振沖碎石樁復合地基處理技術在某水閘加固設計中的應用

李書博

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司沈陽分公司，遼寧 沈陽 110003)

復合地基是指在地基處理過程中，加固或更換自然地基中的部分土壤，或在天然基礎上安裝加固材料，加固區(qū)由天然地基土或改良天然地基土及加固材料組成。由天然地基土或改進的天然地基土和增強體承擔負載。對于欠固結土、濕陷性黃土、液化土等特殊土體，必須選擇適當?shù)募庸淌┕すに嚒Ｒ源藖硐饭探Y、濕陷性和液化現(xiàn)象，形成復合地基。

振沖碎石樁采用的是振動水沖法的施工工藝，用碎石樁取代原有的地基土，使砂礫體對原有地基土起到加固作用。在由石頭制成的樁基礎上，樁和原始土壤形成復合地基，提高基礎承載力。目標是減少地基的壓縮性，消除液化的破壞。

1 概況

遼陽縣墻縫大閘建成于1978年，為涵洞式水閘，屬穿堤建筑物。工程位于渾河左岸大堤上，防洪標準50a一遇，由進水段、涵閘體和出水段3個部分組成，總長度為125.30m。原來的建筑項目三級水平，和工程Ⅲ類水平。該閘門設計排澇流量為110.00m3/s，標準為20a一遇。工程至今已運行近40a，水閘金屬結構老化嚴重從而導致水閘的安全及功能下降。由于長期缺乏穩(wěn)定投入機制，墻縫大閘的運行管理及工程維修養(yǎng)護費用嚴重不足，難以進行必要的維修工作，水閘操作、觀察等設施相對較陳舊，管理模式相對滯后，嚴重制約了水閘的日常管理，根據(jù)安全評價，水閘為Ⅳ類，需拆除重建。

墻縫大閘除險加固工程在原址進行拆除重建，設計閘體全長161.10m，閘室總寬15.90m，每孔過水尺寸為3.0m×3.0m，在閘室內(nèi)設檢修工作橋、排架及啟閉平臺。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察報告對閘址地基描述，該工程基礎共分為6層，其中②層粉質(zhì)黏土呈軟塑性-流體塑性狀態(tài)。當壓縮率高時，承載能力的特征值為80kPa。當承載能力較低，穩(wěn)定性差，可能會產(chǎn)生不均勻沉降，該層基礎地面與閘基土間摩擦系數(shù)建議值為0.21；③層細砂層呈松散狀態(tài)承載力特征值為90kPa，承載能力較低，穩(wěn)定性差，在7度地震烈度下將發(fā)生輕微—中等液化。④層細砂層呈稍—中密狀態(tài)，其承載能力特征值為140kPa，承載能力相對較高，透水性適中，存在滲漏和滲流穩(wěn)定性問題；⑤層細砂層呈中—密實狀態(tài)，其承載能力特征值為200kPa，具有相對較高的承載能力，透水性適中，存在滲漏和滲流穩(wěn)定性問題；⑥層粉質(zhì)黏土層為塑性狀態(tài)，壓縮性適中，其承載能力特征值為180kPa，具有相對較高的承載能力，穩(wěn)定性好，透水性微小，滲漏穩(wěn)定性問題不嚴重;⑦層細砂層呈密實狀態(tài)，環(huán)承載能力特征值為230kPa，具有相對較高的承載能力，滲透率中等，存在滲漏和滲流穩(wěn)定性問題；閘基主要受力層②層粉質(zhì)黏土及③層細砂層承載力偏低，為主要軟弱下臥層，有可能出現(xiàn)不均勻沉降。為了防止在地震液化和基礎的不均勻沉降，提高承載力的基礎上，同時為避免閘室、涵洞及進出口翼墻產(chǎn)生滑移破壞，擬對閘室、涵洞及進出口翼墻地基進行基礎處理，以滿足建筑物對地基的要求。

