水泥土攪拌樁在梁寨閘地基處理中的應(yīng)用

李洋洋，鄒福建，楊 寧，張崴棟

(徐州市水利建筑設(shè)計研究院，江蘇 徐州 221000)

軟弱土層承載力低下，是制約工程建設(shè)的一個重要因素[1-3]。尤其是水利工程建設(shè)，河道軟土層分布范圍廣、厚度大，處理難度高。目前，針對軟土處理的方法主要包括換填法、復(fù)合地基、擠密法等[4-8]。不同的處理方法適用于不同的地層和地基承載力要求值。地基承載力是地基土的一個重要參數(shù)，現(xiàn)場荷載試驗(yàn)是獲取承載力的重要方法，其測試結(jié)果較室內(nèi)試驗(yàn)更為準(zhǔn)確，在工程中應(yīng)用較廣[9-14]。結(jié)合梁寨閘對水利工程軟土地基處理方法進(jìn)行研究。

1 工程概況

梁寨站位于豐縣梁寨鎮(zhèn)鄭集南支河上，是豐縣南線調(diào)水第二級泵站工程，由梁寨南站和梁寨北站共同組成。該站的主要作用是將范樓站來水二級提升，向豐縣東南部大沙河河川水庫不斷補(bǔ)充水源，增加調(diào)蓄能力，改善水質(zhì)，促進(jìn)大沙河兩岸的開發(fā)和利用，為豐縣南部及北部部分地區(qū)農(nóng)作物提供灌溉用水。

梁寨南站建成于1986年8月，與水閘結(jié)合興建，布置在水閘下游右岸翼墻外側(cè)，共安裝5臺軸流泵，單機(jī)流量為2m3/s，單機(jī)功率為180kW，設(shè)計流量為10m3/s，裝機(jī)總功率為900kW?，F(xiàn)狀梁寨閘為3孔4m開敞式水閘，10年一遇除澇流量為63m3/s，20年一遇行洪流量為82m3/s，經(jīng)過多年運(yùn)行，已破損嚴(yán)重，屬病險水閘，急需改造。梁寨北站建于1997年，布置在水閘下游左岸，安裝4臺36ZLB2.8-6.7軸流泵，單機(jī)流量為2.5m3/s，功率為250kW，設(shè)計流量為10m3/s。

泵站基底高程為30.3m，水閘基底高程為34.2m，持力層均為②層砂壤土夾粉砂，允許承載力為90kPa，層厚5.6～6.5m，層底高程為29.38～30.01m；下臥層為壤土，允許承載力為120kPa，層厚1.0～1.7m；其下為含砂壤土層，允許承載力為220kPa，層厚1.5～1.8m。

2 水泥土攪拌樁設(shè)計

2.1 水泥土攪拌樁方案

梁寨閘站翼墻、閘室及清污機(jī)橋基礎(chǔ)坐落在②層砂壤土夾粉砂，根據(jù)地質(zhì)報告，該層為地震液化土層，允許承載力為90kPa，層厚5.6～6.5m，層底高程為29.37m；泵室坐落在壤土層，允許承載力為120kPa，層厚2.3～3.3m；其下為含砂壤土層，允許承載力為220kPa，層厚2.5～2.1m。經(jīng)計算，站身完建期最大基底反力為173.3kPa，最小基底反力為164.12kPa，平均基底反力為168.7kPa，閘室完建期最大基底反力為117.6kPa，最小基底反力為63.8kPa，平均基底反力為91kPa。持力層為壤土層，承載力為90kPa，不滿足要求，需要進(jìn)行地基處理。

下游一節(jié)翼墻經(jīng)計算，完建期最大基底反力為132kPa，最小基底反力為128kPa，平均基底反力為130kPa。持力層為壤土層，承載力為90kPa，不滿足要求，需要進(jìn)行地基處理。

以站室地基處理設(shè)計為例，站室設(shè)計采用Φ50cm水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行地基加固處理，水泥摻入量為15%，具體設(shè)計如下：

(1)樁的布置形式

擬采用Φ50cm水泥土攪拌樁加固形式，周長為1.57m，面積為0.196m2。

(2)估算樁豎向承載力

水泥土攪拌樁的單樁豎向承載力按以下兩個公式計算，取其中小值：

Ra=up∑qsili+αqpAp

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中，up—攪拌樁周長，取1.57 m；qsi—第i層土的側(cè)阻力特征值，取12 kPa；li—樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；qp—樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，取220kPa；α—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.4；Ap—樁截面積，取0.196m2；η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，取1600kPa。

經(jīng)計算，Ra1=92.63kN，Ra2=78.5kN，故取Ra=78.5kN作為單樁的豎向承載力。

(3)確定加固區(qū)的面積置換率及樁數(shù)

