堤防工程軟土地基處理方式的研究和應(yīng)用

廖柳霞 陳麗麗 潘雪倩

（四川江源工程咨詢有限公司）

0 引言

岷江航電龍溪口樞紐工程位于四川岷江干流下游河段，是岷江下游河段（樂(lè)山－宜賓）航運(yùn)和水電規(guī)劃的第四個(gè)梯級(jí)。龍溪口庫(kù)區(qū)總共有10個(gè)防護(hù)區(qū)，防護(hù)區(qū)堤防工程級(jí)別均為4級(jí)，屬于非主體工程，防護(hù)堤長(zhǎng)達(dá)40多公里，其高度一般不超過(guò)10m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，初步認(rèn)為機(jī)場(chǎng)壩、康家壩、孝姑鎮(zhèn)和五一壩4個(gè)防護(hù)區(qū)有條件修建膠凝砂礫石壩，以上4個(gè)防護(hù)區(qū)，粉土層厚度約為0～8m，在分析了粉土地基的承載力、變形、振動(dòng)液化等特性后，針對(duì)防護(hù)區(qū)不同厚度的粉土地基提出了不同的處理措施，使地基條件滿足膠凝砂礫石的筑壩要求。

1 地基處理方式研究

1.1 全部深度挖除換填

針對(duì)粉土層地基的處理可采用多種方式，由于砂卵石基礎(chǔ)上修建膠凝砂礫石堤已有充足的理論及實(shí)驗(yàn)成果[1]支撐，并在犍為防護(hù)區(qū)開(kāi)始施工應(yīng)用，故可考慮粉土層全部深度挖除并換填砂卵石。但是，根據(jù)報(bào)告[2]及現(xiàn)場(chǎng)勘察，粉土層含水率22%，空隙比為0.84，比重為2.68，飽和度高達(dá)70%，對(duì)于深厚粉土層地段（最深超過(guò)8m），易出現(xiàn)護(hù)壁不穩(wěn)定、開(kāi)挖范圍增大、粉土出現(xiàn)流動(dòng)等問(wèn)題。

1.2 部分深度挖除換填

將基礎(chǔ)以下一定深度范圍的粉土挖除，以砂卵石分層充填并達(dá)到要求的密實(shí)度。龍溪口庫(kù)區(qū)防護(hù)堤有22.9km 段有條件修建膠凝砂礫石堤，其中粉土厚度在4m 以內(nèi)的有15.6km，占68%，因此初步擬定挖除深度為4m。此方法相對(duì)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可控，但換填砂卵石層之下還存在部分粉土下臥層，需計(jì)算換填深度和下臥層承載力。

1.3 強(qiáng)夯

強(qiáng)夯處理地基是利用夯錘自由下落產(chǎn)生的沖擊波使地基密實(shí)。報(bào)告[2]提出采用強(qiáng)夯對(duì)粉土層進(jìn)行處理，但粉土層含水率大、飽和度高，強(qiáng)夯易形成“彈簧土”，達(dá)不到加固地基的作用。

1.4 強(qiáng)夯置換

強(qiáng)夯置換是通過(guò)夯擊和填料形成置換體，使置換體和原地基土構(gòu)成復(fù)合地基來(lái)共同承受荷載。強(qiáng)夯置換的加固原理是：強(qiáng)夯（加密）+碎石樁+特大直徑排水井。對(duì)于飽和粉土，強(qiáng)夯置換是一種有效的處理方法。

1.5 剛性樁基

包括水泥土攪拌樁、旋噴樁、CFG 樁等，樁基與土體形成復(fù)合地基，可提高地基承載力、減少地基沉降、消除液化等。

1.6 膠凝土

在粉土中摻和膠結(jié)材料，形成膠凝土以提高地基性能。但此方法暫無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)（水泥含量、含水率等），在此暫不考慮此種方法。

2 方案選擇

在上述方法中初步擬定三個(gè)方案。由于現(xiàn)階段在砂卵石地基上修筑壩高14m 內(nèi)的膠凝砂礫石堤已有科研論證成果[1]和實(shí)際建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，因此方案1 為全部深度粉土層挖除換填。方案2 為4m 深度粉土層挖除換填，剩余粉土采用強(qiáng)夯置換處理。方案3 為4m 深度粉土層挖除換填，剩余粉土采用高壓旋噴樁處理，高壓旋噴樁深入砂卵石層1m。

