格柵狀水泥攪拌樁在水電站粉細(xì)砂地基處理中的應(yīng)用

牟春來 劉嫦娥 程淑艷 展巍巍(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 樞紐處，湖北 武漢 430010)

格柵狀水泥攪拌樁在水電站粉細(xì)砂地基處理中的應(yīng)用

牟春來 劉嫦娥 程淑艷 展巍巍(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院 樞紐處，湖北 武漢 430010)

天然地基一般無法滿足水電站廠房建基要求，為此，結(jié)合漢江興隆水電站廠房粉細(xì)砂地基處理，提出了采用格柵狀水泥攪拌樁處理水電站廠房地基的方法。介紹了攪拌樁格柵狀布置的特點，以及高壓旋噴樁作為格柵節(jié)點樁與水泥攪拌樁組合使用的新技術(shù)。工程實踐表明，這一創(chuàng)新地基處理方案解決了粉細(xì)砂地層水電站廠房地基承載力、沉降、滲透穩(wěn)定問題,可為類似工程借鑒。

水電站廠房；地基處理；粉細(xì)砂；格柵狀水泥攪拌樁；高壓旋噴樁

1 概 述

水電站廠房應(yīng)盡量建在巖基上，但在沖積平原地區(qū)的水電站廠房一般都建設(shè)于粉細(xì)砂、粉土、砂卵石等軟基上。這種天然地基一般無法滿足水電站廠房建基要求，存在承載力不夠、沉降變形和地基液化問題，需進(jìn)行地基處理。

南水北調(diào)中線一期工程漢江興隆水電站位于漢江中游的江漢平原上，是建基于全粉細(xì)砂地基上的水電站廠房。電站位于右岸漫灘與河槽的交接部位，廠房安裝4臺貫流式機組，總裝機容量40 MW，機組裝機高程22.7 m，水輪機直徑6.15 m。電站廠房軸線與壩軸線平行，沿軸線方向前緣總長112 m，電站廠房建基面高程10.20 m，持力層為全新統(tǒng)下段粉細(xì)砂層，底部高程5.0 m左右，其下為厚約31.7 m的砂礫(卵)石層，頂板高程-25.7 m，下伏基巖為砂質(zhì)粘土巖，埋深達(dá)53.7 m。

地震基本烈度為Ⅵ度，地基粉細(xì)砂粘粒(D<0.005 mm)含量6.3%～7.8%，主要為細(xì)砂和粉細(xì)砂組成，屬于飽和狀態(tài)下對震動液化敏感的土層，從液化性能判別存在地震液化問題。

以往水電站工程在進(jìn)行局部破碎巖體或軟基處理時，曾用到換填法[1]、固結(jié)灌漿法[2]、灌注樁法[3]、振沖碎石樁法[4]等。這些方法在大規(guī)模粉細(xì)砂軟基處理中存在以下不足。

(1) 換填法需大規(guī)模開挖至新鮮基巖后回填混凝土。在粉細(xì)砂層、砂礫石層較厚時，工程造價高，且相應(yīng)基坑降水工程量大。

(2) 固結(jié)灌漿法適用于提高破碎基巖的完整性，對粉細(xì)砂軟弱地基承載力提高效果有限。

(3) 灌注樁法等無法解決砂土地基的抗振動液化問題。

濕法施工的水泥土攪拌樁是通過攪拌機械在土層深處將軟土和水泥漿強制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有一定強度的柔性樁，適用于淤泥、粉土、飽和松散砂土、素填土等地層。其施工機械體型較大，移動緩慢，但樁的布置靈活，可設(shè)計成柱狀、壁狀、塊狀及格柵狀，造價較低。

興隆水電站在初設(shè)階段，對水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁、預(yù)制樁等3種地基處理方案進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟比較，考慮到套接格柵狀水泥攪拌樁防粉細(xì)砂液化能力強、工程投資較低等因素，采用水泥攪拌樁處理方案。

