南港工業(yè)區(qū)排水閘軟土地基基礎(chǔ)處理效果分析

李 健，高 蛟，李東然，李 揚(yáng)

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津300250；2.天津市薊縣水務(wù)局，天津301900）

1 工程概況

南港工業(yè)區(qū)位于渤海灣天津市濱海新區(qū)海岸線南部，是重工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)為主的開(kāi)發(fā)區(qū)和港口的綜合體，于2011年8月正式開(kāi)港。工業(yè)區(qū)排水樞紐位于南港工業(yè)區(qū)境內(nèi)青靜黃擋潮閘下游2km處，樞紐建筑物主要有兩孔漿砌石閘涵、閘右側(cè)磚砌簡(jiǎn)易泵站、及出水池西側(cè)四孔節(jié)制閘組成。閘涵上游接工業(yè)區(qū)排水河道，下游為出水池。由于兩孔漿砌石閘涵年久失修，建筑物存在諸多安全隱患，已不能滿足排水及擋潮功能，于2011年12月對(duì)其進(jìn)行了拆除重建。

2 地質(zhì)狀況

場(chǎng)地地處華北平原，屬?zèng)_積、海積低平原，地面高程4.6m。以泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土為主。

2.1 表層

以素填土為主，厚度3.20～3.30m，主要由素填土組成，呈褐色，軟塑狀態(tài)，粉質(zhì)粘土質(zhì)，含磚渣、石子等，屬高壓縮性土。地基承載力80kPa；

2.2 淤泥質(zhì)粘土

厚度12.40～12.60m，呈灰色，流塑～軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬高壓縮性土。局部夾粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土透鏡體。該土層地基承載力70kPa；

2.3 粉質(zhì)粘土及粉土

厚度4.50～4.60m，呈灰色，軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。該土層地基承載力110kPa；

2.4 粉土

地質(zhì)勘察未穿透此層，揭露最大厚度4.80m，呈灰黃色，密實(shí)狀態(tài)，無(wú)層理，含鐵質(zhì)，屬中（偏低）壓縮性土。地基承載力150kPa。

閘室底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)8m，垂直水流方向?qū)?1.3m，整體式分布。閘室地基建基高程-1.0m，坐落于淤泥質(zhì)粘土上,承載力低，土質(zhì)軟，強(qiáng)度低，可壓縮性高，為滿足閘室基礎(chǔ)承載力要求，減少土中自由水含量，為增加閘室防滲長(zhǎng)度，采用了水泥攪拌樁基礎(chǔ)。

底板及樁基布置如圖1。

3 閘室穩(wěn)定計(jì)算

3.1 荷載

以閘室整體為計(jì)算單元，取完建工況為計(jì)算工況，其所受荷載包括閘室結(jié)構(gòu)自重、排架機(jī)架橋自重、工作閘及金屬結(jié)構(gòu)埋件重及啟閉機(jī)重。根據(jù)閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)構(gòu)，作用于閘室底面的荷載有：豎向力ΣG=8858.94kN，ΣM=36596.40kN。

3.2 穩(wěn)定驗(yàn)算

采用SL265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式進(jìn)行閘室基底應(yīng)力計(jì)算。

式中∑Pmaxmin為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值（kPa）；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載（kN）；A為閘室基礎(chǔ)底面的面積（m2）；∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；W為閘室基礎(chǔ)底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）。

計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果

由表1可知，建成無(wú)水工況閘室地基承載力不能滿足地基應(yīng)力要求?？紤]閘址為沿海地區(qū)，閘基土為淤泥質(zhì)粘土，地基土承載力及壓縮模量均較低，為滿足閘室地基應(yīng)力及沉降要求，決定對(duì)閘室地基進(jìn)行處理，以提高閘室地基的承載能力。

沉降計(jì)算采用分層總和法，計(jì)算采用公式：

式中s為地基最終沉降量（mm）；s′為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量；ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；n為地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0為基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；Es為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量（MPa）；zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、i-1層土底面的距離（m）；為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

閘基礎(chǔ)底面下地層為淤泥質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土及粉土，粉質(zhì)粘土及粉土壓縮模量分別采用3.3MPa、5.9MPa、18.4 MPa。壓縮層計(jì)算深度按計(jì)算層面處土的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為0.2確定。

經(jīng)計(jì)算閘室地基最大沉降量22.5cm，大于規(guī)范允許值15cm；需對(duì)閘室進(jìn)行地基處理。

閘基防滲長(zhǎng)度按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中L為滲徑長(zhǎng)（m）；C為滲徑系數(shù)；△H為上下游水位差（m）。

現(xiàn)閘基實(shí)際防滲長(zhǎng)度為20.5m，小于計(jì)算要求的防滲長(zhǎng)度32m，不滿足規(guī)范要求，需設(shè)置一道防滲墻，增加閘基的防滲長(zhǎng)度。

4 地基處理方案

本工程進(jìn)行地基處理的目的為增加閘室地基的承載能力及減小沉降量。地基處理常用方法有換填墊層法、強(qiáng)夯法、砂石樁法、混凝土灌注樁及水泥土攪拌樁法。

