淺談水泥土攪拌樁在處理淤泥質(zhì)土中的應(yīng)用

孫冬冬

（安徽華邦工程設(shè)計有限公司，安徽 合肥 235000）

1 概述

荷圩泵站位于安徽省蕪湖市繁昌區(qū)新港鎮(zhèn)境內(nèi)，為沿江荷花圩排區(qū)排澇泵站，排澇承泄區(qū)為長江。荷圩站設(shè)計排澇流量7.39m3/s，裝機(jī)4 臺，總裝機(jī)容量800kW。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物按4 級建筑物設(shè)計，次要建筑物5 級，堤防及穿堤涵閘3 級。

泵站布置于堤后，采用正向進(jìn)、出水布置型式，泵室采用干室型結(jié)構(gòu)，為自排與抽排結(jié)合站。荷圩泵站樞紐由進(jìn)水口、前池、進(jìn)水?dāng)r污閘、泵站廠房（含匯水箱）、抽排控制閘、穿堤箱涵、防洪閘等幾部分組成。

泵房采用箱型基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底高程3.1m，堤防頂高程14.5m，穿堤箱涵基礎(chǔ)底高程3.9m。

經(jīng)地質(zhì)勘察，工程位置處土層自上而下可分為5 層，分別如下：

①填土：主要為雜填土，含碎石和建筑垃圾。該層只在11#鉆孔分布，其余鉆孔已清除，層厚1.3m。

②粉質(zhì)黏土：黃灰褐色，可塑，干強(qiáng)度較大，韌性、壓縮性一般，部分夾粉土薄層，夾層一般小于0.3m。滲透系數(shù)K=3.0E-05cm/s，為弱透水層。該層在大堤北側(cè)缺失。層厚1.2～3.6m。

③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色、灰棕色，軟塑狀，局部流塑，土質(zhì)粘性土，高壓縮性，切面稍有光澤，干強(qiáng)度較大，含有機(jī)質(zhì)。滲透系數(shù)K=1.0E-07cm/s，為不透水層，層厚0.8～14.2m。

④粉質(zhì)黏土：灰棕色、灰褐色，可塑，土質(zhì)粘性土，中等壓縮性，有一定結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)較緊密，切面稍有光澤，韌性較大，含少量Ca 質(zhì)結(jié)核。滲透系數(shù)K=2.0E-06cm/s，為弱透水層，層厚1.7～5.3m。

⑤泥質(zhì)粉砂巖：呈黃褐色和灰黃色，夾少量粘性土。石英砂巖、花崗巖為主，灰黃色石灰?guī)r次之，中密—密實狀。該層未揭穿，最大可見深度約3m。

本次地勘資料顯示淤泥層厚為0.8～14.2m，其中前池至壓力水箱段淤泥層厚度為0.8～3.1m，泵站底板以下淤泥層厚度為0.0～2.1m，穿堤箱涵至出口防洪閘段淤泥層厚度為7.3～14.2m，出口處翼墻底板以下淤泥層厚度為5.94～9.55m。

依據(jù)各土層土工試驗成果、原位測試結(jié)果，按照有關(guān)規(guī)范取值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合本地區(qū)地層特點、地區(qū)經(jīng)驗，通過綜合分析給出地基承載力特征值（kPa）如表1。

表1 地基承載力特征值表

2 地基處理方案研究

根據(jù)工程布置及地質(zhì)報告，該站泵室和穿堤涵設(shè)計基底坐落在③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土上，軟塑狀，局部流塑，為軟弱強(qiáng)度地層且含有機(jī)質(zhì)，工程地質(zhì)條件差。

因此，該站基礎(chǔ)施工具有以下特征：①基坑深度大，最深處約12m，屬于超深的軟土深基坑；②地質(zhì)條件差，以淤泥為主的軟土層具有地基承載力低、含水量大、壓縮性強(qiáng)、不透水等特殊性能；③地基軟弱層較深、換填處理難度大；④根據(jù)施工需要，基坑開挖面積較大，且坐落于長江大堤下，失事后危害大。

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB50265-2010）4.1.3 節(jié)，“站址坐落在軟土、雜填土、振動液化土等不良地基時，應(yīng)慎重研究確定基礎(chǔ)類型和地基處理措施”。因此，需要根據(jù)該站基礎(chǔ)施工特征有針對性地進(jìn)行地基處理。

2.1 地基處理范圍

根據(jù)各部位的天然地基承載力分析及基底應(yīng)力分析，本工程地基處理范圍為：攔污閘、泵室及水箱段、穿堤出水箱涵段以及進(jìn)出口邊墻。

2.2 方案選擇

本工程地基軟弱、處理范圍大，采用何種地基處理方案直接關(guān)系工程的安全及工程造價，基礎(chǔ)底面下軟土層厚度約15m。

根據(jù)軟弱地基處理方法比選和工程所在地同類地基處理成功經(jīng)驗，本項目初步擬定采用復(fù)合地基方案；泵室地基處理的目的主要是解決地基沉降、地基承載力問題。水泥土攪拌樁處理可使復(fù)合地基強(qiáng)度有較大提高，從而使地基沉降及沉降差在容許范圍內(nèi)，水泥土攪拌樁地基比鉆孔樁有較多優(yōu)點，具有投資省、防滲性能好、對樁間土擾動小等優(yōu)點。