2 水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計

2.1 天然地基承載力和變形

工程設(shè)計中，天然地基承載力特征值修正的公式主要有：《泵站設(shè)計規(guī)范》[5]限制塑性變形區(qū)開展深度公式、漢森公式、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[6]推薦公式等。其中，《泵站設(shè)計規(guī)范》限制塑性變形區(qū)開展深度公式適用于天然土質(zhì)地基上最大允許沉陷量不宜超過15 cm、相鄰部分的最大沉陷差不宜超過5 cm的水閘、泵站類建筑物；漢森公式可應(yīng)用于土質(zhì)地基上一般水工結(jié)構(gòu)物承載力的修正計算；《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》推薦公式對基礎(chǔ)寬度做出限制，反映了對塑性變形區(qū)的最大開展深度的控制，適應(yīng)近二十幾年來大量興建的高層建筑、高速交通等建設(shè)項目限制沉陷的要求，對嚴(yán)格控制沉降變形的發(fā)電廠房類建筑物是相對適合的。

經(jīng)計算，廠房機組段天然地基沉降變形為35 cm，安裝場段天然地基沉降變形為47.3 cm，不滿足規(guī)范要求。承載力計算中，選用3種公式計算的小值，其修正后的天然地基承載力特征值445 kPa，小于機組段基礎(chǔ)平均應(yīng)力460.5 kPa和安裝場基礎(chǔ)平均應(yīng)力503.5 kPa，需進(jìn)行地基處理。

2.2 復(fù)合地基置換率

按復(fù)合地基承載力特征值公式計算復(fù)合地基置換率：

(1)

式中Ra為單樁承載力特征值，取337 kN；m為攪拌樁置換率；Ap為攪拌樁截面面積，樁徑為800 mm；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.3；fsk為天然地基土承載力特征值,取170 kPa。

經(jīng)計算，復(fù)合地基置換率68%以上可滿足廠房建筑物對地基承載力的要求。

通常在類似地層對泵站、水閘等建筑物的地基進(jìn)行處理時，水泥土攪拌樁復(fù)合地基置換率在20%左右。由于廠房自身重量大，該工程計算的置換率要求達(dá)到68%以上。從施工可行性及經(jīng)濟性考慮，開展了現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗，以驗證承載能力和優(yōu)化置換率。結(jié)合現(xiàn)場進(jìn)行的高置換率格柵狀攪拌樁復(fù)合地基載荷試驗和數(shù)值模擬等方法，進(jìn)一步優(yōu)化復(fù)合地基置換率，結(jié)果為機組段和安裝場段采用置換率47.9%以上能滿足承載力要求。對應(yīng)置換率下機組段和安裝場沉降變形為8 cm左右(完建工況)，滿足規(guī)范要求。

2.3 格柵狀與散點狀水泥土攪拌樁比選

在工程實踐中，攪拌樁復(fù)合地基多以獨立單樁型式和地基土構(gòu)成，稱為散點狀攪拌樁復(fù)合地基；而攪拌樁縱橫相互搭接成格柵狀或條柵狀連續(xù)墻，格柵墻和被格柵墻分割的土柱一起組成的復(fù)合地基，稱為柵狀攪拌樁復(fù)合地基。

散點狀攪拌樁常用于淤泥、淤泥質(zhì)土等承載力不大于120 kPa的軟粘土或粉土等地基，以解決承載力、穩(wěn)定性和變形問題為主要目的[7]；而柵狀攪拌樁用于以上地層，更易滿足荷載水平高、沉降要求嚴(yán)等工程對地基的要求[8]。除此外，國內(nèi)外還經(jīng)常將柵狀攪拌樁用于松散-稍密砂土或粉土地基，解決液化與防滲問題。

