沿海大型水閘軟基處理研究

劉明彥

摘 要：大液河水閘閘基下的地基土為淤泥、淤泥質(zhì)土層和淤泥質(zhì)砂層，軟弱層厚10m～12m，且土中有機(jī)質(zhì)含量高，在該土層中水泥攪拌樁成樁質(zhì)量較差。為保障水閘的抗滑穩(wěn)定、不均勻沉降和總沉降量滿足規(guī)范要求，工程地基處理采用了深層水泥攪拌樁+砂樁方案，為國內(nèi)水閘工程的地基處理提供了有益參考。

關(guān)鍵詞：大液河水閘 深層高有機(jī)質(zhì)含量軟弱土層 地基處理 深層水泥攪拌樁

大液河水閘位于海豐縣西南聯(lián)安鎮(zhèn)，距海城鎮(zhèn)約11km，是大液河流域的出?？?，地震設(shè)防烈度7度，是一座以擋潮、灌溉為主，兼有航運(yùn)效益的等大型工程。該閘于1975年興建，運(yùn)行至今已30多年， 2006年經(jīng)安全鑒定該閘為四類險(xiǎn)閘，需拆除重建。

大液河水閘重建工程建筑物主要由攔河閘、船閘、兩岸連接段及下游右岸管理樓組成，其中攔河水閘共9孔，泄洪總凈寬108m，單孔凈寬12m，閘室總寬度127m，閘室長18m，閘底板高程-4.2m、閘頂高程4.4m。船閘緊靠水閘布置在河床左岸，船閘上閘首與水閘齊平，平面尺寸為（寬×長）12m×18m，其中門孔凈寬8m；閘室長80m，寬8m；下閘首長16m，寬12m，其中門孔凈寬8m。該工程建筑物坐落在深厚淤泥、淤泥質(zhì)土層和淤泥質(zhì)砂層上，土層中有機(jī)質(zhì)含量高，工程所在區(qū)域地震基本烈度為7度，如何保證深厚軟弱土層上的建筑物在各種荷載組合條件下的安全，是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

工程地質(zhì)條件

閘址區(qū)范圍為大液河河床及一級堆積階地，地面高程一般為-0.30m～-4.20m，地形較為平坦、開闊。水閘建基面高程為-6.4m，開挖深度為2～3.5m，建基面為第四系海陸交互相地層，其中（②-1層）淤泥及淤泥質(zhì)土層，層厚10m～12m，含貝殼碎屑及腐殖物碎屑等有機(jī)質(zhì)，呈流塑～軟塑狀，該層的物理力學(xué)指標(biāo)平均值為：天然含水量w=53.3%，孔隙比e=1.42，壓縮模量Es=1.40MPa，承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值fak=55kPa～60kPa；（②-2層）淤泥質(zhì)砂層，層厚1.5m，含灰色淤泥質(zhì)，含量20%-30%，承載力特征值fak=60kPa～70kPa，；（③-3層）含泥砂卵礫石層飽和，稍密～中密，層厚5.7m，承載力特征值fak=230kPa～250kPa，可作為持力層。水閘地質(zhì)剖面圖見圖1。

（②-1層）淤泥及淤泥質(zhì)土層的工程特性表現(xiàn)為“三高兩低”，即高含水量、高流動(dòng)性或蠕變、高壓縮性、低強(qiáng)度和低滲透性，易產(chǎn)生較大沉降和不均勻沉降現(xiàn)象，且整體穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定性差，未經(jīng)處理不宜作為天然地基基礎(chǔ)。

地基處理方案比選

工程水閘建基面為（②-1層）淤泥及淤泥質(zhì)土層，目前廣東地區(qū)水利工程處理深厚淤泥層軟弱地基多以采用深層水泥攪拌樁和高壓旋噴樁復(fù)合地基方案為主，因本工程淤泥層中有機(jī)質(zhì)含量高，深層水泥攪拌樁成樁質(zhì)量難以控制，綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，結(jié)合本工程的實(shí)際情況并借鑒當(dāng)?shù)剀浕幚淼慕?jīng)驗(yàn)，選擇高壓旋噴樁方案、深層水泥攪拌樁+砂樁方案和鉆孔灌注樁方案進(jìn)行比較。

