-1,壓縮模量分別為2.55 MPa和2.15 MPa,均具有高壓縮性。

(4) 低強(qiáng)度:試驗(yàn)成果表明,②-3淤泥質(zhì)粘土層的快剪強(qiáng)度為Cq=11 kPa 、φq=6.7°,固結(jié)快剪強(qiáng)度為Ccq=14 kPa、φcq=9.4°;③-2淤泥質(zhì)粘土層的快剪強(qiáng)度為Cq=9 kPa 、φq=5.6°,固結(jié)快剪強(qiáng)度為Ccq=10 kPa、φcq=7.8°。兩層土層的強(qiáng)度均較低。

(5) 低承載力:根據(jù)物理參數(shù)查表及原位測(cè)試成果綜合取值,兩層土層的地基承載力特征值均為60～80 kPa,地基承載力極低,不能滿足上部建筑物對(duì)地基承載力的要求。

(6) 微透水性:試驗(yàn)成果表明,②-3和③-2兩層淤泥質(zhì)粘土層的滲透系數(shù)分別為4.36×10-6cm/s和5.25×10-6cm/s,均具微透水性,不利于土層滲透排水。

4 軟土地基處理方案選擇

根據(jù)設(shè)計(jì),新馮家口閘底板高程20.40 m,建基面高程19.30 m,閘及箱涵等建基面正好坐落在軟土層上。由于軟土層存在均勻性差、壓縮性高、承載力低等特點(diǎn),不能滿足上部建筑物對(duì)地基承載力及變形的要求,因此,需要對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。

對(duì)于軟土地基的處理,常用的方法有換填法、排水固結(jié)法和樁基法等[2]。在本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要針對(duì)上述三種方法從適宜性、時(shí)效性及經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了比較,方案比較見表2。

從表2可以看出,由于新馮家口閘建基面以下淤泥質(zhì)粘土層具有一定埋藏深度和厚度,場(chǎng)地狹窄,地下水埋深淺,土層透水性差,且受堤防及防洪安全等因素影響,對(duì)工期要求高。綜合上述各種因素分析,本工程不適合采用換填法及排水固結(jié)法,適合采用工藝簡(jiǎn)單、進(jìn)度快、效果好的樁基礎(chǔ)法。

表2 軟基處理方案對(duì)照表Table 2 Check list of soft foundation treatment scheme

樁的分類很多,根據(jù)材料可分為木樁、砂石樁、鋼筋混凝土預(yù)制(現(xiàn)澆)樁，灌柱樁和水泥攪拌樁等。木樁由于其耐久性差在民用建筑中已禁止使用;砂石樁主要用于加固較深淤泥類軟土地基,存在工期長(zhǎng)、后期變形大等問題,對(duì)變形要求較高的建筑不宜使用;鋼筋混凝土預(yù)制樁雖具有施工快、效果良好等優(yōu)點(diǎn),但對(duì)施工機(jī)械及場(chǎng)地要求高,對(duì)于處理大面積場(chǎng)地而言比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,但對(duì)于小規(guī)模工地而言,由于一次性投資較高,反而不太經(jīng)濟(jì);灌注樁則存在因樁孔縮徑而導(dǎo)致樁身完整性的問題;水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑的主劑,利用攪拌樁機(jī)將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢?使水泥與土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),使軟土硬結(jié)而提高地基強(qiáng)度,是處理軟土地基的一種行之有效的方法,具有施工方便、工期短、效果好等特點(diǎn)。

新馮家口閘直接與堤身銜接,施工場(chǎng)地受限,且存在軟基土層范圍較小,工程量不大等特點(diǎn),經(jīng)綜合比較,采用了水泥攪拌樁作為本工程軟基處理方案。

5 軟基處理存在的問題及應(yīng)對(duì)措施

5.1 施工工藝選擇

水泥攪拌樁按材料噴射狀態(tài)可分為濕法和干法兩種。濕法以水泥漿為主,其特點(diǎn)是攪拌均勻,易于復(fù)攪,但存在水泥土硬化時(shí)間較長(zhǎng)的問題;干法以水泥干粉為主,其特點(diǎn)是水泥土硬化時(shí)間較短,能提高樁間的強(qiáng)度,但存在攪拌均勻性欠佳,很難全程復(fù)攪的問題[3]。由于本工程地基地層巖性復(fù)雜,考慮到攪拌樁質(zhì)量,選擇了攪拌均勻且易于復(fù)攪的濕法施工工藝。

