珠三角地區(qū)水閘地基基礎(chǔ)處理實(shí)例分析

中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司 廣東廣州 510000

摘要：本文主要針對(duì)珠三角地區(qū)水閘地基基礎(chǔ)處理的實(shí)例展開(kāi)了分析，通過(guò)結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)地基的處理、水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)以及施工工藝作了詳細(xì)的闡述，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：水閘地基；基礎(chǔ)處理；實(shí)例分析

水閘施工作為我國(guó)水利工程建設(shè)的重要組成部分，其地基基礎(chǔ)處理的好壞對(duì)水閘整體的施工有著關(guān)鍵的影響。因此，我們就需要按照具體情況具體分析，采取相應(yīng)有效的技術(shù)進(jìn)行施工，以保障地基基礎(chǔ)處理的質(zhì)量。基于此，本文就珠三角地區(qū)水閘地基基礎(chǔ)處理的實(shí)例進(jìn)行了分析，相信對(duì)有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 區(qū)域地形地貌及地震

某河主泓偏左，河底高程一般為-5.73～-4.16m，水面寬210～275m。工程所在一帶為珠江三角洲淤積、沖積平原地貌，系海陸交互相沉積平原，地形低緩平坦，堤內(nèi)地面高程一般為0.5～1.5m。區(qū)域構(gòu)造環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，地震動(dòng)峰值加速度0.10g，地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.65s。

1.2 閘址區(qū)地層特性

閘址區(qū)基巖埋深約在20m以上，其上覆蓋層從上到下主要為第四系人工堆積層（Qml）、海陸交互相沉積層（Qmc）、殘積層（Qel）。閘址河床地層從上至下分布為：Qmc淤泥厚3.5～8.1m，上部夾一層厚約1.4m的砂壤土；Qmc砂壤土厚度一般為2.0～4.3m；Qel黏土或粉質(zhì)黏土，厚5.7～6.3m；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、泥巖，厚3.3～5.8m；弱風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，頂板埋深20m左右。閘址區(qū)土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 閘址區(qū)土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

1.3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

1.3.1 軟土地基

閘址區(qū)第四系海陸交互相沉積（Qmc）的淤泥土埋深較淺，在河道、溝渠、淵塘等表部直接出露。淤泥土天然含水量高，一般為30.3%～78.6%，液限一般為26.2%～63.0%；孔隙比大，為1.02～2.32；壓縮系數(shù)一般為0.557～2.592MPa-1，具有高壓縮性。

淤泥土野外現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切強(qiáng)度小于40kPa，一般在8～24kPa，靜力觸探的比貫入阻力平均值等于0.236MPa，土體強(qiáng)度很低。

淤泥土層厚度較大，存在土體強(qiáng)度及承載力低、壓縮變形大、地震條件下可能產(chǎn)生震陷變形等問(wèn)題。

1.3.2 飽和砂土液化

第四系上部海陸交互相沉積（Qmc）分布有兩層砂性土層：①夾于淤泥土中的砂壤土-1，厚2.0～3.6m，埋深1.8～6.5m；②淤泥土下部的砂壤土-2，厚度一般為1.0～5.8m，最厚6.3m，埋深5.5～13.0m。兩層均為飽和砂性土。閘址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，處于抗震不利地段。兩層砂壤土黏粒含量分別為7.5%、15.6%，黏粒含量均小于16.0%，初判為液化土。復(fù)判采用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法、液性指數(shù)復(fù)判法和相對(duì)密度法綜合進(jìn)行，復(fù)判結(jié)果表明兩層砂性土存在震動(dòng)液化問(wèn)題。

2 地基處理

2.1 地基處理的目的

2.1.1 提高地基承載力

水閘基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示：完建期基底應(yīng)力最大，平均值為82.47kPa；其他工況（擋潮工況、泄水運(yùn)用工況、檢修工況）下的基底平均應(yīng)力也大于淤泥地基的允許承載力50kPa，天然地基承載力不滿(mǎn)足要求，需要通過(guò)地基處理來(lái)提高地基承載力。

2.1.2 減小沉降量

水閘地基的沉降量采用分層總和法計(jì)算，結(jié)果顯示：完建期沉降量達(dá)40.8cm，正常運(yùn)行工況的沉降量也達(dá)到了30.1cm，均大于《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2001）規(guī)定的水閘允許沉降量15cm。因此天然地基存在沉降量過(guò)大的問(wèn)題，需要進(jìn)行處理來(lái)減小沉降量。