根據(jù)復(fù)合地基承載力計算公式

(3)

(4)

(5)

式中，m—面積置換率；fspk—復(fù)合地基承載力，站身取170kPa；fsk—樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值；β—樁間土承載力折減系數(shù)，取0.8；A—加固區(qū)總面積。

按上述計算閘室、翼墻、檢修間等各個建筑物面積置換率及根數(shù)計算值見表1。

表1 地基處理成果表

2.2 水泥土攪拌樁加固效果分析

2.2.1現(xiàn)場試驗(yàn)

為了研究水泥土攪拌樁加固后的效果，獲取復(fù)合地基的承載力特征值，采用現(xiàn)場荷載試驗(yàn)進(jìn)行研究。荷載試驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可以得知，采用水泥土攪拌樁處理后的復(fù)合地基承載力有了較為顯著的提升。其中水泥土攪拌樁的樁身承載力較大，約為470kPa，樁間土在水泥土攪拌樁的影響下，承載力提高至160kPa，綜合計算，水泥土攪拌樁復(fù)合地基的承載力約為240kPa，滿足設(shè)計要求值，表明水泥土攪拌樁加固效果良好。

表2 現(xiàn)場荷載試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2加固效果數(shù)值模擬分析

(1)數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)地質(zhì)勘察報告可知，梁寨閘地基土層主要為②層砂壤土夾粉砂、壤土層、含砂壤土層。根據(jù)設(shè)計樁長及樁間距以及地層條件建立FLAC3D數(shù)值模擬模型。研究復(fù)合地基施工完成后，上部主體建筑施工過程中以及后期建設(shè)完成運(yùn)行期間水泥土攪拌樁、樁間土的沉降變形特征和樁土應(yīng)力比變化特征。數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 FLAC3D數(shù)值模擬模型

(2)數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

①沉降變形分析

施工期以及施工完成后運(yùn)行期間水泥土攪拌樁和樁間土的沉降變形結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以得知，上部主體結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)行期間，水泥土攪拌樁和樁間土的沉降變形量隨著時間推移而增大，變形速率在施工期間基本保持穩(wěn)定，在主體結(jié)構(gòu)完成后，變形速率有所下降，運(yùn)行一段時間后，沉降變形量趨于穩(wěn)定。主體結(jié)構(gòu)施工初期，上部荷載較小，樁間土和水泥土攪拌樁以相同的速率發(fā)生沉降變形，隨著結(jié)構(gòu)施工進(jìn)程，上部荷載不斷增大，逐漸超過樁間土承載力，此時樁間土沉降變形速率大于樁的沉降變形速率。樁間土與樁的沉降差值在主體結(jié)構(gòu)施工完成時最大。之后，由于荷載基本不發(fā)生變化，樁和樁間土工程承載上部荷載，樁、土沉降差逐漸減少。

圖2 沉降變形監(jiān)測結(jié)果

②樁土應(yīng)力比研究

樁土應(yīng)力比是反應(yīng)樁和樁間土承受荷載大小的比值。樁土應(yīng)力比在主體結(jié)構(gòu)施工、完工期的變化過程如圖3所示。從圖3中可以得知，上部結(jié)構(gòu)開工后，上部荷載小于樁間土承載力值，樁土應(yīng)力比較小，此時樁、土承受荷載大小基本一致；在施工過程中，上部荷載逐漸增大，超過樁間土承載力，此時，水泥土攪拌樁承擔(dān)的荷載大于樁間土荷載。完工后，樁土應(yīng)力比達(dá)到最大值。之后，隨著上部荷載趨于穩(wěn)定，樁間土不斷固結(jié)，承載力有所提高，樁土應(yīng)力比下降。

圖3 樁土應(yīng)力比

3 結(jié)論

(1)梁寨閘地基軟土層厚度較大，承載力不滿足要求，需要對地基進(jìn)行處理。通過計算，確定了水泥土攪拌樁參數(shù)。

(2)通過現(xiàn)場荷載試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥土攪拌樁處理后的復(fù)合地基承載力明顯提高，可滿足設(shè)計要求。

(3)復(fù)合地基沉降變形隨著上部結(jié)構(gòu)施工、荷載增大而逐漸增大，施工完成后，沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定。樁土沉降差在施工完成時最大，之后逐漸減小。

(4)樁土應(yīng)力比與上部荷載變化關(guān)系密切。隨著上部結(jié)構(gòu)施工，樁土應(yīng)力比逐漸增大，直至施工完成達(dá)到最大值。之后，隨著樁間土固結(jié)，承載力提升，樁土應(yīng)力比逐漸減小。