3 水泥土攪拌樁設(shè)計及沉降量計算

3.1 水泥土攪拌樁設(shè)計

泵室底板持力層，天然地基承載力均為70kPa，設(shè)計地基承載力為108kPa，初擬攪拌樁直徑D=500mm，截面積Ap=0.196m2，樁周長Up=1.57m，根據(jù)地質(zhì)資料，擬定樁長L=3～16m，即樁深入粉質(zhì)黏土④約2m。

水泥土攪拌樁承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場加荷試樁確定，在設(shè)計過程中，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中的公式進(jìn)行計算。

式中：

fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長為50mm 的立方體）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28d 齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa。

η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，濕法取0.25；

Ap—水泥土攪拌樁的單樁截面積，m2；

Ra—單樁豎向承載力容許值，kN；

Up—樁身周長，m；

qsi—樁周第i 層土的側(cè)阻力容許值，kPa，依據(jù)地質(zhì)報告取值13kPa；

li—樁長范圍第i 層土的厚度，m；

α—樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，取0.4～0.6；

qp—樁端地基土未經(jīng)修正的承載力容許值，kPa。

設(shè)計中按天然地基承載力為70kPa 進(jìn)行地基處理設(shè)計。

根據(jù)計算，取單樁承載力

加固后的水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基荷載試驗確定，在設(shè)計階段根據(jù)設(shè)計規(guī)范推薦公式計算：

式中：

fspk—復(fù)合地基承載力容許值，kPa；

fsk—處理后樁間土的承載力容許值，kPa；

m—面積置換率；

Ap—水泥土攪拌樁的單樁截面積，m2；

Ra—單樁豎向承載力容許值，KN；

β—樁間土承載力折減系數(shù)，可取0.1～0.4，本工程取0.25。

水泥土攪拌樁采用柱狀設(shè)計，水泥摻入量為15%，樁身直徑0.5m，樁中心間距按照順?biāo)飨驗?.0m，垂直水流向1.0m 布置，地基處理范圍按建筑物基礎(chǔ)輪廓線以外0.5m。

根據(jù)泵房和箱涵基礎(chǔ)的底面積和復(fù)合地基的置換率等計算，荷圩泵站設(shè)計布置水泥土攪拌樁根數(shù)共計1838 根，總長度為17104m，其中，泵房及壓力水箱池底板下布樁551 根；前池翼墻底板下布樁360 根；攔污閘下布樁160 根，涵洞底板布樁441 根，出口翼墻下布樁326 根。

經(jīng)驗算，處理后的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值可以達(dá)到123kPa，詳見表2。

表2 地基處理計算成果表

3.2 沉降量

加固處理后的水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)123kPa，相當(dāng)于中等堅硬的黏性土地基。按《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》（GB/T50783）及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007）的沉降量計算要求，荷圩站各建筑物地基最終沉降量如式（5）：

式中：S—地基最終沉降量，mm；

ψs—經(jīng)驗計算沉降系數(shù)；取0.5。

P0—基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；

n—地基壓縮層范圍內(nèi)的土層數(shù)量；

Esi—第i 層土的壓縮模量值，MPa；

Zi、Zi-1—基礎(chǔ)底面至第i 層土、第i-1 層土底面的距離，m；

經(jīng)計算，泵站各部位地基沉降量計算成果見表3。

表3 荷圩站各部位地基沉降量計算表

從表3 中可以看出，地基進(jìn)行加固處理后，各部位的最大沉降量為35mm，最小沉降量為21mm。

4 基底應(yīng)力復(fù)核

根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB50265-2010）中的公式進(jìn)行地基承載力復(fù)核計算，根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，考慮四種運行工況，分別為完建期、設(shè)計抽排水位運行期、最高水位運行期和檢修期。

式中：

∑M—作用于基底面以上的全部水平和豎向荷載對于基底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；

∑G—作用于基礎(chǔ)底面以上的全部豎向荷載，KN；

W—基底面對于該地面垂直水流方向的形心軸的截面積（m3）；

A—基底面積（m2）。

根據(jù)上式計算，工程最大基底平均應(yīng)力發(fā)生在完建期為107.7kPa，最小基底平均應(yīng)力發(fā)生在設(shè)計抽排水位運行期85.5kPa，經(jīng)過深層水泥攪拌樁處理后的復(fù)合地基承載力可達(dá)到123kPa，處理后的地基可以滿足工程對地基承載力的需求。

5 組合支護(hù)效果

為及時、準(zhǔn)確觀測工程沉降和水平位移情況，在攔污閘、泵室上下游墩墻和壓力箱涵出口上均布置了永久沉降和位移觀測點，工程完建并已安全運行三年，通過定期觀測數(shù)據(jù)比較，建筑物基本未發(fā)生位移和沉降，可見水泥土攪拌樁地基處理方案是滿足設(shè)計和規(guī)范要求的