2.1.3 消除地震條件下的砂土液化和震陷

在Ⅶ度地震條件下，閘基下海陸交互相沉積（Qmc）層中分布的兩層飽和砂性土層可能產(chǎn)生震動(dòng)液化，需要采取地基處理措施來(lái)消除液化潛勢(shì)。同時(shí)，淤泥軟土層厚度大、強(qiáng)度低，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，Ⅶ度地震條件下，當(dāng)承載力特征值小于80kPa時(shí)，還可能產(chǎn)生震陷變形，需要采取地基處理措施進(jìn)行預(yù)防。

2.1.4 提高閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分為以下兩種情況進(jìn)行計(jì)算。

（1）不考慮齒槽作用，閘室沿建基面滑動(dòng)。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為：

（1）

式中：KC為閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載，kN；A為閘室基底面的面積，m2；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；Φ0為閘室基底面與地基之間的摩擦角，取淤泥土固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角的90%，（°）；C0為閘室基底面與地基之間的黏結(jié)力，取淤泥土固結(jié)快剪黏結(jié)力的0.25倍，kPa。

由于淤泥土抗剪強(qiáng)度很小，固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角為7°，黏結(jié)力為3.4kPa，相應(yīng)地Φ0僅為6.3°，C0為0.85kPa。由式（1）計(jì)算可得：設(shè)計(jì)擋潮工況下（抗滑穩(wěn)定控制工況），閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅為0.73，遠(yuǎn)小于安全系數(shù)的允許值1.30。折算的綜合摩擦系數(shù)僅為0.18，較一般地基上的摩擦系數(shù)小得多。

（2）考慮齒槽作用，沿齒墻底部連同閘室與齒墻間土體一起滑動(dòng)。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算公式為：

（2）

式中：KC為閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在滑動(dòng)面上的全部豎向荷載，包括齒墻間土體的浮重，kN；A為閘室基底面的面積，m2；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；Φ為地基土的摩擦角，取淤泥土固結(jié)快剪內(nèi)摩擦角7°；C為地基土的黏結(jié)力，取淤泥土固結(jié)快剪黏結(jié)力3.4kPa。

由式（2）計(jì)算的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)擋潮工況下閘室的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.03，小于安全系數(shù)的允許值1.30。

由計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論考慮齒槽作用與否，閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都不能滿(mǎn)足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2001）的要求。閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)雖然可以采取諸如增大閘室結(jié)構(gòu)尺寸等其他措施來(lái)提高，但最優(yōu)方案是能結(jié)合地基處理一并進(jìn)行的措施。

2.2 地基處理方案比選

比較深層水泥土攪拌樁、鉆孔灌注樁（樁徑1m）和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC-B500-125）3種地基處理方案。鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁兩種剛性樁方案，因樁基和樁間土體一般存在沉降差，閘室底板與建基面之間可能出現(xiàn)脫空，故一般不考慮樁間土體承擔(dān)荷載，全部豎向荷載和水平荷載由樁體承擔(dān)，總荷載較大。而采用深層水泥土攪拌樁方案處理后的地基為復(fù)合地基，不存在脫空問(wèn)題，樁間土與水泥土樁體一起承擔(dān)豎向荷載。同時(shí)，處理后的復(fù)合地基由于水泥土的改性作用，力學(xué)強(qiáng)度得到了提高，抗滑能力也有較大提高。采用鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁方案時(shí)，還需要在閘底板前后端以水泥土攪拌樁進(jìn)行圍封，以避免閘室底板可能與建基面脫空帶來(lái)的接觸沖刷，其防滲的可靠性顯然低于水泥土攪拌樁方案。此外，地基處理造價(jià)也以水泥土攪拌樁方案最低，因此選擇水泥土攪拌樁方案進(jìn)行水閘地基處理。

3 水泥土攪拌樁應(yīng)用

3.1 攪拌樁布置

由于水閘地基土體強(qiáng)度低，因此采用大直徑攪拌樁提高工效，攪拌樁直徑為600mm。攪拌樁樁長(zhǎng)根據(jù)控制閘基沉降量、抗液化和震陷的要求確定。按控制閘基沉降量不超過(guò)15cm的要求，樁長(zhǎng)不應(yīng)小于11.2m；水閘地基下可液化砂層深度在10m以?xún)?nèi)，為達(dá)到抗液化的目的，攪拌樁應(yīng)進(jìn)入的非液化層深度按2m考慮，樁長(zhǎng)應(yīng)不小于12.0m；按抗震陷要求，樁長(zhǎng)應(yīng)超過(guò)淤泥深度，樁長(zhǎng)不小于8.4m。綜合考慮取攪拌樁樁長(zhǎng)為12.0m。