3 地基處理設計方案比選

根據(jù)遼寧省已建成的大中型水閘樞紐工程成功案例，軟基處理常用的方式有振沖碎石樁及鋼筋混凝土灌注樁2種處理方式[1]，處理部位為閘室、涵洞及進出口翼墻處地基。

根據(jù)本工程地質(zhì)資料，閘下基礎各層巖土的分區(qū)及阻力標準值見表1。

表1 閘基各土層樁基參數(shù)一覽表

3.1 鋼筋混凝土灌注樁處理方案

3.1.1鋼筋混凝土灌注樁處理原理

鋼筋混凝土現(xiàn)澆樁是一種承重層，通過樁將結構的全部荷載傳遞到基礎下部，確保結構的安全性和穩(wěn)定性，該方案的使用可以有效地提高地基承載能力[2]，并且對降低地基沉降具有顯著的效果[3]。樁基礎采用泥漿護壁灌注樁，樁身直徑d=0.80m。不考慮樁間土的影響，樁基應充分承受上部荷載，其計算公式為：

荷載效應標準組合：

(1)

地震作用和荷載效應標準組合：

(2)

單樁豎向承載力特征值Ra計算公式：

(3)

單樁極限承載力標準值計算公式為：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(4)

式中，NEk—在地震效應和荷載效應的標準組合下，基樁或復合基樁的平均豎向力;G—底板底部上方的垂直荷載，kN；n—樁基礎中的樁數(shù);Rα—基礎樁的豎向承載力特征值;K—安全系數(shù)，K=2;Quk—單樁垂直極限承載力的標準值；Qsk—總極限側阻力的標準值；Qpk—端阻力的標準值[4]；u—樁周長，m;qsik—估算樁身周圍第i層土的極限側阻力；li—樁身周圍第i層土的厚度，m;qpk—極限端阻力的標準值；Ap—樁端截面面積，m2。

3.1.2地基處理計算結果

(1)閘室地基處理計算結果。根據(jù)閘室地基地質(zhì)情況，分別擬定⑤層細砂層和⑦層細砂層作為樁端持力層，進入承重層的深度應不小于樁徑的2～3倍，樁徑為0.8m。閘底板尺寸為15.9m×12.0m。經(jīng)計算，水閘底板下方灌注樁矩形布置，樁徑0.8m，樁長30m，樁縱橫向間距均為2.4m，樁數(shù)33根。

(2)進出口翼墻地基處理計算結果。根據(jù)進出口翼墻地基地質(zhì)情況，擬定⑦層樁端采用細砂層作為承載層，進入承載層的深度不應小于樁身直徑的2～3倍。樁徑為0.8m。選取消力池單塊翼墻5.6m×10.0m作為典型設計。經(jīng)計算，消力池翼墻單塊5.6m×10.0m下方灌注樁矩形布置，樁徑0.8m，樁長6.5m，樁縱橫向間距均為2.4m，樁數(shù)58根。進口翼墻下方灌注樁參照消力池設計，矩形布置，樁徑0.8m，樁長6.5m，樁縱橫向間距均為2.4m，樁數(shù)28根。

(3)涵洞段地基處理結果。根據(jù)涵洞地基地質(zhì)情況，擬定⑦層樁端采用細砂層作為承載層，進入承載層的深度不應小于樁身直徑的2～3倍，樁徑為0.8m。選取上方覆土厚的中間一段涵洞作為典型設計。經(jīng)計算，涵洞基礎灌注樁矩形布置，樁徑0.8m，樁長30m，樁縱橫向間距均為2.4m，樁數(shù)86根。綜上計算內(nèi)容，鋼筋混凝土現(xiàn)澆樁基礎處理，樁總長度4129m，投資估算460萬元。

3.2 振沖碎石樁處理方案

根據(jù)基礎面承載力要求，本工程設計主要技術重點是減小地基沉降量、處理地基③層細砂液化層。

3.2.1復合地基處理計算結果

計算公式如下：

fspk=[1+m(n-1)]fsk

(5)

(6)

de=1.05s

(7)

