水閘軟弱地基處理方案比選及效果分析

摘要：本文主要針對(duì)水閘軟弱地基處理方案的比選及效果展開了系統(tǒng)分析，通過結(jié)合具體的施工實(shí)例，簡(jiǎn)要概述了泵閘的地質(zhì)情況，對(duì)泵閘地基處理的方案作了介紹和進(jìn)行比選，探討了堆載預(yù)壓的設(shè)計(jì)，并分析了工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及效果，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：水閘；軟弱地基；處理方案；比選及效果

粉細(xì)砂地基屬于軟弱地基，對(duì)其的處理主要取決于粉細(xì)砂的特殊性質(zhì)，由于粉細(xì)砂地基的變形往往是局部和突然發(fā)生，且不均勻，對(duì)建筑物破壞性大，危害非常嚴(yán)重，因此對(duì)粉細(xì)砂地區(qū)的建筑物不論地基承載力是否達(dá)到容許承載力，都應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行處理。鑒于此，本文就水閘軟弱地基處理方案的比選及效果進(jìn)行了分析，并結(jié)合了具體的工程實(shí)例，相信對(duì)水閘軟弱地基的處理有一定的幫助。

1 工程概況

某水閘工程包括7.84km堤圍、圍區(qū)排澇工程及河口改道治理等。其中圍區(qū)排澇工程設(shè)一泵閘，設(shè)計(jì)排澇流量24.0m3/s，安裝3臺(tái)單泵流量8.0m3/s立式軸流泵。主體工程由主泵房、穿堤涵閘等組成，泵房采用整體式結(jié)構(gòu)，底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)25m，垂直水流向?qū)?4.9m，底板底面高程-6.5m；穿堤涵閘為三孔鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，閘室長(zhǎng)25m，寬19.2m，底板底面高程-3.2m。

2 泵閘地質(zhì)情況

工程區(qū)所處地貌單元為珠江三角洲地帶，屬河口、沙嘴、沙島近潮相地貌類型。地層為第四系以陸相為主的海陸交互相沖積的瀉湖平原及以海相為主的海陸混合沉積層等松散沉積。出海泵閘工程場(chǎng)區(qū)地形較平坦，灘面高程約-2.0～-3.0m。

泵閘主體基礎(chǔ)均座落在②層粉細(xì)砂上，該土層基礎(chǔ)之下厚度約4.0～7.0m，呈松散-稍密狀，壓縮系數(shù)a0.1-0.2平均值為0.24MPa-1，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)4～14擊，平均值8擊；下伏軟弱③層淤泥質(zhì)黏土夾砂，呈流塑狀，壓縮系數(shù)a0.1-0.2平均值為1.22MPa-1，具高壓縮性，抗剪強(qiáng)度低，厚度達(dá)25m，中部夾0～2.5m不等的③j層中砂透鏡體；其下⑤層含礫中粗砂未鉆穿，為中密-密實(shí)狀，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)19～>50擊，是比較理想的樁基持力層。

3 地基處理方案比選

3.1 基底應(yīng)力及沉降計(jì)算

主泵房和穿堤涵閘基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

天然地基下主泵房最終沉降量112cm，涵閘最終沉降量125cm，沉降主要發(fā)生在深厚的③層淤泥質(zhì)黏土夾砂層。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主泵房和涵閘最大地基應(yīng)力130.22kPa，②層粉細(xì)砂承載力特征值100kPa，有多種工況下承載力不滿足要求，天然地基沉降量很大，為工程結(jié)構(gòu)運(yùn)用所不允許，需進(jìn)行地基處理。

3.2 地基處理方案比較

（1）換填法：由于地基表層粉細(xì)砂層較厚，換填法工程量較大，不是很經(jīng)濟(jì)，下部又為深厚的高壓縮性淤泥質(zhì)黏土層，不可能將其全部挖除換填，所以無法解決地基沉降量過大的問題。

（2）預(yù)壓加固法：由于本工程表層細(xì)砂層和淤泥質(zhì)土下部的中粗砂層均為良好的排水層，都能有效的促進(jìn)淤泥質(zhì)土層的固結(jié)，預(yù)壓法能有效地減小地基的總沉降值及不均勻沉降值，但是預(yù)壓加固后表層砂的貫入度如不能夠達(dá)到臨界貫入度以上，還需要另外進(jìn)行地基液化處理。