攪拌樁按照抗液化和震陷要求采取格柵式布置，樁間套接15cm，格柵間距取為4m左右。同時(shí)，格柵布置還要兼顧閘室底板受力特點(diǎn)，與閘室結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，分塊尺寸為25.0m×18.8m（順?biāo)飨颉翙M流向），每個(gè)分塊內(nèi)順?biāo)飨虿贾?排，排間距4.50m和4.95m；橫流向布置5排，其中在閘墩對(duì)應(yīng)位置各布置1排，底板下布置3排，排間距4.05m。這種布置方式主要是依據(jù)彈性地基梁下基底反力分布規(guī)律，有利于減小水閘底板閘孔中部的負(fù)彎矩。每個(gè)格柵內(nèi)還布置有4根單樁，以調(diào)整地基的均勻性。單個(gè)閘室總共布置攪拌樁581根，置換率約30.2%。攪拌樁布置如圖1所示。

圖1 單孔水閘閘基攪拌樁布置圖（單位：cm）

與一般承受豎向荷載為主的攪拌樁地基處理不同，水閘閘基防滲十分關(guān)鍵，同時(shí)基底應(yīng)力相對(duì)也較小。因此在樁頂和基礎(chǔ)之間不設(shè)置級(jí)配碎石、粗砂等粒性材料褥墊層，而將閘基直接落在攪拌樁樁頂。

3.2 復(fù)合地基承載力及沉降量計(jì)算

選定地基處理方案前，為確定水泥土攪拌樁對(duì)淤泥地基的適用性以及獲得相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn)。試驗(yàn)土樣取自閘基部位，土樣pH值大于7.0，呈堿性，表明地基土層對(duì)混凝土不具有泛酸性腐蝕；SO42-含量395～408mg/kg，對(duì)混凝土不具有硫酸鹽腐蝕性；有機(jī)質(zhì)含量2.40%～2.46%。試驗(yàn)水泥品種及強(qiáng)度等級(jí)分別為32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥及42.5R普通水泥，水灰比為0.55，水泥摻量分別為15%、18%及21%，外加劑選擇三乙醇胺，試驗(yàn)齡期分別為7、14、28、90d。水泥土室內(nèi)配合比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水泥土室內(nèi)配合比無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

室內(nèi)配合比試驗(yàn)表明，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大，隨齡期增長(zhǎng)而增大，隨水泥摻量增大而增大，也隨水泥強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大，表明雁洲淤泥地基適用于以水泥作為固化劑。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值fcu取為1.30MPa（取28d齡期強(qiáng)度主要是考慮到水閘還需承擔(dān)水平荷載），建議采用42.5R強(qiáng)度等級(jí)的水泥，摻量不小于18%。具體配合比則應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)確定。

單樁承載力取為按樁身材料強(qiáng)度（樁身強(qiáng)度折減系數(shù)η取0.25）確定的單樁承載力、由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力兩者中的小值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按樁身強(qiáng)度所確定的單樁承載力為91.9kN，遠(yuǎn)小于按樁周土和樁端土抗力確定的單樁承載力232.85kN。因此，單樁承載力取91.9kN。

處理后的復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算公式為：

（3）

式中：fspk為處理后的復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率，為30.2%；Ra為單樁承載力，為91.9kN；Ap為單樁的截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取為0.2；fsk為處理后樁間土承載力特征值，取為淤泥地基承載力50kPa。

經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基承載力特征值為105.1kPa，滿(mǎn)足水閘對(duì)地基承載力的要求。

水泥攪拌樁復(fù)合地基沉降量包括樁長(zhǎng)深度內(nèi)的復(fù)合土層壓縮變形和樁端下未加固土層的壓縮變形。計(jì)算時(shí)攪拌樁的壓縮模量取130MPa，經(jīng)計(jì)算，復(fù)合土層壓縮變形量為1.8cm，樁端下未加固土層的壓縮變形量為2.5cm，復(fù)合地基總沉降量為4.3cm，滿(mǎn)足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2001）對(duì)沉降量的控制要求。

