軟土地區(qū)水閘的水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計與應(yīng)用

江 高

(江門市新會區(qū)水利水電勘測設(shè)計有限公司，廣東 江門 529000)

0 引 言

水泥攪拌樁是利用水泥和軟土攪拌強化成具有一定強度和水穩(wěn)性的攪拌柱體[1]，在軟土地基處理實踐中被廣泛應(yīng)用，同時具有施工簡易、經(jīng)濟成本低，成樁質(zhì)量高等優(yōu)點。目前關(guān)于水泥攪拌樁復(fù)合地基的研究主要集中在地基綜合強度指標(biāo)率定[2]、地基承載力分析[3-4]、地基沉降控制效果[5-7]、以及軟土工程中的設(shè)計應(yīng)用[8-9]等方面。

以江門某河流水閘新建工程基礎(chǔ)坐落在淤泥層中，其地基基礎(chǔ)較為軟弱，基礎(chǔ)承載力約為40kPa。為了保證水閘工程能安全運行，對本水閘進行水泥攪拌樁復(fù)合地基基礎(chǔ)處理，旨在提高復(fù)合地基承載力和控制深厚軟土地區(qū)的水閘基礎(chǔ)沉降變形。

1 工程概況

該水閘興建于20世紀(jì)70年代，原設(shè)計6孔總凈寬19m，由于長期受到超重型車輛通過的原因，水閘現(xiàn)狀已出現(xiàn)沉降、變形、閘底板開裂，嚴重影響水閘的正常運行和當(dāng)?shù)厝嗣裆敭a(chǎn)的安全。本工程新建閘址位于河口處，水閘主要擔(dān)負司前鎮(zhèn)防洪(潮)、排澇功能，兼負引水灌溉任務(wù)和交通要求。

水閘采用開敞式整體閘室結(jié)構(gòu)，水閘共設(shè)3孔，單孔凈寬8m，根據(jù)平均河底高程及業(yè)主多年運行管理經(jīng)驗確定水閘底板高程為-2.30m并與該區(qū)前湖海堤達標(biāo)加固工程(司前段)相連接，考慮基礎(chǔ)沉降因素影響，綜合確定閘頂高程為3.60m，防浪墻頂高程為4.60m。交通橋凈寬7m。工程新建配套水閘左右岸連接堤450m，堤頂高程3.40m，堤頂凈寬≥7m，臨江側(cè)設(shè)防浪墻，墻頂高程4.40m，新建交通道路70m，凈寬5m，堤頂高程3.40m；為加強對該水閘的管理，同時考慮防汛物資的儲備，本項目在水閘東南側(cè)新建管理房一座，占地面積204m2，以滿足日常管理的需要。

2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

勘察場地屬河流沖淤積地貌類型，場地東側(cè)為河流，南、西側(cè)為河流，北側(cè)為魚塘。

2.2 巖土特征

場地在鉆探深度范圍內(nèi)揭露上部土層為第四系堆積土、沖(淤)積土，下伏基巖為第三系泥質(zhì)粉砂巖。其中第四系地層自上而下分為①粉質(zhì)黏土(Qpd)、②淤泥(Qmc)、③粗砂(Qal)，水閘新建工程基礎(chǔ)坐落在淤泥層中，層厚15.40-16.10m，呈流塑狀態(tài)，屬高壓縮性、高靈敏度土，土質(zhì)極差。進行4次原位標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，N'=3-4擊，N=2-3擊(N'、N分別為桿長修正前、后的錘擊數(shù))，fak=40kPa。

2.3 水文地質(zhì)條件

場地地下水埋藏較淺，地下水穩(wěn)定水位分別為1.50m。場地內(nèi)①層粉質(zhì)黏土主要含地表滯水，②層淤泥主要含結(jié)合水，③層粗砂為場地的主要含水層，含豐富的孔隙水，具承壓性，透水性強；④層強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖主要含裂隙水。

地環(huán)境類型屬Ⅱ類。根據(jù)本地區(qū)的1組水樣水質(zhì)分析資料，其結(jié)果顯示：地下水類型為Ca2+、Mg2+—HCO3-、Cl-、SO42-型。PH值為6.51(中性水)，Mg2+含量為7.82mg/L，HCO3-含量89.36mg/L，總硬度(以CaCO3計)含量為88.51mg/L(微硬水)，侵蝕性CO2含量為18.89mg/L，礦化度含量為109.19mg/L(淡水)，地下水對基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕等級為微腐蝕；Cl-含量為24.86mg/L，SO42-含量為9.27mg/L，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)腐蝕等級為微腐蝕。

2.4 場地土的類型及建筑抗震

場地覆蓋層的厚度為22.60～23.60m，土層主要為軟塑-可塑的粉質(zhì)黏土、流塑的淤泥、中密的粗砂；根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)表4.1.3和表4.1.6對照，綜合評定場地土的類型為軟弱土，建筑場地類別為Ⅲ類。本場地抗震設(shè)防烈度為7度；設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計地震特征周期值為0.45s。場地內(nèi)③層粗砂，呈中密狀態(tài)，其標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)(未經(jīng)桿長校正)N'大于液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值Ncr，為不液化土。

