水泥土攪拌樁復(fù)合地基在東滘水閘軟基設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

戶朝旺, 何國(guó)柱, 遠(yuǎn)艷鑫

(江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 江門529050)

軟土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土。軟土一般具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高和天然強(qiáng)度低等工程特性[1]。在軟土地基上修建建筑物容易引發(fā)地基承載力不足、沉降過大等一系列的工程問題，危及建筑物正常使用。水泥土攪拌樁復(fù)合地基具有施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工效高、加固效果明顯等特點(diǎn)，現(xiàn)已在建筑工程軟土地基加固處理中得到廣泛的應(yīng)用[2]。

水泥土攪拌樁主要使水泥與樁周土一起組成復(fù)合地基，最大限度利用原位地基土，從而提高地基承載力，減少地基沉降。水泥土攪拌樁通常適用于淺層或中厚層軟弱地基，對(duì)于深厚層軟土地基，通常采用剛性樁復(fù)合地基加固。Chai等[3-5]采用數(shù)值分析研究了懸浮型攪拌樁復(fù)合地基加固效果的影響因素，發(fā)現(xiàn)增加攪拌樁面積置換率和樁長(zhǎng)置換率能明顯減少?gòu)?fù)合地基的工后沉降，建議采用雙層固結(jié)理論計(jì)算懸浮型攪拌樁復(fù)合地基固結(jié)度。

水泥土攪拌樁除有較多優(yōu)越性外也存在一些問題，如在施工過程中容易出現(xiàn)水泥含量偏少達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，水泥與土攪拌不均勻?qū)е戮植克喑蓧K或者水泥含量少，強(qiáng)度離散性大[6-7]。此外，地下水和土的礦化度很高，這使得水泥土性能隨時(shí)間衰減很快。Terashi[8]等首次提出了水泥土表層劣化的可能性。陳四利[9]等通過試驗(yàn)探討了各種侵蝕性離子下的水泥土力學(xué)性能，分析了環(huán)境侵蝕下水泥土的破裂行為與機(jī)理。傅小茜[10]等分析了硫酸鹽侵蝕環(huán)境下水泥土力學(xué)性能的劣化機(jī)理。目前，利用有限元、有限差分等理論分析復(fù)合地基承載特性的方法已經(jīng)較為成熟，但是很少考慮咸水等環(huán)境效應(yīng)引起水泥土性能衰變的影響。

珠江三角洲地區(qū)，廣泛分布著以淤泥、粗砂為主的深層沉積土。該區(qū)域地下水和土的礦化度都很高，由此會(huì)引起攪拌樁復(fù)合地基承載性能發(fā)生衰變，產(chǎn)生過大沉降。這將縮短復(fù)合地基實(shí)際短壽命，影響工程質(zhì)量。因此，如何針對(duì)珠江三角洲典型區(qū)域地下水和土的特性，優(yōu)化水泥土攪拌樁，解決承載力、允許沉降量、允許斜度以及基底滲漏等基礎(chǔ)問題，具有較高的理論和實(shí)踐意義。

本文以東滘水閘為例，研究了水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理后的閘室設(shè)計(jì)沉降量和實(shí)測(cè)沉降量之間的差異，驗(yàn)算了不同處理樁長(zhǎng)下的沉降量，提出在保證水閘安全和正常使用的前提下，通過調(diào)整處理樁長(zhǎng)、減小建筑物應(yīng)力、預(yù)留沉降量等工程措施，以期可以進(jìn)一步優(yōu)化水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)，減少工程量，提高經(jīng)濟(jì)效益，縮短施工工期。

1 工程概況

1.1 水閘概況

東滘水閘地處粵西珠江三角洲沖積平原，為東滘河出?？陂]口擋潮閘，主要承擔(dān)擋潮、排澇、通航、納咸任務(wù)。設(shè)計(jì)潮水位2.78 m，30年一遇，以當(dāng)?shù)貧v史最高潮水位(2003年“伊布都”臺(tái)風(fēng)時(shí)最高潮位3.25 m)作為校核潮水位。東滘水閘左岸設(shè)3孔閘室，單孔凈寬8.5 m，閘室順?biāo)飨蜷L(zhǎng)19 m，閘底高程-2.50 m(珠基,以下同)，采用平板鋼閘門控制；右岸設(shè)一通航孔，凈寬8 m，采用人字鋼閘門控制。