2.1 地基承載力復(fù)核

2.1.1 方案1

粉土層較薄時(shí)，直接挖除全部粉土層，用砂卵石層作為持力層。砂卵石層地基承載力為400kPa，滿足承載力要求。

粉土層較厚時(shí)，挖除全部粉土層，并回填砂卵石至建基面高程。換填砂卵石的壓實(shí)系數(shù)在94%～97%時(shí)，承載力可達(dá)到200～300kPa，可滿足地基承載力要求。

2.1.2 方案2 與方案3

以換填為基礎(chǔ)，輔以強(qiáng)夯置換或高壓旋噴樁，通過(guò)計(jì)算確定換填深度、強(qiáng)夯置換參數(shù)和高壓旋噴樁參數(shù)，防護(hù)區(qū)的土層物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值見(jiàn)表3-1，計(jì)算成果見(jiàn)表3-2。

表3-1 防護(hù)區(qū)土層物理力學(xué)參數(shù)地質(zhì)建議值

表3-2 不同壩高下的換填深度

當(dāng)筑壩高度在8m 及8m 以內(nèi)時(shí)，基底最大壓力小于墊層底地基土承載力特征值，地基承載力滿足筑壩要求。

當(dāng)筑壩高度在10m 時(shí)，基底最大壓力為175kPa，大于粉土層承載力。經(jīng)驗(yàn)算，采用砂卵石換填2m 粉土層，地基承載力可滿足筑壩要求。

當(dāng)筑壩高度達(dá)到12m 時(shí)，若僅采用換填法處理地基，換填深度需達(dá)到5m，加上基礎(chǔ)埋深1m，總挖除深度達(dá)到6m，與最大粉土層厚度相當(dāng)。由此，建議此處先挖除3m 厚粉土，并進(jìn)一步處理剩余粉土層地基，使粉土開(kāi)挖面的地基承載力超過(guò)231kpa，然后在處理后的粉土層上換填2m 厚砂卵石。

（1）下部強(qiáng)夯置換

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，強(qiáng)夯置換復(fù)合地基承載力可按下式估算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa）；m為面積置換率；n 為復(fù)合地基樁土應(yīng)力比；Ap為樁的截面積（m2）。

代入計(jì)算可得強(qiáng)夯置換率為：m=0.282。

為提高地基承載力，初步選擇表3-3 中的參數(shù)作為強(qiáng)夯置換試驗(yàn)參數(shù)：

表3-3 強(qiáng)夯置換試驗(yàn)參數(shù)

夯點(diǎn)按等邊三角形布置，墩的直徑取1.7m，夯點(diǎn)間距取3m，置換率可達(dá)0.291，滿足上述計(jì)算要求。

圖3 強(qiáng)夯置換示意圖

夯點(diǎn)每邊超出基礎(chǔ)處理深度的1/2～2/3，且不應(yīng)小于5m。置換填料可采用級(jí)配良好的塊石、碎石等堅(jiān)硬粗顆粒材料，粒徑大于300mm 的顆粒含量不宜超過(guò)30%。墩頂鋪設(shè)一層厚度500mm 的壓實(shí)墊層，墊層材料宜與墩題材料相同，粒徑不宜大于100mm。每個(gè)擊點(diǎn)夯擊12～18 次，最后兩擊平均沉降量不宜大于50mm，夯坑周?chē)话l(fā)生過(guò)大隆起。點(diǎn)夯6～8 遍，最后以低能滿夯2 遍，滿夯可采用輕錘或低落距錘多次夯擊，錘印搭接。當(dāng)處理后形成2m以上厚度的硬層時(shí)，其承載力可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單墩復(fù)核地基靜載荷試驗(yàn)確定。

（2）下部高壓旋噴樁

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，高壓旋噴樁復(fù)合地基承載力可按下式估算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa）；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；m 為面積置換率；為單樁豎向承載力特征值（kN）；為樁的截面積（m2）；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)。

為提高地基承載力，初步選擇表3-4 中的參數(shù)作為高壓旋噴樁試驗(yàn)參數(shù)：

表3-4 高壓旋噴樁試驗(yàn)參數(shù)