3 水閘復(fù)合地基設(shè)計

工程基礎(chǔ)坐落在淤泥層中，故對水閘地基的穩(wěn)定性和基底應(yīng)力進行復(fù)核，以對復(fù)合地基處理進行研判。

3.1 閘底穩(wěn)定性及應(yīng)力計算復(fù)核

按照《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)，根據(jù)河流水閘的實際運行情況，采用不同荷載組合，進行抗滑穩(wěn)定計算、閘室基底應(yīng)力計算。水閘應(yīng)力穩(wěn)定計算工況及荷載組合表，見表1。

表1 水閘應(yīng)力穩(wěn)定計算工況及荷載組合表

其中抗滑穩(wěn)定采用以下公式計算：

(1)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于閘室上全部豎向荷載；∑H為作用于閘室上全部水平向荷載；f為閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，參考《水閘設(shè)計規(guī)范》表7.3.10，取0.20。

閘室基底應(yīng)力計算公式采用：

(2)

水閘斷面，見圖1。

水閘穩(wěn)定計算成果表，見表2。

表2 水閘穩(wěn)定計算成果表

由表2可知，水閘在各種荷載組合工況下均滿足抗滑穩(wěn)定要求，基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范允許值要求，最大基底平均應(yīng)力53.32kPa，不滿足地基承載力(40kPa)要求，最大基底應(yīng)力54.30kPa不滿足1.2倍地基承載力(48kPa)要求。所以需對本工程進行基礎(chǔ)處理。

3.2 地基處理方案

根據(jù)前一節(jié)計算成果，為了保證水閘工程能安全運行，考慮對本水閘進行基礎(chǔ)處理，處理方法采用水泥攪拌樁處理方式，樁徑0.5m，單樁長12.3m，間距1.2m×1.2m，根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計，攪拌樁覆蓋面積1600m2，合計1123根，樁頂高程-3.20m。水閘基礎(chǔ)設(shè)計斷面圖，見圖2。

3.3 樁基設(shè)計計算

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)，增強體單樁豎向承載力特征值Ra采用以下公式進行計算：

(3)

式中：qsi為第i土層樁側(cè)摩阻力特征值；淤泥層qs1=4kPa；淤泥層qs2=35kPa；qp為樁端持力層端阻力特征值；u為樁身截面周長；Li為攪拌樁在第i土層中的長度。

水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值fspk采用以下公式：

(4)

式中：Ap為樁身截面面積；α為樁間土承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6。

水泥土攪拌樁設(shè)計參數(shù)表，見表3。

表3 水泥土攪拌樁設(shè)計參數(shù)表

根據(jù)上述計算可知復(fù)合地基承載力特征值fspk=72kPa，最大基底平均應(yīng)力53.32Pa滿足地基承載力(72kPa)要求，最大基底應(yīng)力54.30kPa滿足1.2倍地基承載力(86.4kPa)要求，故攪拌樁基礎(chǔ)設(shè)計基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3.4 地基沉降計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265-2001)，水閘土質(zhì)地基沉降可只計算最終沉降量，并應(yīng)選擇有代表性的計算點進行計算，水閘結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆整體式混凝土結(jié)構(gòu)，本次計算選擇水閘內(nèi)外涌底板底中心點為計算點，水閘土質(zhì)地基最終沉降量的計算公式為：

(5)

式中：S為最終沉降量，mm；n為壓縮層范圍內(nèi)的土層數(shù)；e1i為第i土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度，mm；m為地基沉降量修正系數(shù)，可采用1.0～1.6，本項目取1.3。

經(jīng)計算水閘臨江側(cè)計算點最終沉降量0.278m，內(nèi)涌側(cè)計算點最終沉降量0.277m，為減少基礎(chǔ)沉降對工程帶來的不利影響，本工程水閘設(shè)計預(yù)留沉降量0.2m，即取閘頂高程3.60m。水閘地基沉降計算表，見表4。

表4 水閘地基沉降計算表

續(xù)表4 水閘地基沉降計算表

4 復(fù)合地基試樁試驗

水泥攪拌樁一般分為粉噴(干法)和漿噴(濕法)兩種，在珠三角地區(qū)特別是在中山市的水泥攪拌樁應(yīng)用過程中，工程實踐表明干法加固的地基存在施工質(zhì)量波動較大的問題，容易產(chǎn)生水泥干粉攪拌不均勻，水泥土強度不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)斷樁現(xiàn)象。嚴重影響單樁的整體承載力和整個復(fù)合的地基承載力。所以現(xiàn)階段很多工程的地基加固處理方式采用濕法(漿噴法)施工。

工程試驗樁數(shù)量為3根，試驗樁位置見試驗樁平面布置圖。根據(jù)珠三角地區(qū)水泥攪拌樁粉噴(干法)和漿噴(濕法)施工的成樁質(zhì)量的經(jīng)驗，和《廣東省地基處理技術(shù)規(guī)范》(DBJ 15-38-2005)規(guī)定，綜合考慮決定試驗樁采用漿噴(濕法)施工，采用4攪2噴。

