長(zhǎng)距離引調(diào)水工程軟基分類(lèi)及處理措施
——以鄂北水資源配置工程為例

黃淦成，方 平，陳 梵

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

0 引 言

近年來(lái)，大量的工程實(shí)踐和研究使軟土地基處理得到了迅猛發(fā)展。許多學(xué)者利用沉積環(huán)境和工程特性，對(duì)軟土分類(lèi)開(kāi)展了研究，并取得了一些進(jìn)展：如尹明泉等[1]將魯北平原軟土分為陸相、淺海相及過(guò)渡相3種成因類(lèi)型；符必昌等[2]考慮地質(zhì)環(huán)境因素和物理力學(xué)指標(biāo)，將昆明地區(qū)淺層軟土分為湖相、沼澤相、河灘相等3種大類(lèi)和5種亞類(lèi)；閻長(zhǎng)虹等[3]對(duì)連云港、南京、吳江、盱眙等地開(kāi)展了較系統(tǒng)的研究，將江蘇省域內(nèi)軟土分為4種類(lèi)型。在軟土地基處理上，董亮等[4]探索了較薄軟土地基的特性和高速鐵路的軟土地基處理；張皖湘[5]通過(guò)對(duì)單樁及多樁復(fù)合地基的靜荷載試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究，分析了垂直荷載下樁的持力特性；朱軍等[6]基于 Biot 固結(jié)理論，將地基和天然地基視為復(fù)合土層，研究了復(fù)合地基的沉降變形規(guī)律；張鋼[7]在分析水泥攪拌樁加固機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了考慮群樁效應(yīng)的方法。這些分類(lèi)方法和處理成果多專(zhuān)注于學(xué)術(shù)研究或特例，而對(duì)于兼顧軟土分類(lèi)和處理并有利于工程實(shí)施的方法還需要進(jìn)一步探索。

本文在地質(zhì)素描的基礎(chǔ)上，通過(guò)輕型動(dòng)力觸探、靜力觸探、鉆孔原位試驗(yàn)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果，對(duì)前期勘察階段未揭示的小范圍軟土地基進(jìn)行補(bǔ)充勘察，掌握引水線路沿線軟土地基的分布特征、性狀，并結(jié)合已有的地基優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，分類(lèi)給出軟土地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的地質(zhì)建議，為施工圖階段勘察設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程是從丹江口水庫(kù)清泉溝隧洞進(jìn)口引水，線路全長(zhǎng)269.67 km，沿途穿越老河口市、襄州區(qū)、棗陽(yáng)市、隨州市，終于孝感市大悟縣。引水建筑物主要包括明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽等建筑物形式，其中暗涵、倒虹吸主要分布于棗襄盆地的Q2，Q3，Q4黏土及粉土地層，總長(zhǎng)度107.067 km，占引水線路總長(zhǎng)度的39.7%；沿線穿越的(古)河道、溝渠、堰塘等部位存在湖積、沖湖積成因的淤泥、淤泥質(zhì)土地層，地基承載力較低，大多不能滿(mǎn)足引水建筑物對(duì)地基承載力的要求，需進(jìn)行地基處理。

2 引水線路軟基分類(lèi)

2.1 分布范圍

引水線路主要穿越唐西地區(qū)、唐東地區(qū)、隨州府澴河北區(qū)以及大悟澴水區(qū)。其中唐西、唐東地區(qū)以崗地地貌為主，沿線地層主要為第三系Q2，Q3黏土地層，所屬流域?yàn)闈h江流域；區(qū)內(nèi)支流縱橫交錯(cuò)，較大的支流包括唐河、白河、滾河等，較小的河流有紅腰河、李灣河、熊河、小黃河和黑清河等，在主要河道、堰塘、人工堤基、居民活動(dòng)區(qū)等地分布有第四系湖積、沖湖積黏性土及粉土地層。

引水線路軟基主要分布于唐西地區(qū)、唐東地區(qū)及其交界區(qū)域的夾河套地區(qū)，其中以?shī)A河套地區(qū)沖積、沖湖積地層分布最為廣泛，在唐河、白河左右岸分布長(zhǎng)度2～3 km，在唐東及唐西其他地區(qū)則主要零星分布于河流及溝塘附近。