1.2 地質(zhì)條件

東滘水閘屬河流堆積地貌，閘基主要為軟土，厚度約 21 m。根據(jù)鉆孔資料，東滘水閘地基土層自上而下分別為：淤泥、粗砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

a) 淤泥:灰黑色、黑色，飽和，流塑。其成份主要為黏粒，富含腐殖質(zhì)、貝殼、鱗片，揭露層厚在19.7～21.30 m之間，頂板高程為-0.3～-0.6 m。密度ρ=0.71 g/cm3，孔隙比e=2.754，含水量W=104.8%，天然快剪凝聚力C=1.35 kPa，內(nèi)摩擦角φ=3.5°，壓縮模量Es1-2=0.92 MPa，承載力特征值僅為40 kPa。

b) 粗砂：灰色、黃色、灰白色，中密狀態(tài)，飽和，其成份主要為石英粗砂，局部含少量礫砂，揭露層厚在5.1～10.70 m之間，頂高程為-20.30～-21.5 m，承載力特征值為180 kPa。

c) 全風(fēng)化花崗巖：暗黃夾白色，稍濕。巖心呈半土狀，其成份主要含大量石英中粗砂，局部殘留中～粗粒花崗結(jié)構(gòu)，揭露層厚在2～4.30 m之間，頂高程為-30.40～-31.70 m。

d) 強(qiáng)風(fēng)化花崗巖：暗黃色，稍濕。屬中粗粒黑云花崗巖，其主要成份為石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、黑云母等，裂隙發(fā)育，為鐵錳質(zhì)充填，巖芯破碎，揭露層厚為6.20 m，頂高程為-33.70 m。

2 地基處理設(shè)計(jì)

2.1 地基處理設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告[11]，閘址處淤泥深度最大為21.3 m，淤泥土層底高程為-21.5 m，淤泥以下為中粗砂層，擬采用水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行地基處理：在閘室、通航孔閘室基礎(chǔ)四周采用單排連體攪拌樁成墻圍封，設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，樁間距0.4 m；其余部位采用格柵狀正方形布樁，設(shè)計(jì)樁徑0.5 m，樁間距1 m，樁長(zhǎng)為18 m，樁頂高程為-3.50 m，樁底高程為-21.50 m，即樁底穿透軟土層進(jìn)入中粗砂層。

水泥攪拌樁固化劑為水泥，采用425標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為65 kg/m，水泥土中摻入0.05%的三乙醇胺，水泥比控制在0.45～0.55之間。

在各構(gòu)筑物上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方面，盡量采用輕型結(jié)構(gòu)：如水閘閘室采用箱涵式結(jié)構(gòu)，通航孔的兩側(cè)導(dǎo)航墻及上、下游連接墻均采用空箱結(jié)構(gòu),閘室填土側(cè)邊墻采用了空箱結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)水閘兩側(cè)引堤一定范圍內(nèi)進(jìn)行了基礎(chǔ)處理。采用這些措施既可以減小各構(gòu)筑物的基底應(yīng)力，又可以控制各構(gòu)筑物的基底應(yīng)力差不至于過大，從而控制各構(gòu)筑物間的沉降差。

2.2 基底應(yīng)力計(jì)算

按照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，根據(jù)水閘的實(shí)際運(yùn)行情況，采用不同荷載組合，對(duì)水閘的閘室基底應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 水閘閘室、通航孔基底應(yīng)力計(jì)算成果

2.3 復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基承載力按照DBJ 15-38—2005《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[13]中水泥土攪拌樁單樁或多樁復(fù)合地基的承載力特征值計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

Ra=ηfcuAp

(3)

式中fspk——復(fù)合地基承載力特征值，154.87 kPa；m——面積置換率，0.196；Ra——單樁豎向承載力特征值， 145.23 kN；Ap——樁的截面積，0.2 m2；fsk——樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值，40 kPa；β——樁間土承載力折減系數(shù)，取0.3；fcu——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d期齡的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，1 470 kPa；η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.3；up——樁的周長(zhǎng)，1.57 m；n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)，1層；qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，5 kPa；li——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，淤泥層18 m；qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，40 kPa；α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.5。

