管樁組合新型復(fù)合地基關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

李 丹

(安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

我國長江中下游等河網(wǎng)區(qū)地層上部大多為河湖相沖積層，以淤泥質(zhì)壤土為代表的軟弱土廣泛分布，且軟土層深厚，有的深達(dá)30m以上，軟土一般呈流塑至軟塑狀，孔隙比大，含水量高，壓縮性大，強度低，如何處理好此類地基一直是水利工程建設(shè)領(lǐng)域的難點與關(guān)鍵點。對一定深度的軟土地基水利工程大體采用復(fù)合地基加固、樁基兩類處理方式，總結(jié)工程實踐，剛性樁可以有效保證深厚軟土地基的加固深度，但在發(fā)揮天然地基整體作用、增強天然地基整體穩(wěn)定性方面作用較弱，而通過使用復(fù)合地基加固技術(shù)可以增強天然地基強度和整體穩(wěn)定性?；诖?，對厚度大于15m的軟土層，以加強天然地基、與軟土地基共同承擔(dān)垂直與水平變形荷載為目的，提出了管樁長短樁、水泥攪拌樁淺層截滲墻、改良褥墊層等組合新型復(fù)合地基綜合處理技術(shù)，以解決深厚軟土地基水工建筑物沉降及水平變形控制問題，不斷創(chuàng)新與拓展深厚軟土地基加固處理技術(shù)。

1 地基設(shè)計

(1)結(jié)構(gòu)布置。裕溪節(jié)制閘是裕溪閘樞紐的主要泄水建筑物，設(shè)計流量1270m3/s，校核流量1475m3/s，為Ⅱ等大(2)型水閘。裕溪閘地質(zhì)條件差，閘室底板等結(jié)構(gòu)強度不足，需在老閘上游約45m處部分重建閘室。閘室為胸墻式結(jié)構(gòu)，共14孔，單孔凈寬8m，總凈寬112m。水閘底檻高程為3.0m，胸墻底高程10.0m，閘頂高程14.5m，閘室順?biāo)鞣较蜷L18m，閘室總寬度為134.4m。

(2)地基情況及基底應(yīng)力。根據(jù)地質(zhì)報告，閘址處地質(zhì)土層主要如下：

①粉質(zhì)壤土與灰色粉細(xì)砂互層，水平層理發(fā)育，多呈“千層餅”狀，粉質(zhì)壤土層厚度一般3mm～7mm，粉細(xì)砂層厚度一般1mm～2mm，厚度17m～30m；②粉細(xì)砂，飽和，以稍密狀為主。厚度15m～25m。③砂礫石，密實，飽水，層厚7m～11m。④泥質(zhì)粉砂巖，基巖頂面高程分別為-50.34m和-48.50m。

水閘持力層均為粉質(zhì)壤土與粉細(xì)砂互層(壤砂互層)，其天然含水率較高，一般32.8%～42.4%，孔隙比0.946～1.229，液性指數(shù)平均值0.82，土呈軟塑狀，壓縮系數(shù)平均值0.607MPa-1，壓縮模量平均值3.745MPa，具高壓縮性。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗修正擊數(shù)2.6擊～8.1擊，平均擊數(shù)4.8擊，承載力低。

閘基土具有高壓縮性，承載力低，抗剪強度低等工程特性，主要存在軟土沉降變形及不均勻沉降問題，節(jié)制閘自建成投入運行己有40多年，受當(dāng)時的技術(shù)水平限制，軟弱地基處理不徹底，雖經(jīng)多次加固，地基土己基本固結(jié)，閘室沉降亦己經(jīng)基本穩(wěn)定，但閘室的沉降量大(淺孔閘底板最大沉降量為42.1cm，深孔閘邊塊底板最大沉降量為16.8cm)，閘塊間的沉降不均勻問題亦十分突出，閘室每年隨水位的升降而降升，升降幅度10mm～20mm，致使建筑物出現(xiàn)諸多安全隱患，嚴(yán)重影響節(jié)制閘的正常使用。