1、高壓旋噴樁方案

高壓旋噴樁處理地基由于注入壓力大且水泥用量多，可以取得較高的強(qiáng)度，可使基礎(chǔ)沉降均勻，基底不易產(chǎn)生脫空，其施工設(shè)備相對較小，成樁質(zhì)量好；但基礎(chǔ)處理費(fèi)用很高。

2、鉆孔灌注樁方案

鉆孔灌注樁具有樁身質(zhì)量可靠，樁徑、樁長選擇范圍大，單樁承載力高，沉降量較小而且均勻等特點(diǎn)，與預(yù)制樁比，可節(jié)約鋼材，降低成本；但其處理后基底易產(chǎn)生脫空現(xiàn)象，地基處理后還需進(jìn)行防滲和基礎(chǔ)圍封處理，同時(shí)該方案施工工藝比較復(fù)雜，基礎(chǔ)處理費(fèi)用較高。

3、深層水泥攪拌樁+砂樁方案

工程因淤泥中有機(jī)質(zhì)含量高，如直接采用水泥攪拌樁處理地基，成樁質(zhì)量難以控制，形成的復(fù)合地基承載力較低。本地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)也已經(jīng)證明，本地區(qū)水利工程還沒有直接采用水泥攪拌樁處理淤泥地基的成功案例（如該地區(qū)的烏坎水閘，經(jīng)多次水泥攪拌樁試驗(yàn)，均未達(dá)到規(guī)范要求）。而“水泥攪拌樁+砂樁”（先打砂樁穿透淤泥層，再在砂樁位置打水泥攪拌樁）則可以很好的解決這個(gè)問題。該方案同時(shí)具備了攪拌樁方案和砂樁方案的優(yōu)點(diǎn)，同樣為復(fù)合地基，可使基礎(chǔ)沉降均勻，基底不易產(chǎn)生脫空，基礎(chǔ)處理費(fèi)用較低。同時(shí)砂樁和攪拌樁的結(jié)合，使得攪拌樁的樁身成樁質(zhì)量很好，單樁承載力很高。但該方案施工期相對較長。

現(xiàn)對攔河閘選擇砼一個(gè)閘段（2孔，長28m）對以上方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，見表1。

經(jīng)以上比較，深層水泥攪拌樁+砂樁方案更經(jīng)濟(jì)，因此本工程地基處理方案選擇深層水泥攪拌樁+砂樁方案。

地基處理方案設(shè)計(jì)

依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）及建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50007-2002）內(nèi)有關(guān)公式，分別對水閘閘基復(fù)合地基承載力特征值、單樁承載力特征值及復(fù)合地基沉降量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式及參數(shù)取值詳見規(guī)范說明。水閘地基最大沉降量取值根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范（SL265-2001）要求不宜超過0.15m。本工程采用濕法施工攪拌樁，樁徑為0.5m，水閘閘室基底應(yīng)力平均值為116.4 kN，閘室基底應(yīng)力最大值為122kN。

1、單樁豎向承載力特征值計(jì)算

式中：α為樁端天然地基承載力折減系數(shù)（取α=0.5）、η為樁身強(qiáng)度折減系（取η=0.3）數(shù)、fcu為與樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值（取fcu=2000kPa）、AP為樁截面面積（取AP=0.196m2）。

按上式計(jì)算，φ500mm攪拌樁的單樁豎向承載力特征值Ra2=117.6 kN。此時(shí)攪拌樁樁長L=10m，樁端位于（③-3層）含泥砂卵礫石層，Ra1=186 kN，故本工程采用的φ500mm攪拌樁的單樁豎向承載力特征值Ra=117.6 kN。

2、復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）、m為面積置換率、Ra為單樁豎向承載力（取Ra=117.6kN）、AP為樁截面面積（取AP=0.196m2）、β為樁間土承載力折減系數(shù)（取β=0.25）、fsk為處理后樁間土承載力，按天然地基承載力采用（取fsk=55 kPa）。