根據(jù)上述公式，對(duì)初擬布樁方案的地基承載力進(jìn)行計(jì)算，單樁豎向承載力Ra=145.23 kN，復(fù)合地基承載力特征值fspk為154.87 kPa。均大于排水擋潮閘和通航孔各工況的基底應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。

2.4 地基沉降計(jì)算

根據(jù)DBJ 15-38—2005《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》和DB 44/T182—2004《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》附錄R,水泥攪拌樁復(fù)合地基變形由兩部分組成：水泥攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形s1與樁端下未加固土層的壓縮變形s2。

其中，水泥攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形s1可按式(4)計(jì)算：

(4)

式中pz——攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值，48.58～82.45 kPa；pzl——攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值，7.08～11.25 kPa；L——樁長(zhǎng)，18 m；本次地基計(jì)算深度綜合考慮附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值小于0.2和閘基壓縮土層厚度等因素確定，本次按水泥攪拌樁樁長(zhǎng)18 m計(jì)算。

Esp為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，按式(5)：

Esp=mEp+(1-m)Es

(5)

式中M——置換率,0.196；EP——攪拌樁的壓縮模量，可取(100～120)fcu，147 000 kPa；Es——樁間土的壓縮模量，取天然土層時(shí)的Es1—2值，920 kPa。

根據(jù)上述公式，對(duì)工程上述布樁方案進(jìn)行水泥攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

由計(jì)算結(jié)果可知，排水擋潮閘和通航孔的總沉降量均小于允許沉降量，沉降傾斜小于允許傾斜，滿足規(guī)范要求。

表2 沉降計(jì)算結(jié)果 m

3 實(shí)測(cè)沉降

東滘水閘于2010年11月開工，2013年3月建成投入使用。2013年3月20日、5月3日、6月6日、7月1日、8月3日、8月23日進(jìn)行了完工后沉降變形觀測(cè)記錄，具體見圖2、表3。從中可知，東滘水閘水泥攪拌樁地基80%沉降發(fā)生在完工后3個(gè)月內(nèi)，之后隨著水閘通水投入使用后，沉降變化較慢，且沉降量較小。

表3 沉降統(tǒng)計(jì) m

4 沉降分析

為了解設(shè)計(jì)沉降與實(shí)際施工后的沉降相互關(guān)系，本次對(duì)設(shè)計(jì)沉降量與實(shí)際沉降量進(jìn)行了比較，具體見表4。從表4可以看出：①除通航孔外海側(cè)右岸實(shí)測(cè)沉降與設(shè)計(jì)沉降差為31%外，其余沉降差均在30%以內(nèi)；②除水閘閘室左岸和通航孔外海側(cè)右岸實(shí)測(cè)沉降量比設(shè)計(jì)沉降量大外，其余均比設(shè)計(jì)沉降量要小?？紤]閘室左岸及通航孔右岸為連接堤，設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)沉降量未考慮連接堤填土荷載的附加應(yīng)力作用，且通航孔右岸外海側(cè)比內(nèi)涌側(cè)填土要高，因此，這三個(gè)部位實(shí)測(cè)沉降量比設(shè)計(jì)沉降量大是合理的；另外，考慮水閘建成后即投入使用，運(yùn)行期間在揚(yáng)壓力的作用下建筑物地基應(yīng)力比完建期小得多，因此，大部分實(shí)測(cè)沉降量比設(shè)計(jì)沉降量小也是合理的；即設(shè)計(jì)沉降量成果基本可信。

表4 設(shè)計(jì)沉降量與實(shí)際沉降量對(duì)比

5 優(yōu)化方案

原設(shè)計(jì)水泥攪拌樁樁長(zhǎng)為18 m，以水泥攪拌樁樁端穿透淤泥層控制，主要出于當(dāng)時(shí)沒有相關(guān)的水泥攪拌樁地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和工后沉降數(shù)據(jù)支撐，因此，基于水閘的重要性和工程安全考慮，為減小沉降量，水泥攪拌樁樁端穿透淤泥層是合適的。