由于地質(zhì)條件差，加之先天不足，雖經(jīng)多次加固，仍未根本消除險情，針對址處存在的深厚淤泥質(zhì)土層(深度大于20m)、水閘建成后地基將存在沉降量大、上下沉浮不均等問題進(jìn)行分析研究，提出采用管樁長短樁、水泥攪拌樁淺層截滲墻、改良褥墊層等組合新型復(fù)合地基綜合處理技術(shù)。

(3) 地基處理布置。以閘室、岸墻為例，布置如下：地基處理采用PHC管樁、水泥攪拌樁及塑性混凝土褥墊層加固。PHC管樁樁徑均為0.8m，型號為PHC-Bφ800(110)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，選用C80預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁，左、右岸岸墻樁長18.0m ～34.0m，樁距2.3m×2.5m，呈方形布置，兩側(cè)共布置144根樁。閘室共7節(jié)，采用長短樁布置，共布置455根樁，其中短樁長16.0m～25.0m，長樁長18.0m～34.0m，樁距2.65m×4.4m，呈梅花形布置，1～7#閘室底板素混凝土墊層下為塑性混凝土墊層，深度約1.5m，管樁長樁入墊層0.8m，短樁入墊層1m。水閘閘室上下游側(cè)、上游左右岸翼墻護(hù)坦側(cè)、下游翼墻消力池側(cè)均采用水泥(干法)攪拌樁圍護(hù)處理，樁徑為0.5m，樁長6m，均為2排，樁距、排距均為0.45m，樁身水泥摻入比取18%，3處共布置1652根樁。閘室、岸墻地基處理布置如圖1～3所示。

圖1 閘室PHC管樁復(fù)合地基處理縱剖面圖

圖2 閘室及岸墻PHC管樁長、短樁復(fù)合地基平面布置圖

圖3 閘室及岸墻PHC管樁長、短樁復(fù)合地基平面布置圖

(4)地基處理復(fù)核計算。根據(jù)文[6]管樁組合新型復(fù)合地基綜合處理采用多樁型復(fù)合地基計算公式如下：

其中,m1、m2分別為長、短樁的面積置換率;λ1、λ2分別為長、短樁的單樁承載力發(fā)揮系數(shù),多樁復(fù)核地基試驗按靜載荷試驗確定,取0.35;Ra1、Ra2分別為長、短樁的單樁承載力特征值(kN),分別為1280kN、718kN;Ap1、Ap2分別為長、短樁的截面面積(m2);β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),取0.9。計算復(fù)合地基承載力時,不考慮水泥攪拌樁的作用,只計算長、短樁與褥墊層組成的復(fù)合地基作用,經(jīng)計算fspk=109.3kPa,閘室地基平均應(yīng)力為101.5kPa,滿足地基承載力要求。

2 管樁組合新型復(fù)合地基綜合處理關(guān)鍵技術(shù)

管樁組合新型復(fù)合地基綜合處理關(guān)鍵技術(shù)及其特征如下：

(1)省內(nèi)首次采用PHC管樁水上打樁及長短樁工藝對大型水閘深厚軟基進(jìn)行加固處理。裕溪節(jié)制閘為跨河節(jié)制閘，具有蓄水、泄洪、防洪等多種功能，根據(jù)工期安排需在1個枯水期完成新建水閘的水下工程，由于該大型水閘軟基深厚，地基處理復(fù)雜，常規(guī)枯水期施工的地基處理方式，很難確保1個枯水期完成水下工程，選用PHC管樁加固地基，可在汛前采用打樁船在水上打樁完成大部分地基處理措施，汛后枯水期直接進(jìn)行褥墊層澆筑等結(jié)構(gòu)施工，可提前施工，延長施工時段，大大加快工程進(jìn)度，確保滿足施工進(jìn)度要求。PHC管樁長短樁布置，即可避免地基承載力過于保守，導(dǎo)致底板以下土體脫空，又可節(jié)約投資。