與散點狀攪拌樁復(fù)合地基相比，柵狀攪拌樁復(fù)合地基可采用相同的施工機械與施工工藝,并可采用相同固化材料形成物理力學(xué)性質(zhì)相似的攪拌樁體與地基土共同承擔(dān)荷載。不同之處在于，柵狀攪拌樁復(fù)合地基中攪拌樁是縱橫相互搭接成柵狀連續(xù)墻，即使采用相同的固化材料、配合比、水灰比和攪拌工藝，也會因搭接處重復(fù)攪拌與噴漿或噴粉，格柵墻體強度更高，又會因格柵墻形成圍封結(jié)構(gòu)，約束地基剪切變形，達(dá)到提高抗液化性能的效果。因此，套接格柵狀布置較散點狀布置有較大優(yōu)越性。

綜合比較，在同時滿足承載力、穩(wěn)定、變形、抗液化及可靠性等方面，興隆水電站廠房地基處理采用柵狀攪拌樁復(fù)合地基有綜合優(yōu)勢。

2.4 設(shè)計方案

(1) 布樁范圍。結(jié)構(gòu)底板下伏粉細(xì)砂層地基內(nèi)，并向上下游及左右兩側(cè)外延3 m，布樁平面為矩形，尺寸118.00 m×80.00 m。

(2) 樁長。根據(jù)具體地質(zhì)條件，攪拌樁由廠房建基面穿過粉細(xì)砂層至砂礫石層0.5 m深，主廠房平均樁長6.6 m，安裝場平均樁長10.5 m。

(3) 結(jié)構(gòu)形式。廠房段采用口字形格柵式布置，連體樁中心距為3.92 m，實際置換率51%。每“口”邊長由6根連環(huán)樁組成，樁徑800 mm。安裝場段采用矩形格柵式布置，連體樁中心距長邊為3.92 m，短邊為2.8 m，實際置換率55%。各邊十字交點中心設(shè)1根節(jié)點樁。每個格柵內(nèi)布置有分布樁以均勻網(wǎng)格中間土的承載力。

(4) 施工工藝。采用4攪4噴施工方法，摻灰比15%～19%，水灰比1.0～1.2。

另外，通過在廠房基礎(chǔ)上游側(cè)及廠房左側(cè)下游布置塑性混凝土防滲墻，廠房基礎(chǔ)下游布置5 m長的混凝土板防滲層，尾水渠底板底部鋪設(shè)50 cm厚反濾層的綜合防滲排水措施，解決廠房地基施工期和運行期的滲透穩(wěn)定問題。具體布置見圖1。

如此布置，廠房機組段的實際置換率為51%，安裝場段的實際置換率為55%，均大于現(xiàn)場試驗確定的47.9%置換率。

3 格柵狀水泥攪拌樁及其節(jié)點技術(shù)

3.1 問題的提出

由于格柵狀水泥攪拌樁施工時，樁與樁需要搭接成連續(xù)樁墻，而允許搭接時間較短，約為24 h。當(dāng)水泥攪拌格柵樁施工到接頭部位時，為了保證施工順利進(jìn)行，在一個格柵節(jié)點處最多需要同時在3個方向進(jìn)行攪拌施工，不僅機械布置困難，而且施工難度大，當(dāng)置換率高時此問題更為突出。因此快速、可靠地進(jìn)行格柵狀攪拌樁的節(jié)點搭接處理是重點和難點。

3.2 組合樁型

高壓旋噴樁具備攪拌樁的幾乎所有適應(yīng)性和效果，施工機械體型小，移位方便，有更好的布置適應(yīng)性，適合在狹小場地內(nèi)布樁、補樁,同時可較好地解決其他樁型易產(chǎn)生的擠土效應(yīng)問題，避免對已施工格柵樁造成破壞。