（3）樁基礎(chǔ)：樁基礎(chǔ)由于樁基穿透細(xì)砂層和淤泥質(zhì)黏土層，將中粗砂層作為持力層，因此能夠同時(shí)解決地基沉降、承載力和砂土液化問題，但投資較高，且軟土地基易出現(xiàn)土層與底板脫空現(xiàn)象，但一般可通過設(shè)置與底板剛性連接的防滲板樁或預(yù)留注漿管進(jìn)行充填灌漿的措施解決。

（4）砂石樁：砂石樁處理液化砂土一般采用振動(dòng)沉管擠密成樁，在振動(dòng)機(jī)的震動(dòng)作用下，將套管沉入土體，將周圍土體擠密或振密，并在套管中加灌砂石料，然后邊拔管邊振動(dòng)排砂于土體中振動(dòng)密實(shí)成樁，與土體形成復(fù)合地基。

從以上分析可知，本工程出海泵閘首先要解決工后沉降過大的問題，其次要采取措施消除表層松散粉細(xì)砂的地震液化。本工程出海泵閘需采用圍堰擋水進(jìn)行干地施工，當(dāng)?shù)厣傲县S富，砂質(zhì)好，圍內(nèi)回填土方用量較大，如果結(jié)合圍內(nèi)回填，進(jìn)行堆載預(yù)壓，工程投資相對(duì)較省。因此，對(duì)建筑物地基先結(jié)合施工圍堰先采用插打塑料排水板堆載預(yù)壓，解決工后沉降過大的問題，再采用振動(dòng)沉管擠密砂樁消除粉細(xì)砂液化，是可行且經(jīng)濟(jì)的方法。

4 堆載預(yù)壓設(shè)計(jì)

為加快③層淤泥質(zhì)黏土混砂層的固結(jié)速度，在泵閘基礎(chǔ)下及基礎(chǔ)底板輪廓外邊線往外10m范圍布設(shè)排水板，間距1.0m×1.0m，排水板穿透淤泥質(zhì)黏土混砂層，并進(jìn)入中粗砂50cm以上。由于表層為粉細(xì)砂，是良好的天然排水層，所以排水板頂部不需設(shè)置排水砂墊層。地基打排水板后在圍堰內(nèi)回填中粗砂至5.4m高程進(jìn)行堆載預(yù)壓，加載量約150kPa。經(jīng)結(jié)果可知，超載預(yù)壓4個(gè)月后地基土的固結(jié)度可達(dá)85%以上。擬定預(yù)壓時(shí)間為4個(gè)月，轉(zhuǎn)換成泵閘的實(shí)際荷載后，地基基本能保持穩(wěn)定，消除沉降和邊荷載的影響。采用堆載預(yù)壓進(jìn)行地基處理后出海泵閘承載力和沉降均能滿足要求。

本工程區(qū)域抗震設(shè)防烈度為8度，建筑物需要做抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)采取措施有效消除液化對(duì)建筑物和相鄰堤防的影響。預(yù)壓處理后能適當(dāng)提高地基土的抗液化能力。

5 砂石樁設(shè)計(jì)

（1）樁間距確定

根據(jù)消除地基液化的要求，處理后地基土的標(biāo)貫擊數(shù)N大于臨界值Ncr，樁徑取500mm，正方形布置，粉細(xì)砂土天然孔隙比e0取1.10，砂土地基樁間距根據(jù)擠密后要求達(dá)到的孔隙比e1來確定。

式中各符號(hào)含義見《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，處理后的相對(duì)密實(shí)度可取0.70～0.85，計(jì)算得樁間距1.3～1.6m，取樁距1.3m。

（2）樁體材料

樁體材料采用滲透性大的優(yōu)質(zhì)中粗砂，粒徑大于0.5mm以上顆粒重量大于50%，含泥量不得大于5%，含水量控制在8%左右。

（3）設(shè)計(jì)灌砂量

樁身灌砂用量按體積和重量雙重控制，施工中灌砂量不少于設(shè)計(jì)用量的95%，否則要采取復(fù)打法重新進(jìn)行灌料。灌砂量按以下公式計(jì)算。按砂的重量計(jì)：