結(jié)合水閘工程的實際情況，3根試驗樁的樁徑按原設(shè)計，樁長按原設(shè)計樁端底部高程控制，試驗樁樁頂高程定為0.5m，樁端底部高程為-15.5m(淤泥和粗砂分界面的平均高程為-15.0m，樁底部伸進粗砂層0.5m)，則試驗樁樁長為16.0m。成樁后應(yīng)將樁頂部在施工平臺素填土中的0.5m樁頭截除，實際樁長為15.5m。按以上要求，水泥摻量3根樁分別取50kg/m，60kg/m，70kg/m進行試驗。水泥摻入比分別為14.5%～15.5%、17.3%～18.4%、20.1%～21.3%。試驗樁平面布置圖，見圖3。

4.1 試樁目的和試驗要求

對水閘工程，試樁試驗應(yīng)達到3個目的：

1)取得水泥土抗壓強度的現(xiàn)場試驗值。

2)復(fù)核單樁承載力特征值是否滿足設(shè)計要求。

3)抽芯試驗測定試驗樁的完整性。

從而確保水泥土抗壓強度現(xiàn)場試驗值和單樁承載力特征值試驗值的確鑿可靠。以上3點也是本次試樁試驗成果要求的主要內(nèi)容。

采用鉆芯法對本次3根試驗樁應(yīng)全部進行抽芯試驗。試樁單位應(yīng)提供的具體結(jié)論內(nèi)容，包括：①檢驗拌和體的深度、檢測樁長是否滿足設(shè)計要求；②檢測樁身水泥土的強度；③檢測樁身的成樁均勻性和搭接情況，判定樁身的完整性；④檢測樁底端的著底情況。

根據(jù)規(guī)范要求，試驗樁應(yīng)進行水泥土抗壓強度試驗。對每根樁抽取上部、中部、下部各3個芯樣，本次3根試驗樁共9個芯樣，應(yīng)進行室內(nèi)抗壓強度試驗。選取3個芯樣的平均水泥土抗壓強度試驗值最接近設(shè)計值fcu(1.56MPa)的單樁，進行單樁豎向承載力試驗。采用豎向抗壓靜載試驗的方法，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2003)要求，試驗用最大載荷量為單樁或復(fù)合地基設(shè)計荷載的2倍。

4.2 試樁結(jié)果及分析

通過鉆孔取芯獲取全水泥攪拌樁樁長范圍內(nèi)的芯樣，評價水泥攪拌樁的連續(xù)性和攪拌均勻性，對截取的芯樣進行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，推算指定28d齡期樁體強度是否滿足設(shè)計要求。水泥攪拌樁鉆芯檢測情況表，見表5。

由表5可知，水泥攪拌樁28d無側(cè)限抗壓強度在1.54～1.95MPa之間，3根試驗樁共9個芯樣1#-9#試樁均滿足設(shè)計要求，而且水泥摻量越高，水泥攪拌樁的無側(cè)限抗壓強度越高。

表5 水泥攪拌樁鉆芯檢測情況表

水泥攪拌樁鉆芯檢測情況表，見表6。

表6 水泥攪拌樁鉆芯檢測情況表

通過水泥攪拌樁單樁豎向靜載抗壓試驗，試驗樁的抗壓承載力檢測值分別為85kN、97kN、102kN，均滿足設(shè)計要求，同時在水泥摻入比越高的情況下，水泥攪拌樁單樁豎向抗壓承載力越高。

5 結(jié) 論

文章以江門某水閘新建工程為研究背景，針對基礎(chǔ)坐落在深厚淤泥層中，地基基礎(chǔ)軟弱，基礎(chǔ)承載力低的情況，采取水泥攪拌樁復(fù)合地基基礎(chǔ)處理。結(jié)果顯示，在未進行地基處理前水閘在各種荷載組合工況下均滿足抗滑穩(wěn)定要求，基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范允許值要求，最大基底平均應(yīng)力和最大基底應(yīng)力不滿足規(guī)范要求。采用樁徑0.5m，單樁長12.3m，間距1.2m×1.2m的水泥攪拌樁處理后，復(fù)合地基承載力特征值fspk=72kPa，最大基底應(yīng)力54.30kPa，攪拌樁基礎(chǔ)設(shè)計基底應(yīng)力及不均勻系數(shù)滿足規(guī)范要求。

后續(xù)選用3根工程樁進行試樁試驗，結(jié)果顯示，水泥攪拌樁28d無側(cè)限抗壓強度在1.54-1.95MPa之間，樁的抗壓承載力檢測值分別為85kN、97kN、102kN，均滿足設(shè)計要求，同時水泥摻入比越高，試驗樁芯樣無側(cè)限抗壓強度和單樁抗壓承載力越高。

本次針對該軟土地區(qū)水閘地基進行水泥攪拌樁的地基設(shè)計和試樁試驗研究，研究顯示進行水泥攪拌樁處理后地基承載力有顯著提升，可為質(zhì)量評定提供參考，后續(xù)試樁檢測應(yīng)補充樁體攪拌均勻性和樁身長度等檢測以研判合理性。