(2)首創(chuàng)適應(yīng)剛性樁變形協(xié)調(diào)的塑性混凝土褥墊層。該工程地基土總體上呈層土層砂狀，其水平滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于垂直滲透系數(shù)，當(dāng)一次洪水過程時間較短時，土滲透的各向異性就顯示出來，洪水來、退時過閘水重比浮托力變化快，如采用樁基處理，樁基與底板如果采用剛性連接，豎向位移較小，剛性樁、天然地基的變形模量差距較大，且分布不均勻，土體與底板無柔性過渡，底板以下土體與底板易脫空，從而易造成閘基滲流破壞；但采用復(fù)合地基方式需要有適宜的褥墊層，合理調(diào)整樁、土受力，保證復(fù)合地基整體作用。

針對本工程提出的復(fù)合地基，使用常用的水泥土褥墊層，在施工壓實或受力過程中，較易發(fā)生剛性樁向上刺入、歪斜等復(fù)合地基擾動，且天然地基強度低，水泥土施工難度增大，難免存在拌和或壓實不勻等質(zhì)量問題，影響褥墊層作用效果。剛性樁樁頂抗壓、抗沖切等對褥墊層強度要求相對較高，同時還要具有較好的變形能力、抗?jié)B能力、施工便捷等特點，因此褥墊層強度、變形模量、滲透系數(shù)等指標(biāo)較為重要。我們通過對不同材料性能的研究、材料配合比試驗、褥墊層厚度分析等，提出了改良塑性混凝土復(fù)合地基褥墊層材料及配比范圍、褥墊層厚度指標(biāo)等。

改良后的塑性混凝土褥墊層彈性較好、強度適中，可調(diào)整剛性樁、柔性及樁間土的受力，發(fā)揮復(fù)合地基整體作用。褥墊層頂面與建筑物基礎(chǔ)緊密結(jié)合，褥墊層底面與土體不脫離，通過計算分析，褥墊層本身不會發(fā)生沖切破壞，能滿足基樁抗沖切要求，具有較好的變形性能，墊層底部與地基緊密接觸，保證了樁、土的共同承擔(dān)荷載。因此當(dāng)?shù)鼗脸蕦油翆由盃睿渌綕B透系數(shù)遠(yuǎn)大于垂直滲透系數(shù)，洪水來、退時過閘水重比浮托力變化快，土體發(fā)生沉、浮變化時，褥墊層可有效調(diào)節(jié)剛性樁與土體共同受力，從而避免了造成對閘基滲流、抗滑穩(wěn)定及閘室構(gòu)件強度均不利情況。

(3)提出水泥攪拌樁淺層截滲墻組合布置限制上部軟土地基水平變形。在水壓力、基坑邊荷載作用下，軟土中的管樁作為擠土樁，水平位移往往容易受軟流塑土的影響增大，進(jìn)而易發(fā)生管樁擠斜或者剪斷破壞等情況，因此，在閘室上、下游各布置3排密打水泥攪拌樁淺層截滲墻，主要限制上部軟土地基水平變形，同時還具有降低施工期基坑承壓水頭影響、防止閘室局部地基土與褥墊層接觸滲流破壞等作用。

該關(guān)鍵技術(shù)點在本工程取得的效果如表1所列。

表1 關(guān)鍵技術(shù)點及取得的效果表

3 結(jié)束語

針對水利工程實踐中深厚軟土地基處理的問題，本文提出了管樁長短樁、水泥攪拌樁淺層截滲墻、改良褥墊層等管樁組合新型復(fù)合地基綜合處理技術(shù)通過逐步完善和優(yōu)化可應(yīng)用于大型泵站、水閘、涵閘等多個水利工程項目，與樁基相比，工程措施成本較低，施工方便，取得了良好的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境效益。