3.3 復(fù)合地基上水閘抗滑穩(wěn)定計(jì)算

水泥土攪拌樁地基處理主要是提高地基豎向承載能力和減小沉降量，在工業(yè)與民用建筑行業(yè)應(yīng)用較多，現(xiàn)有關(guān)于水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)規(guī)范也是針對(duì)建筑行業(yè)的。近十多年來(lái)攪拌樁在水利工程中也有應(yīng)用，主要解決的還是地基豎向承載能力和沉降問(wèn)題，用于提高地基抗滑能力的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。閘室抗滑穩(wěn)定仍分為兩種情況進(jìn)行計(jì)算。

（1）不考慮齒槽作用，閘室沿建基面滑動(dòng)。

閘基抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分解為由水泥土和樁間土分別提供的兩部分安全系數(shù)，采用式（1）計(jì)算。作用于樁頂和樁間土上的豎向荷載根據(jù)水泥土和樁間土的應(yīng)力比確定。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，承受豎向荷載時(shí)樁土應(yīng)力比，一般情況下可達(dá)3～6，樁間土越軟弱應(yīng)力比越高。雁洲水閘為淤泥地基，偏于保守考慮，取樁土應(yīng)力比為3。按攪拌樁置換率30.2%計(jì)算，則樁體承載豎向荷載比例為56.5%，樁間土承擔(dān)比例為43.5%。

參考其他工程經(jīng)驗(yàn)，取攪拌樁樁身內(nèi)摩擦角Φ1為20°，攪拌樁樁身黏結(jié)力c1則參考《海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則（試行）》中的公式計(jì)算，即：

（4）

代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得：c1=114kPa。同樣，閘室基礎(chǔ)底面與攪拌樁之間的內(nèi)摩擦角取為攪拌樁樁身內(nèi)摩擦角Φ1的0.9倍，黏結(jié)力取為攪拌樁樁身黏結(jié)力c1的0.25倍，閘室基礎(chǔ)底面與樁間土之間的內(nèi)摩擦角及黏結(jié)力取值同處理前。由式（1）計(jì)算的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)擋潮工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.66，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)得到了大幅提高，水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足不小于1.30的要求。

（2）考慮齒槽作用，沿齒墻底部連同閘室與齒墻間土體一起滑動(dòng)。

復(fù)合地基上水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)采用式（2）計(jì)算，對(duì)于復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角和黏結(jié)力指標(biāo)，參考《地基處理手冊(cè)》，采用下面公式計(jì)算：

tanφ=tanφ2（1-m）+mtanφ1 （5）

c=c2（1-m）+mc1 （6）

式中：c為處理后的復(fù)合地基的黏結(jié)力，kPa；φ為處理后的復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角，（°）；m為攪拌樁置換率；c1為攪拌樁樁身黏結(jié)力，取114kPa；φ1為攪拌樁樁身內(nèi)摩擦角，取20°；c2為淤泥土層的黏結(jié)力，取3.4kPa；φ2為淤泥土層內(nèi)摩擦角，取7°。

經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基的黏結(jié)力為36.8kPa，內(nèi)摩擦角為11.07°。

由式（2）計(jì)算得到設(shè)計(jì)擋潮工況下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為4.41，大于允許值1.30?？梢?jiàn)，無(wú)論考慮齒槽作用與否，處理后閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)都能滿(mǎn)足《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265—2001）的要求。

4 施工工藝

根據(jù)攪拌樁設(shè)計(jì)指標(biāo)，在施工前進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，確定采用臺(tái)泥牌42.5R普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為21%，水灰比0.55；外加劑為三乙醇胺，摻量0.05%。施工機(jī)械采用SP-5和PH-5B型樁機(jī)，施工工藝為四噴四攪即兩沉兩升。樁頭40cm需挖除。

施工完成后，采用開(kāi)挖檢查、動(dòng)力觸探、鉆孔取芯以及復(fù)合地基承載能力試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行攪拌樁質(zhì)量檢測(cè)，全部合格。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，水閘地基的施工質(zhì)量對(duì)水閘整體的工程建設(shè)有著關(guān)鍵的影響，因此，我們需要重視水閘地基的基礎(chǔ)處理工作，具體情況具體分析，采取有效的技術(shù)做好施工，以保障水閘地基的施工質(zhì)量。

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作者簡(jiǎn)介：

黃凌超（1988年4月份）女；籍貫：廣東揭陽(yáng)；民族：漢；職稱(chēng)：水利助理工程師；畢業(yè)于：河海大學(xué)；學(xué)歷：本科；從事工作：水工設(shè)計(jì)等工作。