滁州市汊河節(jié)制閘軟土地基加固設(shè)計

崔 冬 郭子婧

一、工程概況

滁州市汊河節(jié)制閘為汊河集樞紐工程重要組成部分，是滁河干流上的重要節(jié)制閘，也是駟馬山引江灌溉工程最下游的控制工程，其主要功能有灌溉、排洪和航運(yùn)等。工程始建于1970年11月，竣工于1972年12月，該閘原設(shè)計洪水流量為1260m3/s，校核洪水流量為1550m3/s，為Ⅱ等大（2）型水閘。

汊河節(jié)制閘自建成投入運(yùn)行近40年，水毀嚴(yán)重，雖歷經(jīng)多次除險加固，運(yùn)行狀態(tài)得到了一定改善，但受資金條件限制，仍存在較多工程安全隱患，影響工程的安全運(yùn)行，對上下游兩岸人民的生命財產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。2009年3月，滁州市水利局組織水閘工程專家對汊河節(jié)制閘進(jìn)行了安全鑒定，專家組一致認(rèn)定汊河節(jié)制閘安全類別為三類閘，需進(jìn)行全面除險加固。

二、地質(zhì)條件分析

汊河樞紐所在地為滁河下游河段，主要為沉積細(xì)粒土層，第四系地層厚度約30m左右，下臥基巖為白堊系上統(tǒng)赤山組砂巖及粉砂巖。經(jīng)鉆孔揭示，第四系覆蓋層主要由第四系全新統(tǒng)～晚更新統(tǒng)沖洪積物組成的粘性土、重～輕粉質(zhì)壤土、淤泥質(zhì)軟土、含礫中粗砂所組成，下伏棕紅色中生代赤山組泥質(zhì)粉砂巖。

表1 地基加固成果表

表2 地基變形計算成果表

閘址處自上而下主要土層分布：①層素填土、②層重、中粉質(zhì)壤土、③層輕粉質(zhì)壤土、③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③2層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、④層粉質(zhì)粘土、④1層含礫中粗砂和⑤層泥質(zhì)粉砂巖等。

節(jié)制閘閘底板坐落在③層輕粉質(zhì)壤土上，地質(zhì)勘探報告推薦的承載力標(biāo)準(zhǔn)值為80～120kPa，由于③層土在閘室底板下厚僅0.5m，不宜作為持力層，閘室底板實際持力層為③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該層土天然地基承載力僅為50～80kPa，承載力較低，小于閘室、岸墻及上、下游翼墻基底應(yīng)力，工程建設(shè)存在隱患。因此，地基應(yīng)進(jìn)行加固。

三、地基加固方案的選擇

該節(jié)制閘對承載力要求不高，③層輕粉質(zhì)壤土的承載力可滿足要求，但因該土層較薄，且其下分布著厚達(dá)十余米的淤泥質(zhì)軟土層，加上閘上部的交通橋的荷載要求，極易產(chǎn)生不均勻沉降，對建筑物的結(jié)構(gòu)安全不利。根據(jù)汊河節(jié)制閘軟弱土層的特性及深度，地基加固措施擬選擇釘形水泥土雙向攪拌樁或鉆孔灌注樁進(jìn)行處理。

上述兩種處理方案均能提高基土承載力，滿足工程安全運(yùn)行要求。釘形水泥土雙向攪拌樁對軟弱土地基具有滿堂加固作用，可與地基形成一種均勻有效的復(fù)合地基，可減少上部結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的不均勻沉降，而且設(shè)計樁長為該型經(jīng)濟(jì)樁長（不大于15m），但形成的復(fù)合地基仍有一定的沉降量。鉆孔灌注樁與閘底板屬剛性連接，其適應(yīng)沉降變形的能力大于攪拌樁形成的復(fù)合地基，但是采用灌注樁加固地基后上覆荷載基本由灌注樁承擔(dān)，易使樁間土和構(gòu)筑物底板之間脫開架空，形成滲漏通道，不利閘基滲流穩(wěn)定。汊河閘底板持力層為③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其壓縮模量僅為3.74MPa，屬高壓縮性土，樁間土和閘底板之間易脫開架空形成滲漏通道。另外，灌注樁造價明顯偏高。汊河閘采用筏式底板，較適合采用復(fù)合地基。因此，設(shè)計中選用釘形水泥土雙向攪拌樁對地基進(jìn)行加固。

四、地基加固設(shè)計

地基采用釘形水泥土雙向攪拌樁進(jìn)行軟基加固，這是一種在常規(guī)水泥土攪拌樁基礎(chǔ)上加以改進(jìn)后形成的新型地基加固處理方法?？梢钥朔Ｒ?guī)水泥土攪拌樁存在的以下不足：水泥土在垂直方向和水平方向都難以攪拌均勻；在土壓力、孔隙水壓力、噴漿壓力的相互作用下，水泥漿沿鉆桿上行，普遍存在地面冒漿現(xiàn)象，影響地基水泥漿摻入量。