按上式計(jì)算，當(dāng)m=0.196時(shí)，水閘基底復(fù)合地基承載力特征值fspk=128.7 kN，滿足規(guī)范要求。

3、樁基布置

經(jīng)上述計(jì)算后，采用樁徑φ500mm水泥攪拌樁+φ600mm砂樁，布設(shè)于水閘底板下，采用正方形格柵式布樁，樁的縱橫間距為1.2m，先打φ600mm砂樁穿透淤泥層，再在砂樁位置打φ500mm攪拌樁穿透淤泥層進(jìn)入③-3層（或③-2層）1.0m，平均樁長為10m，在水泥攪拌樁與水閘底板間設(shè)0.4m厚砂碎石墊層。

4、復(fù)合地基沉降驗(yàn)算

豎向承載攪拌樁復(fù)合地基的變形包括攪拌樁復(fù)合土層平均壓縮變形S1與樁端下未加固土層的壓縮變形S2。攪拌樁群體的壓縮變形計(jì)算采用復(fù)合模量法，樁端下未加固土層的壓縮變形采用分層總和法計(jì)算。

式中：pz為攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值（kPa），pz=116.44kPa；pz1為攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值（kPa），pz1= 85.50kPa；l為樁長，m；Esp為復(fù)合土層變形模量。

按下式計(jì)算：

Esp =mEp + （1 - m）Es

式中：Ep為攪拌樁的壓縮模量（kPa），Ep=12MPa；Es為樁間土的壓縮模量（kPa）。

經(jīng)計(jì)算，最終的沉降量s = 46.58 mm，滿足規(guī)范要求。

地基抗液化和震陷措施

工程地震設(shè)防烈度為7度，根據(jù)大液河水閘重建工程工程地質(zhì)報(bào)告，閘基底部（②-1層）淤泥、淤泥質(zhì)粘性土層、（③-1層）粉質(zhì)粘土、粘土層為軟土層，（②-1層）和（③-1層）的等效剪切波速大于90m/s，可不考慮震陷影響；（③-2層）中砂層為不液化層，局部中細(xì)砂為可液化層，但其上部有（②-1層）淤泥、淤泥質(zhì)粘性土層及（③-1層）粉質(zhì)粘土、粘土層覆蓋且覆蓋層較厚，故對本工程地基可不進(jìn)行抗震處理。

基礎(chǔ)防滲設(shè)計(jì)

因水閘采用水泥攪拌樁+砂樁復(fù)合地基，樁頂設(shè)0.4m厚砂碎石墊層，該層為透水層，故在水閘基礎(chǔ)上游側(cè)設(shè)一排長度為7.5m的φ600雙排連體水泥攪拌樁+砂樁防滲墻垂直防滲，樁端伸入（③-3層）砂卵礫石、含泥卵石、卵石層1.0m，該防滲墻同時(shí)兼做水閘、船閘復(fù)合地基的一部分。

基底抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）附錄中C中的改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行，經(jīng)計(jì)算水閘閘室的水平段和出口段最大滲流坡降值為0.09和0.13，小于基底表面土層（淤泥、淤泥質(zhì)土層）的允許水平滲流坡降值 0.25及出口滲流坡降值 0.35～0.45，因此，基底經(jīng)防滲處理后抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

結(jié)語

大液河水閘地基軟弱土層厚度大，水閘地基處理范圍廣，且土中有機(jī)質(zhì)含量高，在工程要求造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理、施工快速便捷、施工質(zhì)量易控制的前提下，深層水泥攪拌樁+砂樁復(fù)合地基處理方案是一種非常合適的處理方案。該方案不禁提高了地基的承載力、減少了地基基礎(chǔ)的沉降量，而且對于地震區(qū)的地基抗液化、震陷及基礎(chǔ)防滲均起到了良好的處理效果，水泥攪拌樁+砂樁復(fù)合地基同時(shí)為水閘施工時(shí)的基坑開挖提供了部分支護(hù)。

（作者單位：廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院）