2.2 成因及特點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，引水線路沿線建筑物所需地基承載力一般應(yīng)不小于100 kPa。該引水線路以長(zhǎng)距離引水建筑物為主，沿線穿越溝塘、河湖，存在較多軟土地基問(wèn)題。為滿(mǎn)足引水建筑物對(duì)地基承載力的要求，需對(duì)沿線含水量大于液限、孔隙比大于1.0的高含水量、高壓縮性軟土地基進(jìn)行處理，使其達(dá)到建筑物設(shè)計(jì)承載力要求。

軟土地基受沉積環(huán)境、氣候條件、地形地貌、地層巖性、人類(lèi)活動(dòng)等不同的因素影響，表現(xiàn)出不同的性狀和特點(diǎn)。引水線路沿線軟土成因及特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 引水線路沿線軟土成因及特點(diǎn)

2.3 軟土地基分類(lèi)

引水線路沿線軟土地基存在排水性差、承載力低、壓縮性強(qiáng)、厚度變化大的特點(diǎn)。根據(jù)沉積時(shí)代、沉積原因及后期活動(dòng)的不同，沿線基坑開(kāi)挖及補(bǔ)充勘察揭示的軟土厚度一般為0.5～10.0 m，承載力特征值為40～100 kPa[8]，壓縮模量為2.0～4.2 MPa。為提供模塊化地質(zhì)邊界條件、縮短施工圖階段補(bǔ)充勘察工作周期、避免延誤總工期，根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范及引水線路沿線軟土地基的成因及特點(diǎn)，將引水線路沿線軟基根據(jù)成因、厚度、承載力進(jìn)行類(lèi)別劃分；以軟基處理?yè)Q填極限厚度3 m(規(guī)范法)及軟、可塑界限承載力特征值80 kPa作為重要影響因素，以軟基成因、降雨、施工期活動(dòng)等作為一般影響因素。引水線路軟基劃分原則見(jiàn)表2。

表2 引水線路沿線軟土地基劃分原則

結(jié)合軟土地基分類(lèi)原則、引水線路沿線軟土地基特點(diǎn)，并考慮引水線路各軟基段區(qū)分度明顯、便于設(shè)計(jì)變更、利于施工等因素，將工程地質(zhì)條件或基礎(chǔ)處理類(lèi)型相似的地段進(jìn)行歸并。引水線路沿線軟土地基可劃分為A，B，C，D共4類(lèi)，工程地質(zhì)條件依次由差向好。引水線路沿線軟土地基分類(lèi)見(jiàn)表3。

表3 引水線路沿線軟土地基分類(lèi)

3 軟基處理措施

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，軟土地基的處理技術(shù)也日趨成熟。常見(jiàn)的軟土處理措施主要包括預(yù)壓法、注漿加固法、強(qiáng)夯法、換填法、拋石擠淤法、復(fù)合地基法、微型樁基法等[9]。軟土地基處理方法的選取與加固效果、技術(shù)、工期以及工程造價(jià)和投資額有關(guān)。常用軟土地基處理方法比選見(jiàn)表4。

根據(jù)軟基處理方法的比選，結(jié)合鄂北工程建成通水的緊迫性，以及鄂北崗地軟土地基分布范圍小、總體埋深較淺的特點(diǎn)，在引水建筑物軟基處理過(guò)程中采用了以換填法、復(fù)合地基法為主，其他加固方法為輔的軟基處理措施：① 對(duì)工程地質(zhì)條件差的建基面軟土地基層厚3 m以上、承載力80 kPa以下的A類(lèi)軟土地基，采用樁型基礎(chǔ)保證建筑物持力層穿過(guò)軟土層和有效控制地基沉降變形；② 對(duì)工程地質(zhì)條件較差的建基面軟土地基層厚3 m以上、承載力80 kPa以上，或者建基面軟土地基層厚度在2～3 m、承載力在80 kPa以下的B類(lèi)軟土地基，采用砂礫石、碎石土對(duì)軟土地基部分或全部換填以保證建筑物對(duì)地基承載力的要求；③ 對(duì)工程地質(zhì)條件一般的建基面軟土地基層厚2～3 m、承載力80 kPa以下，或者建基面軟土地基層厚0.3～2.0 m、承載力80 kPa以上的C類(lèi)軟土地基，建議采用砂礫石、改性土、素填土等淺層換填措施，可有效解決建筑物對(duì)地基承載力的要求；④ 對(duì)工程地質(zhì)條件稍好、受雨水沖刷、浸泡形成的層厚0.3 m以下的D類(lèi)軟土地基，采用粗砂、砂礫石、素混凝土等換填。引水線路沿線軟基建議處理措施見(jiàn)表5。