釘形水泥土雙向攪拌樁將水泥土攪拌樁成樁機(jī)械的鉆桿改進(jìn)為同心雙軸鉆桿，即內(nèi)鉆桿上安裝正向旋轉(zhuǎn)葉片并設(shè)置噴漿口，外鉆桿上安裝反向旋轉(zhuǎn)葉片，通過外桿上葉片反向旋轉(zhuǎn)過程中的壓漿作用和正反向旋轉(zhuǎn)葉片同時雙向攪拌水泥土，阻斷水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質(zhì)量。通過同軸雙向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)桿以及可自動伸縮的葉片，沿深度方向?qū)④浲僚c固化劑（水泥漿，可摻入一定量的外加劑）就地進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，使土體與固化劑發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定整體性和強(qiáng)度的水泥土復(fù)合地基。

1.釘形水泥土雙向攪拌樁設(shè)計

釘形水泥土雙向攪拌樁按照江蘇省工程建設(shè)推薦性技術(shù)規(guī)程《釘形水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》（蘇JG/T024-2007，以下簡稱《規(guī)程》）進(jìn)行設(shè)計，按復(fù)合地基要求計算，并進(jìn)行地基變形驗算。

根據(jù)該規(guī)程的規(guī)定，釘形水泥土雙向攪拌樁的擴(kuò)大頭高度宜不大于樁長的1/3，下部樁徑不宜小于500mm，上、下樁徑比宜在1.8～2.4之間，樁間距應(yīng)根據(jù)復(fù)合地基的承載力、建（構(gòu)）筑物允許沉降量、土性、施工工藝等確定，宜取1.8～2.4m。釘形水泥土雙向攪拌樁樁身水泥摻入比應(yīng)根據(jù)單樁承載力通過室內(nèi)配比確定，水泥摻入量宜為被加固濕土質(zhì)量的12%～18%。水灰比可選用0.50～0.60，地基含水量高者取小值。根據(jù)土質(zhì)條件可適當(dāng)選用添加劑，添加劑應(yīng)先進(jìn)行室內(nèi)配比試驗。

根據(jù)上述規(guī)定，初擬閘室、翼墻和空箱岸墻基礎(chǔ)釘形水泥土雙向攪拌樁加固，樁徑為0.5m、0.6m，擴(kuò)大頭部位樁徑 1.0m、1.3m，平均樁長 14m，其中擴(kuò)大頭部位樁長4.0m，樁距1.8m，樁身水泥摻入比取16%。《規(guī)程》建議：在釘形水泥土雙向攪拌樁與剛性基礎(chǔ)之間應(yīng)設(shè)置褥墊層，褥墊層厚度宜取0.3～0.5m。褥墊層宜選用中砂、粗砂、級配砂石或碎石等，碎石最大粒徑不大于20mm。由于考慮到建筑地基防滲要求，本次設(shè)計在釘形水泥土雙向攪拌樁與建筑物基礎(chǔ)之間設(shè)置0.6～0.8m厚的水泥土褥墊層。

2.復(fù)合地基承載力計算

結(jié)合《地質(zhì)報告》中各土層參數(shù)的推薦值，并根據(jù)《規(guī)程》3.3.8和3.3.9中的公式，對釘形水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值及單樁承載力特征值進(jìn)行估算，其估算結(jié)果和各部位地基加固成果見表1。

計算結(jié)果表明，采用釘形水泥土雙向攪拌樁加固地基承載力可滿足設(shè)計要求。

3.地基處理后的變形驗算

地基處理后的變形計算按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。復(fù)合土層的分層與天然地基相同（在變截面處應(yīng)分層計算），各復(fù)合土層的壓縮模量等于該層天然地基壓縮模量與樁體壓縮模量按照面積置換率加權(quán)平均。

豎向承載的釘形水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基沉降包括擴(kuò)大頭深度范圍內(nèi)復(fù)合土層平均壓縮變形量S1、下部樁體深度范圍內(nèi)復(fù)合土層平均壓縮變形量S2和樁端下部未加固土層平均壓縮變形量S3。根據(jù)《規(guī)程》3.3.13中的公式，對地基處理后的變形進(jìn)行驗算，其計算成果見表2。

計算結(jié)果表明，加固后閘室、岸墻和翼墻沉降量滿足《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）中有關(guān)建筑物沉降量不大于150mm、相對沉降量不大于50mm的規(guī)定。

五、結(jié)語

軟土地基具有極大的危害性，如果處理不當(dāng)會造成地基失穩(wěn)，使構(gòu)造物沉降過大或不均勻沉降，對構(gòu)造物產(chǎn)生不同程度的危害，嚴(yán)重影響工程安全。釘形水泥土雙向攪拌樁處理軟土地基以其自身的優(yōu)點，已經(jīng)在鐵路、高速公路、港口、碼頭等多個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，加固效果顯著。近年來，該加固技術(shù)已經(jīng)逐漸在水利工程中得到應(yīng)用，尤其對厚度在15m左右軟土地基的加固處理，不僅有良好的加固效果，其綜合經(jīng)濟(jì)效益比常規(guī)水泥土攪拌樁節(jié)省投資約15%～35%，經(jīng)濟(jì)效益也很顯著