5.2 水泥攪拌樁的布置

計(jì)算結(jié)果表明,新馮家口閘閘室及箱涵設(shè)計(jì)最大基底應(yīng)力達(dá)182 kPa,遠(yuǎn)大于閘址區(qū)軟土的地基承載力特征值60～80 kPa,同時(shí)也大于下伏各土層的地基承載力特征值。因此需采取水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算,水泥土攪拌樁置換率為20%,攪拌樁間距為1 m,梅花形布置,攪拌深度進(jìn)入④壤土層內(nèi),樁尖底高程為7.7 m。

5.3 存在的問題及應(yīng)對(duì)措施

受地層不均勻性及施工工藝熟練性差等因素影響,施工過(guò)程中主要遇到了樁頂強(qiáng)度低、冒漿和樁體不均勻等問題。其主要原因及應(yīng)對(duì)措施如下。

(1) 樁頂強(qiáng)度低問題。原因分析:由于堤基表面覆蓋壓力較小,在攪拌過(guò)程中,上部土體很難攪拌均勻,導(dǎo)致樁頂成樁難,成樁質(zhì)量差。

應(yīng)對(duì)措施:建基面樁頂以上預(yù)留30～50 cm保護(hù)層;人為增加蓋重;在樁頂以下1 m范圍內(nèi)做好加強(qiáng)段,進(jìn)行一次復(fù)拌加注漿,同時(shí)提高水泥摻量15%。

(2) 冒漿問題。原因分析:在下伏③-1層粘土和④層壤土層中,受土的孔隙比偏小及上覆壓力大等因素影響,土層持漿能力差。而原設(shè)計(jì)攪拌速度和注漿壓力主要針對(duì)軟土層設(shè)計(jì),在原設(shè)計(jì)攪拌速度和注漿壓力下,土層難以吸收原設(shè)計(jì)輸漿量,從而導(dǎo)致冒漿。

應(yīng)對(duì)措施:提高攪拌轉(zhuǎn)速,降低注漿壓力和提升速度,使土與水泥漿充分拌合,從而達(dá)到減少冒漿的目的。

(3) 樁體不均勻問題。原因分析:由于本工程水泥土攪拌樁需要深入④層壤土中,除穿過(guò)淤泥質(zhì)粘土層外,還要穿過(guò)③-1層粘土并進(jìn)入④層壤土,由于各土層物理力學(xué)性質(zhì)的差異及所處深度不同,在相同攪拌速度和注漿壓力下,其持漿量也各有差異。由于在施工過(guò)程中,僅按同一攪拌速度和注漿壓力進(jìn)行施工,從而導(dǎo)致了樁體不均勻問題。

應(yīng)對(duì)措施:針對(duì)不同土層采用不同的攪拌速度和注漿壓力。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,軟土層的攪拌速度為500 r/min,注漿壓力為0.6 MPa,粘土和壤土的攪拌速度為700 r/min,注漿壓力為0.4 MPa。通過(guò)上述方法施工后,樁體均勻,質(zhì)量良好,達(dá)到了預(yù)期效果。

6 成效

通過(guò)對(duì)軟基處理過(guò)程中遇到的問題進(jìn)行及時(shí)分析處理,提高了水泥土攪拌樁的成樁質(zhì)量,有效解決了閘基承載力不足的問題。根據(jù)試樁測(cè)試,經(jīng)水泥攪拌樁處理后的復(fù)合地基承載力達(dá)到190 kPa以上,完全滿足上部建筑物對(duì)地基承載力及變形的要求。該工程于2013年5月建成投入使用,至今未發(fā)生不均勻變形問題,沉降量也在設(shè)計(jì)允許范圍類。充分說(shuō)明,本次地基處理效果良好,可在同類工程中推廣使用。

7 結(jié)語(yǔ)

淤泥類軟土屬特殊類土,具孔隙比大、含水量高、壓縮性高、透水性差和強(qiáng)度低等特點(diǎn)。一般不宜直接作為建筑物的天然地基持力層。如果不得已將建筑物建于軟土層上,多需要采取地基處理。軟土地基的處理方法較多,在選擇處理方案前,必須弄清地基軟土的分布特征及工程地質(zhì)特性,并結(jié)合建筑物規(guī)模及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)合理選擇處理方案。通過(guò)本工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明,采用水泥土攪拌樁處理軟土地基以提高復(fù)合地基承載力是行之有效的辦法,可在類似工程中推廣使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《工程地質(zhì)》手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第四版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50007-2011[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 高謙,羅旭，吳順川,等.現(xiàn)代巖土施工技術(shù)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社,2006.