4.1 換填墊層法

適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。其主要作用是提高地基承載力，減少沉降量，加速軟弱土層的排水固結(jié)，防止凍脹和消除膨脹土的脹縮。

本工程壓縮性較高的軟土層厚12.40m，墊層的換填厚度不宜超過(guò)3m，換填后地基處理效果不明顯。因此工程未采用換填墊層法的地基處理方式。

4.2 強(qiáng)夯法

適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強(qiáng)夯置換法適用于高飽和度的粉土，軟—流塑的粘性土等地基上對(duì)變形控制不嚴(yán)的工程，在設(shè)計(jì)前必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性和處理效果。

本工程基礎(chǔ)軟土透水性較差，采用強(qiáng)夯法處理地基容易形成橡皮土，反而達(dá)不到地基處理的目的。因此，強(qiáng)夯法不適合應(yīng)用于工程的地基處理。

4.3 砂石樁法

為采用類似沉管灌注樁的機(jī)械和方法，通過(guò)沖擊和振動(dòng)，把砂擠入土中而形成樁基的方法。擠密砂樁的主要作用是將地基擠實(shí)排水固結(jié)，從而提高地基的整體抗剪強(qiáng)度與承載力，減少地基的沉降量和不均勻沉降。但這種方法一般能較好地適用于砂性土。

本工程為淤泥及淤泥質(zhì)土，因此砂石樁法不適合于工程的地基處理。

4.4 混凝土灌注樁

直接在樁位上就地成孔，然后在孔內(nèi)安放鋼筋籠灌注混凝土而成。灌注樁能適應(yīng)各種地層，無(wú)需接樁，施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)擠土、噪音小，宜在建筑物密集地區(qū)使用。但其施工費(fèi)用較高，操作要求嚴(yán)格，施工后需較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)期方可承受荷載，成孔時(shí)有大量土渣或泥漿排出。

本工程由于工期較短，灌注樁成孔時(shí)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境會(huì)造成不利影響，且會(huì)使工程整體費(fèi)用上升，未采用混凝土灌注樁法。

4.5 水泥土攪拌法

分為漿液深層攪拌法（簡(jiǎn)稱濕法）和粉體噴攪法（簡(jiǎn)稱干法）。

水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、飽和黃土、素填土及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。其加固機(jī)理是：水泥漿（粉）與地基土在外力作用下（樁頭攪拌力及水泥漿（粉）壓入壓力）均勻攪拌，進(jìn)行水化反應(yīng)并形成具有一定強(qiáng)度的水泥土樁（即所謂半剛性樁）。部分水泥漿（粉）在灌漿壓力作用下發(fā)生水化反應(yīng)并滲入樁體周邊的土體中形成樁體，增大了樁體與樁間土的摩擦系數(shù)，提高了樁體承載力，并與樁間土共同形成良好的復(fù)合地基。根據(jù)地質(zhì)資料，本工程地基主要為淤泥及淤泥質(zhì)土，含水量較高，采用水泥攪拌法時(shí)由于水泥的水化作用，在一定程度上減少了地基土中自由水的含量，樁間土產(chǎn)生一定的固結(jié)作用，使樁間土本身強(qiáng)度有所提高，從而導(dǎo)致復(fù)合地基承載力的提高。

綜上，根據(jù)各個(gè)地基處理方案的適用條件及地基情況，確定采用水泥土攪拌法。

5 樁基設(shè)計(jì)

5.1 樁基布置

程水泥攪拌樁采用矩形布置，樁直徑0.6m，除防滲墻外，攪拌樁橫向和縱向樁間距均為1.2m，閘室底板輪廓線范圍內(nèi)的攪拌樁數(shù)按63根計(jì)。根據(jù)地質(zhì)資料，在干濕交替及無(wú)干濕交替作用時(shí)，地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有中等腐蝕性，腐蝕介質(zhì)為SO2-4，因此水泥土攪拌樁固化劑采用強(qiáng)度等級(jí)為32.5的抗硫酸鹽水泥；樁長(zhǎng)假定8m，攪拌樁位于淤泥質(zhì)粘土層。

5.2 承載力驗(yàn)算

根據(jù)閘室底板所受外部荷載、土體力學(xué)指標(biāo)、基礎(chǔ)尺寸，采用相關(guān)規(guī)范公式分別計(jì)算水泥攪拌樁單樁承載力和復(fù)核地基承載力，計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 單樁承載力及復(fù)核地基承載力計(jì)算成果

由表2可知，該樁基布置方案滿足閘室單樁承載力和復(fù)合地基承載力的要求。

5.3 沉降驗(yàn)算

樁基最終沉降量計(jì)算公式采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（5.5.6）中的公式，方法為等效作用分層總和法。附加應(yīng)力取底板附加應(yīng)力70kPa，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψ取0.9；等效沉降系數(shù)ψ取0.9；等效沉降系數(shù)ψc取0.52。