結(jié)合東滘水閘建成后進(jìn)行了多次沉降觀測(cè)，通過對(duì)比設(shè)計(jì)沉降量和實(shí)測(cè)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，除通航孔外海側(cè)右岸實(shí)測(cè)沉降量超出允許沉降量外，其余閘室和通航孔設(shè)計(jì)沉降量與實(shí)測(cè)沉降量基本接近，且相差不大不超過30%，因此，設(shè)計(jì)沉降量基本與實(shí)測(cè)沉降量吻合，設(shè)計(jì)沉降量基本可信。

根據(jù)以上結(jié)論，本方案提出在保證水閘安全和正常使用的基礎(chǔ)上，且在原設(shè)計(jì)樁間距不變的情況下，分別計(jì)算樁長(zhǎng)為10、13、15、18 m時(shí)水泥攪拌樁復(fù)合地基及其下臥層的沉降量，具體見表5。

表5 不同樁長(zhǎng)時(shí)水閘沉降統(tǒng)計(jì) m

表6 不同樁長(zhǎng)時(shí)通航孔沉降統(tǒng)計(jì) m

通過表5、6可知，①不同樁長(zhǎng)下水閘、通航孔復(fù)合地基沉降量均不大，主要沉降量來自下臥層；②隨著樁長(zhǎng)的縮短，下臥層的沉降量較快增大；③根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散原理，附加應(yīng)力隨著地基深度不斷減小，水泥攪拌樁復(fù)合地基超過一定處理深度后，下臥層沉降量影響不大。

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中8.3.6 土質(zhì)地基允許最大沉降量和最大沉降差應(yīng)以保證水閘安全和正常使用為原則，并根據(jù)具體情況確定。天然土質(zhì)地基上水閘最大沉降量不宜超過15 cm，相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm?？紤]到東滘水閘閘室和通航孔地基應(yīng)力相對(duì)較小，且相差不大，一定范圍內(nèi)的整體沉降不會(huì)對(duì)閘室的安全和正常使用產(chǎn)生不利影響。因此，在水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力滿足閘室和通航孔基底應(yīng)力的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)優(yōu)化樁長(zhǎng)，使地基沉降量滿足最大沉降量不宜超過15 cm和相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm要求。通過試算和上述計(jì)算成果可知，當(dāng)樁長(zhǎng)為10 m時(shí)，水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力為92 kPa，大于閘室和通航孔最大基底應(yīng)力82.45 kPa，但是閘室和通航孔的最大沉降量為21.2、26.2 cm，均大于15 cm；當(dāng)樁長(zhǎng)為13 m時(shí)，水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力為105.98 kPa，閘室和通航孔的最大沉降量分別為12.4、14.9 cm，閘室和通航孔上下游最大沉降差1.3 cm，閘室和通航孔最大沉降差為3.2 cm，滿足最大沉降量不宜超過15 cm和相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm的要求。

6 結(jié)論

本文以東滘水閘為例，對(duì)比了水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理后的閘室設(shè)計(jì)沉降量和實(shí)測(cè)沉降量之間的差異，驗(yàn)算分析了不同處理樁長(zhǎng)下的沉降量，并得出以下結(jié)論和建議。

a) 在保證水閘安全和正常使用的前提下，且水泥攪拌樁復(fù)合地基水泥摻量和樁間距不變的情況下，原設(shè)計(jì)水泥攪拌樁樁長(zhǎng)18 m可優(yōu)化為13 m，可減少27.3%水泥攪拌樁的工程量，節(jié)省了投資，還縮短了施工工期，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力滿足建筑物基底應(yīng)力的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)優(yōu)化樁長(zhǎng)，使地基沉降量滿足最大沉降量不宜超過15 cm和相鄰部位的最大沉降差不宜超過5 cm要求是可行的。

b) 根據(jù)設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)計(jì)算的理論最終沉降量，在施工基坑開挖時(shí)可預(yù)留沉降量，這樣既可減少基坑支護(hù)費(fèi)用，又可以減少開挖量；既節(jié)省了投資又減少了時(shí)間。

c) 在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化建筑物結(jié)構(gòu)，盡可能減小地基應(yīng)力以及盡量減小相鄰建筑物的地基應(yīng)力差。