濕法深層攪拌樁在小型水利工程中的應用

韓軍民

（華信天禹水利工程有限公司）

1 深層攪拌法應用發(fā)展歷史

深層攪拌法最初被稱為Mixed-in-place pile（簡稱MIP法），在美國研制成功。國內1977年開始引入并研制。1995年始用于閘基、泵站等水利工程構成復合地基，1996年單頭深層攪拌樁用于沂沭河攔河壩壩基防滲，效果較好。水利部淮委基礎公司為降低造價，提高工效，于1997年發(fā)明了多頭小直徑深層攪拌截滲技術，而后由北京振沖江河截滲公司研制出多種規(guī)格的多頭小直徑深層攪拌施工設備，極大推動了深層攪拌法在水利工程中的應用。

2 深層攪拌樁的分類

①按使用水泥的不同物理狀態(tài)、施工工藝，分為漿液攪拌法（濕法）和粉體攪拌法（干法）兩類。中國以水泥漿體深層攪拌樁應用較廣，粉體深層攪拌樁宜用于含水量>30%的土體。②按深層攪拌機械具有的攪拌頭數，分為單頭、雙頭和多頭深層攪拌樁。③按樁體內是否有加筋材料，分為加筋和非加筋樁。一般采用毛竹、鋼筋等加筋材料，以增強其勁性。

3 適用土質

深層攪拌法適用黏性土、粉土、砂土、黃土、淤泥、淤泥質土和素填土等土層。黏性土、粉質粘土、粉土、砂土等含水量較高的軟土地基承載力應<140 kPa。含高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等礦物的土層加固效果最佳；含伊里石、氯化物和水鋁英石等礦物或原始抗剪強度在20～30 kPa 土層加固效果較差。泥炭質土、塑性指數>25的黏土、有機質土、含礫直徑<50 mm的砂礫層，酸堿度較低（pH<7）及地下水有侵蝕性時，宜通過試驗確定其適用性。雜填土厚度大且含直徑>100 mm 的石塊或其他障礙物時，應將障礙物清除。

4 水利工程中的應用

4.1 防滲墻應用

4.1.1 基本情況

四里井水庫位于信陽市平橋區(qū)龍井鄉(xiāng)政府南3 km處的南雷營村，處于淮河支流洋河支溝上，1974 年建成，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧水產養(yǎng)殖等綜合利用的?。?）型水庫，控制流域面積3.94 km2。大壩為均質土壩，壩頂長547 m，寬6 m。

4.1.2 壩體存在滲漏問題

四里井水庫建成于“文革”期間，受客觀條件限制，建壩采用群眾性人力施工，施工質量從上壩土料的方法上均沒有保證，因此，大壩填筑質量存在較大問題。壩體土料有相當一部分含有機質耕作土，很濕，呈可塑～軟塑狀，鉆進中有縮徑現象，壩體填筑密度為稍密～中密。滲透系數7.85×10-4～1.41×10-5cm/s，屬于弱～中等透水性。

現狀大壩下游坡常年有滲水現象，河槽段滲水較為嚴重，壩腳沼澤化。高水位時背水坡78.00 m高程以下河槽段及臺地段均出現大面積滲水，并伴有散浸現象。壩體與山體結合部滲水，有明流。右岸臺地有一水井，井內常年有水，且水位與庫水位關系密切。

大壩壩基為密實的更新統(tǒng)（Q3）老粘土，滲透系數K<10-6cm/s，屬不透水層；主河槽附近壩基低液限粘土之上為淤泥和低液限粉土，為老河道沉積物，滲透系數K=（4.49～5.70）×10-6cm/s，屬微透水，不存在壩基滲漏。

4.1.3 加固方案

大壩采用深層攪拌水泥土防滲墻處理，處理范圍為樁號0-005～0+515壩段，防滲墻底部伸入壩基以下2.00 m，為不影響壩頂交通，防滲墻布置在壩頂上游，中心線距上游壩肩1.00 m。攪拌樁直徑為50 cm，樁距40 cm，樁與樁搭接長度10 cm，墻體厚度為30 cm。水灰比1.50∶1，水泥土中水泥摻入比為12%。

4.1.4 加固前后壩體滲流的理論分析

選取大壩主河槽最大壩高處斷面作為典型斷面，具有代表性。大壩土層的滲透系數取4.00×10-4cm/s，計算工況取興利水位81.90 m、20 a 一遇的設計洪水位82.56 m 和100 a 一遇校核洪水位82.91 m 三種情況。典型斷面在三種工況下，為下游無水的不透水地基上均質土壩，計算結果如表1。

表1 大壩加固前滲流計算結果表

雖然理論計算的壩坡滲透坡降小于允許滲透坡降，但浸潤線逸出點較高，壩體滲漏量較大，滲漏損失約占興利庫容的29.10%，影響水庫效益發(fā)揮。理論計算結果與壩體實際存在滲漏現象基本一致，壩體滲流性態(tài)不安全。