式中：G——填砂量；

Ap——砂樁截面積；

ds——填料砂的土粒比重；

ω——砂料的含水量；

e0——粉細(xì)砂土天然孔隙比，取最大孔隙比與最小孔隙比的平均值，此時(shí)相對(duì)密實(shí)度Dcr為0.5。

按砂的體積計(jì)：

V=βlπd2/4

式中，充盈系數(shù)β可取1.2～1.4；樁身長(zhǎng)度l考慮樁端預(yù)留0.5m，以保證成樁質(zhì)量。

（4）平面布樁

砂樁平面布置采用間距1.3m，正方形布置，建筑物底板下滿堂布樁，寬度超出底板外輪廓3～5排。

（5）樁長(zhǎng)

砂石樁處理深度一般在15～20m以內(nèi)，對(duì)于處理表層松散粉細(xì)砂土液化一般已可以達(dá)到消除地基液化的目的。本工程粉細(xì)砂厚度4.0～7.0m，砂石樁樁長(zhǎng)根據(jù)下臥層承載力驗(yàn)算，取樁長(zhǎng)12m，穿透粉細(xì)砂層，進(jìn)入軟弱黏土層5～8m。

6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況及處理效果分析

排水板插打過程中出現(xiàn)大部分排水板到③j層中砂插入困難的情況，分析原因主要是③j層厚度分布不均，標(biāo)準(zhǔn)貫入度較高（標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)38～>50擊），插板機(jī)穿透該層難度較大，造成排水板插打成功率較低。

由于本工程堆載預(yù)壓處理在各類地基處理方案中相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)，因此，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中仍建議采用堆載預(yù)壓處理方案，但是排水板根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況進(jìn)行插打，在③j中砂層以上部分均按設(shè)計(jì)施工完成，中砂層以下部分因插板成功率較低，設(shè)計(jì)不考慮其作用，待堆載完成后檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)堆載預(yù)壓效果。加載至設(shè)計(jì)高程后實(shí)施了井點(diǎn)降水增加壓載量，累計(jì)堆載約4個(gè)月時(shí)間。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，至9月17日，由沉降數(shù)據(jù)推算的表層和深層平均固結(jié)度分別在93.4%～95.1%和71.3%～94.5%之間，孔隙水壓力平均消散率約在67.2%～100%之間，見圖1、圖2。

圖1 地基表層沉降點(diǎn)沉降-時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 泵閘各測(cè)點(diǎn)孔隙水壓力-時(shí)間關(guān)系曲線

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在完成的加載條件下，地基土基本完成了固結(jié)沉降，泵站區(qū)域的沉降值達(dá)915mm，涵閘位置沉降量924mm，遠(yuǎn)大于計(jì)算中砂層以上部分沉降值（552mm），表明中砂層以下土層也得到了壓縮，固結(jié)度指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。分析原因是下部淤泥質(zhì)黏土層下的含礫中粗砂排水性好，利于軟土層的固結(jié)。

通過標(biāo)貫試驗(yàn)復(fù)判粉細(xì)砂層液化，標(biāo)貫擊數(shù)10～16擊，較原天然地基有所提高，但小于臨界值Ncr，表層粉細(xì)砂仍為嚴(yán)重液化，需進(jìn)一步采用振動(dòng)擠密砂樁進(jìn)行處理，目前砂樁暫未施工，根據(jù)相關(guān)資料，振動(dòng)擠密砂樁處理后標(biāo)貫擊數(shù)可增加70%～90%，可以預(yù)見能取得良好的處理效果。

7 結(jié)語

綜上所述，軟弱地基對(duì)建筑物破壞性大，危害非常嚴(yán)重，特別是作為水利工程重要部分的水閘設(shè)施。因此，必須對(duì)水閘軟弱地基進(jìn)行處理加固工作。相關(guān)的施工人員要認(rèn)真分析工程現(xiàn)場(chǎng)所處的地質(zhì)情況，并按實(shí)際采取適應(yīng)的加固方案進(jìn)行施工，以確保軟弱地基的處理符合水閘設(shè)施的要求。

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