式中,fspk—復合地基的承載力，kPa；fsk—樁間土承載力，kPa；n—復合地基裝土應力比(計算取3)；m—復合地基面積置換率；d—樁身平均直徑，m；de—一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m；s—樁間橫縱間距，m，取1.8m。

經(jīng)計算，復合地基處理后承載力特征值為124.79kPa，根據(jù)閘體各部位穩(wěn)定計算結果，平均應力均小于124.79kPa，計算最大應力均小于124.79×1.2=149.75kPa，滿足結構對地基處理的要求。整個閘體共布置振沖碎石樁871根，樁長7m，投資估算為148.80萬元。

3.2.2基礎處理后液化判別計算結果

基礎處理后液化判別計算公式為

N1=Np+100ρ(1-e-0.3Np)

(8)

(9)

式中，N1—打樁后的標準貫入錘擊數(shù)；ρ—打入式預制樁的面積置換率；NP—根據(jù)地勘結果，打樁前的標準貫入錘擊數(shù)為6.5；Ncr—液化標準貫入擊錘數(shù)的臨界值;N0—液化標準貫入錘擊數(shù)的基準值；ds—根據(jù)地勘結果，飽和土標準貫入點深度為11.22m；dw—根據(jù)地勘結果，地下水位為0.3m；ρc—黏粒含量百分率，本次計算取3；β—設計地震第一、二及三組的調(diào)整系數(shù)分別0.8，0.95和1.05。

復合地基處理后，計算結果詳見表2。在地面下20m深度范圍內(nèi)，計算結果詳見表3。

表2 樁間土標準貫入錘擊數(shù)計算成果

表3 液化判別標準貫入錘擊數(shù)臨界值計算成果

根據(jù)表2—3的計算結果，可判定本次復合地基處理后滿足結構對地基不液化的需要。[5-7]

3.2.3基礎處理后沉降計算結果

本次復合地基沉降采用理正巖土5.11版軟件計算，結果見表4。

表4 地基沉降計算結果 單位：mm

從上述的計算結果可以得出：閘室部位沉降量為25.21mm，小于規(guī)范允許值150mm，滿足要求。

3.3 施工難易程度比較

混凝土灌注樁施工主要流程為:施工工序為平整場地→樁位放樣→埋設護筒→鉆機就位→鉆進;⑥清孔→安設鋼筋籠→安設導管→灌注水下混凝土→混凝土養(yǎng)生→拔除護筒→鉆機移位→破樁頭→基樁聲測。

振沖碎石樁：振沖碎石樁一般采用“由內(nèi)向外”的施工順序[8]，或“從一側到另一側”的施工順序[9]。施工流程如下：造孔→清孔→振沖密實→樁體頂部處理。

從上述施工流程的對比以及實際操作效果來看，振沖碎石樁施工難易程度遠小于鉆孔灌注樁施工。

3.4 比選結果

根據(jù)上述分析，對于遼陽縣墻縫大閘除險加固工程中地基處理部分，混凝土灌注樁與振沖碎石樁均能達到提高閘室、涵洞及進出口翼墻部位基礎承載力、消除地基地震液化破環(huán)的設計目的；從經(jīng)濟角度分析，振沖碎石樁設計方案遠比混凝土灌注樁經(jīng)濟，節(jié)約了鋼筋、水泥等建筑材料，節(jié)約投資67.7%；從施工難易程度上，振沖碎石樁也要比混凝土灌注樁易于施工[10]。綜上分析，本次遼陽縣墻縫大閘除險加固工程中地基處理采用振沖碎石樁處理方法。

4 結語

本次遼陽縣墻縫大閘除險加固工程中地基處理采用振沖碎石樁處理方法，合理科學且經(jīng)濟實用，不僅提高了地基承載力，而且消除了地基地震液化的可能性。還滿足基礎沉降要求，因地制宜，費用低廉，得到省內(nèi)專家好評，為下一步工程實施打下堅實基礎，提供了經(jīng)濟合理的理論依據(jù)。