加固后壩體土層的滲透系數取4.00×10-4cm/s，水泥土防滲墻滲透系數取1.00×10-6cm/s。加固后壩體滲流理論計算結果見表2。

表2 大壩加固后滲流計算結果表

由計算結果知，除險加固后，壩體滲漏量大幅減小，浸潤線明顯降低。說明處理效果明顯，大壩滲流性態(tài)趨于安全。

4.1.5 實際防滲加固效果

防滲加固后至今，河槽段滲水、壩腳沼澤化現象已經逐漸消失，高水位時背水坡78.00 m 高程以下河槽段及臺地段已無滲水現象，右岸臺地水井內水位不再隨庫水位變動。壩腳處量水堰量測得滲漏量為2 L/s，滲漏量很小，滲漏損失占興利庫容的3.70%，對水庫效益影響甚微，說明壩體滲漏處理效果顯著。

4.2 復合地基應用

4.2.1 基本情況

肖王下水庫位于平橋區(qū)肖王鄉(xiāng)肖王村，處在淮河流域洋河支流上。該水庫是一座以防洪、灌溉為主，結合水產養(yǎng)殖等綜合利用的小⑴型水庫。左溢洪道拆除為泄洪閘，由進口引渠段、閘室段、陡坡段、消能防沖設施、尾水渠段組成。閘底板高程51.30 m，設5孔閘門，過流凈寬40.00 m。

4.2.2 存在問題

溢洪道泄洪閘底板坐落在填土層上，黃色～棕黃色，稍濕，物質組成以粉質粘土為主，密實性差，孔隙發(fā)育，結構較疏松，N=6～7 擊，層厚8.20～8.50 m，地基承載力特征值為70 kPa。經閘室及邊墻穩(wěn)定計算，閘室段及擋墻段基底最大應力分別為82 kPa和115 kPa，均大于地基允許承載力，所以溢洪道閘室及擋墻是不穩(wěn)定的，需要進行地基處理。

4.2.3 加固方案

采用水泥土攪拌樁進行地基處理，攪拌樁根據《建筑地基處理技術規(guī)范》進行設計，攪拌樁樁徑取0.45 m，水泥摻入比15%，水灰比1.50:1。

水泥土攪拌樁單樁豎向承載力Ra 按下列兩式計算：由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力Ra：

式中：Ra-單樁豎向承載力特征值（kPa）；qsi-樁周第i 層土的側阻力特征值（kPa）；Ap-樁的截面積（m2）；up-樁的周長（m）；Li-樁長范圍內第i層土的厚度（m）；qp-樁端土未經修正的承載力特征值（kPa）；α-樁端阻力發(fā)揮系數，取0.50。

由樁身材料強度確定的單樁承載力Ra′：

式中：Ra′-單樁豎向承載力特征值（kPa）；fcu-與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊，邊長為70.70 mm 的立方體在標準養(yǎng)護條件下90 d 齡期的立方體抗壓強度標準值（kPa）；η-樁身強度折減系數，取0.25。

經計算，Ra≤Ra′，取Ra進行計算。

復合地基的承載力標準值fspk由下式計算：

式（3）（4）中：Ra-單樁豎向承載力特征值（kPa）；λ-單樁承載力發(fā)揮系數，取1.00；m-面積置換率；Ap-樁的截面積（m2）；β-樁間承載力發(fā)揮系數，取0.40；d-樁身直徑，d=0.45 m；s-樁間距；fsk-處理后樁間土承載力特征值。

經計算，閘底板下樁長8 m，直徑0.45 m，呈1.50 m×1.50 m梅花型布置，共需攪拌樁136 根；進口段擋墻下樁長5 m，直徑0.45 m，呈1.00 m×1.00 m 梅花型布置，共需攪拌樁24 根；陡坡段擋墻下樁長1～5 m，直徑0.45 m，呈1.00 m×1.00 m梅花型布置，共需攪拌樁72根。

4.2.4 加固效果

肖王下水庫左溢洪道泄洪閘現已建成運用，且經過汛期洪水考驗，閘室及擋墻均安全運行，未發(fā)現不均勻沉降及位移現象，說明地基處理效果明顯，達到設計要求。

5 結語

深層攪拌樁作為一種技術成熟、造價合理、施工簡便的工程措施，以前多用于建筑地基處理，近年來，隨著一大批小型水利工程的實施，深層攪拌樁得到大力推廣應用，尤其是漿液攪拌法（濕法）的施工工藝在不同的工程中應用的更加廣泛，且效果明顯。略有不足之處在于，施工機械較大較長，部分工程無法提供合適的施工條件，采用該法存在制約。