表4 軟土地基處理方法比選

表5 引水線路沿線軟基建議處理措施

根據(jù)引水線路沿線軟基分類(lèi)原則，建筑物開(kāi)挖過(guò)程中所揭示軟基段的分類(lèi)情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

表6 引水線路沿線軟基分類(lèi)情況統(tǒng)計(jì)

選取引水線路沿線軟土地基樁號(hào)11+880～11+970、13+850～14+050、宋彎排洪涵洞段為軟基分類(lèi)處理試驗(yàn)段，其中樁號(hào)11+880～11+970段軟土類(lèi)型為A類(lèi)，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基，樁長(zhǎng)根據(jù)軟土層底高程變化取3.5～5.5 m，樁距1.0 m×1.0 m，處理達(dá)到凝期后，經(jīng)載荷試驗(yàn)檢測(cè)，地基承載力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；樁號(hào)13+850～14+050段軟土類(lèi)型為B類(lèi)，淤泥質(zhì)土厚度0.9～3.8 m，承載力85～100 kPa，經(jīng)建筑物地基承載力修正后，采取換填0.9～1.6 m厚砂礫石的處理措施，處理后，經(jīng)平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)，復(fù)合地基承載力合格；宋彎排洪涵洞段軟土類(lèi)型為C類(lèi)，軟土層厚0.5～1.5 m，采取軟土層全部換填砂礫石的處理措施，處理后的復(fù)合地基承載力達(dá)到建筑物設(shè)計(jì)要求。

按照軟基分類(lèi)及相應(yīng)處理措施處理后，軟土試驗(yàn)段的驗(yàn)證結(jié)果表明：引水線路沿線軟土地基的處理均能達(dá)到預(yù)期效果，且軟土地基處理方式更具針對(duì)性、簡(jiǎn)便性、易操作性。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于軟土地基一般分布范圍小，層厚變化大，在前期勘察未能完全被發(fā)現(xiàn)，而需要在施工圖設(shè)計(jì)階段進(jìn)行補(bǔ)充勘察。為縮短補(bǔ)充勘察時(shí)間、節(jié)省工程工期，在掌握軟土地基分布范圍、厚度、地基承載力等地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對(duì)軟土地基進(jìn)行分類(lèi)，為設(shè)計(jì)提供模塊化地質(zhì)邊界條件，有利于軟土設(shè)計(jì)變更方案快速形成，以滿(mǎn)足施工需求。

根據(jù)鄂北軟土地基成因、厚度、承載力情況，以軟基處理?yè)Q填極限厚度3 m(規(guī)范法)及軟、可塑界限承載力特征值80 kPa作為分類(lèi)界線。這種分類(lèi)原則較符合該工程建設(shè)實(shí)際，應(yīng)用于開(kāi)挖揭示的軟土地基中，能夠較好地反映出建筑物地基土的性狀及工程特征，對(duì)提高施工圖階段勘察效率、輔助建筑物基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

軟土地基的處理方法多且較成熟，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益、工程建筑特點(diǎn)考慮，換填法和復(fù)合地基加固法符合當(dāng)前鄂北工程軟土分布范圍小、層厚不均一的特點(diǎn)，且在工程實(shí)際應(yīng)用中能夠快速、經(jīng)濟(jì)、高質(zhì)量地解決建筑物對(duì)地基土承載力的需求問(wèn)題。