如果將水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁兩種樁型組合起來使用，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，先施工格柵的非節(jié)點攪拌樁，至兩樁、三樁、四樁等節(jié)點交匯處時，再用高壓旋噴樁施工格柵的節(jié)點樁，可以在超過水泥攪拌格柵樁允許搭接時間之后施工，施工機械布置更加靈活，將施工機械數(shù)量控制在合理的范圍內(nèi)，既解決了水泥攪拌樁施工允許的搭接時間短問題，又解決了受廠房基坑場地限制的問題，減少設(shè)備投入，節(jié)省費用，施工簡便易行。

3.3 組合樁型實施方法

具體實施步驟如下，流程見圖2。

(1) 同時進(jìn)行多個水泥攪拌格柵樁的施工，形成除節(jié)點樁以外的格柵網(wǎng)；

(2) 每個網(wǎng)格中間進(jìn)行分布樁的施工，即進(jìn)行水泥攪拌分布樁或高壓旋噴分布樁的施工；

(3) 在縱向和橫向的水泥攪拌格柵樁相交處進(jìn)行高壓旋噴節(jié)點樁的施工；

(4) 在土層中進(jìn)行塑性混凝土防滲墻的施工,在土層中挖掘連續(xù)槽孔，以泥漿固壁，向孔內(nèi)灌注混凝土形成塑性混凝土防滲墻。

3.4 組合樁型優(yōu)點

(1) 水泥攪拌格柵樁作為改善地基承載力和控制沉降量的措施，具有造價低的特點，其格柵間距、樁徑根據(jù)要求的地基承載力所需的置換率確定。同時，在格柵網(wǎng)內(nèi)根據(jù)滿足地基承載力所需的置換率增設(shè)水泥攪拌分布樁，在格柵網(wǎng)較密的地方則增設(shè)高壓旋噴分布樁。

(2) 水泥攪拌格柵樁采用交叉套接可以減少攪拌樁因發(fā)生斷樁等情況時對承載能力的影響，能滿足水電站廠房地基應(yīng)力高的要求，地基的整體性更好。

(3) 水泥攪拌格柵樁能防止粉細(xì)砂等土層的振動液化。

(4) 節(jié)點樁以外的格柵樁和分布樁施工完畢后，在縱向和橫向的水泥攪拌格柵樁相交處進(jìn)行高壓旋噴接頭樁的施工，該接頭樁可以避免在施工中處理冷接頭所帶來的施工困難、造價高等問題。

4 地基處理效果

(1) 經(jīng)現(xiàn)場工程樁荷載檢測，各測點復(fù)合地基承載力均滿足該水電站廠房建基面應(yīng)力要求。

(2) 廠房主體結(jié)構(gòu)澆筑階段，通過埋設(shè)的基礎(chǔ)變位計、土壓力盒、表觀點監(jiān)測等方法，對廠房建基面的應(yīng)力和沉降量進(jìn)行連續(xù)觀測，觀測值均小于計算值。

(3) 2012年8月22日，廠房土建工程完工，建基面最大應(yīng)力工況出現(xiàn)，監(jiān)測未出現(xiàn)地基承載力不足或地基沉降量大等地基問題。

(4) 2013年3月水庫蓄水，電站機組正常運行以來，地基沉降變形小于20 mm。

5 結(jié) 論

(1) 水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁組合的地基處理方法使高置換率格柵狀水泥土攪拌樁施工過程更加簡便易行，施工方案設(shè)計更加靈活。

(2) 采用高壓旋噴接頭樁處理水泥攪拌格柵樁接頭的新技術(shù)，解決了水泥攪拌格柵樁冷接頭的處理時效的難題，使得水泥攪拌格柵樁得以大規(guī)?？焖龠B續(xù)施工。

(3) 高置換率格柵狀攪拌樁與高壓旋噴樁組合使用進(jìn)行地基處理，并輔助以上游防滲、下游反濾等工程措施，能夠解決粉細(xì)砂地層水電站廠房地基承載力、沉降、滲透穩(wěn)定問題。

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2015-02-25

牟春來，男，長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院樞紐處，高級工程師.

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