地基處理后，經(jīng)計(jì)算，閘室的最終沉降量為11cm，小于規(guī)范中規(guī)定的閘室最大沉降量的要求。

5.4 滲流穩(wěn)定驗(yàn)算

由于水泥土攪拌樁樁體連接成壁后有隔水帷幕的作用，為增加閘室的防滲長(zhǎng)度，在閘室靠近下游側(cè)采用水泥土攪拌樁套打的方式，形成一道垂直防滲墻。經(jīng)計(jì)算閘基防滲長(zhǎng)度36.5m，大于計(jì)算要求的防滲長(zhǎng)度32m，滿足規(guī)范要求。

6 質(zhì)量檢驗(yàn)

6.1 施工期

6.1.1 材料

現(xiàn)場(chǎng)使用的固化劑和外摻劑必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加固土的強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)行材料質(zhì)量檢驗(yàn)，合格后方可使用。

6.1.2 樁位

樁位布置滿足設(shè)計(jì)要求，施工前在樁中心插樁位標(biāo)，施工后將樁位標(biāo)復(fù)原，以便驗(yàn)收。

6.1.3 樁身垂直度

每根樁施工時(shí)均應(yīng)用水準(zhǔn)尺或其他方法檢查導(dǎo)向架和攪拌軸的垂直度，間接測(cè)定樁身垂直度。

6.1.4 樁身水泥摻量

按設(shè)計(jì)要求檢查每根樁的水泥摻用量。

6.1.5 水泥標(biāo)號(hào)、水泥品種

對(duì)無(wú)質(zhì)保書或有質(zhì)保書的小水泥廠產(chǎn)品，應(yīng)先做試塊強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可使用。對(duì)有質(zhì)保書（非鄉(xiāng)辦企業(yè)）的水泥產(chǎn)品，可在攪拌施工時(shí)，進(jìn)行抽查試驗(yàn)。

6.1.6 攪拌頭上提噴漿速度

一般均在上提時(shí)噴漿，提升速度不超過(guò)0.5m/min，通常采用二次噴漿。當(dāng)?shù)诙螄姖{時(shí)不允許出現(xiàn)攪拌頭未到樁頂而漿液已拌完的現(xiàn)象。有剩余時(shí)可在樁身上部再次噴漿。

6.1.7 漿液水灰比

通常為0.4～0.5，不宜超過(guò)0.5。漿液拌和時(shí)應(yīng)按水灰比定量加水。

6.1.8 水泥漿液攪拌均勻性

應(yīng)注意貯漿桶內(nèi)漿液的均勻性和連續(xù)性，噴漿攪拌時(shí)不允許出現(xiàn)輸漿管道堵塞或爆裂的現(xiàn)象。

6.2 竣工后

6.2.1 攪拌樁的施工

（1）成樁7d后，采用淺部開(kāi)挖樁頭（深度宜超過(guò)停漿面下0.5m），目測(cè)檢查攪拌的均勻性，量測(cè)成樁直徑。檢查量為總樁數(shù)的5%。

（2）成樁后3d內(nèi)，可用輕型動(dòng)力觸探（N10）檢查每延米樁身的均勻性。檢驗(yàn)數(shù)量為施工總樁數(shù)的1%，且不少于3根。

6.2.2 水泥攪拌樁地基竣工驗(yàn)收

承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)必須在樁身強(qiáng)度滿足試驗(yàn)荷載條件時(shí)，并宜在成樁后28d后進(jìn)行。檢驗(yàn)數(shù)量為樁總數(shù)的0.5%～1%，且每項(xiàng)單體工程不應(yīng)少于3點(diǎn)。

經(jīng)觸探和載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)后，對(duì)樁身質(zhì)量有懷疑時(shí)，應(yīng)在成樁28d后，用雙管單動(dòng)取樣器鉆取芯樣作抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn)，檢驗(yàn)數(shù)量為施工總樁數(shù)的0.5%，且不少于3根。

6.2.3 工程樁質(zhì)量評(píng)定

及時(shí)檢查施工記錄，根據(jù)預(yù)定的施工工藝對(duì)工程樁質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。對(duì)于不合工藝要求的工程樁需根據(jù)其所在的位置、數(shù)量等具體情況，通過(guò)質(zhì)量分析，提出補(bǔ)樁或加強(qiáng)附近工程樁等措施。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土，固化的樁與原地基土構(gòu)成復(fù)合地基，改善了地基的承載力和變形模量。

（2）水泥攪拌樁是加固處理軟弱地基土的一種行之有效的方法，使用前應(yīng)盡可能通過(guò)試驗(yàn)確定加固設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是找出最佳的水泥摻入量和最佳樁長(zhǎng)，從而降低加固費(fèi)用，以充分發(fā)揮水泥攪拌樁的優(yōu)勢(shì)。

［1］SL265—2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTJ—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］JGJ79—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范.

［6］龔曉南.地基處理手冊(cè)（第三版）［K］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［7］SL 191—2008，水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］DL 5077—1997，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］史佩棟.樁基工程手冊(cè)（樁和樁基礎(chǔ)手冊(cè)）［K］.北京：人民交通出版社，2008.

［10］JTJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.

［11］馬文英，劉建中，李顯軍.水工建筑物［M］.河南：黃河水利出版社，2003.