夯點(diǎn)按等邊三角形布置，置換率可達(dá)0.463，滿足上述計(jì)算要求。

圖4 高壓旋噴樁示意圖

2.2 沉降變形復(fù)核

文獻(xiàn)[4]中對(duì)沉降量的規(guī)定：“竣工后的壩頂沉降量不宜大于壩高的1%”。對(duì)于堤防工程，文獻(xiàn)[5]中只提出“竣工后堤基和堤身的總沉降量和不均勻沉降量不應(yīng)影響堤防安全和運(yùn)用”。與砂卵石層相比，粉土壓縮變形量較大，通過(guò)計(jì)算分析，給出了換填后不同壩高下的壩體沉降變形值，如表3-5 所示，括號(hào)中數(shù)值代表粉土層的變形值。

表3-5 不同壩高下的沉降變形

結(jié)果表明：壩高在12m 之內(nèi)時(shí)，砂卵層地基的變形約3-4cm，與報(bào)告[1]中有限單元法計(jì)算成果一致。雖然采用換填2m 能減少部分沉降量，但對(duì)于深厚粉土層，粉土層的變形達(dá)到總變形量的35%-74%，是地基沉降的主要因素。因此，提前消除粉土層沉降，對(duì)控制壩體的沉降變形有重要意義。

三個(gè)方案提出的地基處理措施，不僅可以提高地基承載力，也能提前固結(jié)土層、消除部分基礎(chǔ)沉降。由此，推薦采用上述措施提前處理壩體沉降變形，處理效果需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步確認(rèn)。

2.3 粉土液化程度復(fù)核

防護(hù)工程區(qū)地處Ⅶ度地震區(qū)，報(bào)告[2]中認(rèn)為：砂卵礫石層為非液化土層，粉土屬可液化土。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，地基液化等級(jí)可采用液化指數(shù)IlE來(lái)判別。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫試驗(yàn)，成果見(jiàn)表3-6，防護(hù)區(qū)場(chǎng)地液化等級(jí)為中等，需采取一定的基礎(chǔ)處理措施。三個(gè)方案提出的地基處理方式，不僅能提高承載力、減少變形，也能提高地基抗液化能力。在此，對(duì)三個(gè)地基處理方案的抗液化效果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

表3-6 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)貫成果及液化指數(shù)

2.3.1 方案1

粉土全部挖除或換填為砂卵石后，地基全部為砂卵石層，不存在液化問(wèn)題。

2.3.2 方案2

（1）粉土厚度小于4m

對(duì)于厚度在4m 內(nèi)的粉土層，采取全部挖除的方法，使壩基置于砂卵石層上，不存在液化的問(wèn)題。

（2）粉土厚度大于4m

按照3.1.2 中建議的強(qiáng)夯置換參數(shù)，置換樁樁徑1.7m，樁距3m，置換率為0.282。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，擠土樁打樁后樁間土的標(biāo)貫擊數(shù)可由下式確定：

式中：N1為打樁后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)；ρ為打入式樁的面積置換率；Np為打樁前的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)。

強(qiáng)夯置換處理前后的標(biāo)貫擊數(shù)（以3#孔為例）見(jiàn)表3-7：

表3-7 強(qiáng)夯置換前后標(biāo)貫擊數(shù)對(duì)比表

經(jīng)強(qiáng)夯置換處理后，各個(gè)深度的標(biāo)貫擊數(shù)N1均大于液化判別標(biāo)貫擊數(shù)臨界值Ncr，可認(rèn)為處理后的地基基本不再發(fā)生液化。

2.3.3 方案3

（1）粉土厚度小于4m

對(duì)于厚度在4m 內(nèi)的粉土層，采取全部挖除的方法，使壩基置于砂卵石層上，不存在液化的問(wèn)題。

（2）粉土厚度大于4m

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，樁基是全部消除地基液化的措施之一，樁端深入液化深度以下砂卵石層的長(zhǎng)度不應(yīng)小于0.8m。方案3 高壓旋噴樁深入砂卵石層1m，滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，綜合考慮地基承載力、變形和粉土液化等因素，對(duì)粉土層地基的處理提出以下三種方案：

方案1：全部挖除換填

（1）粉土層較薄時(shí)，直接挖除全部粉土層，用砂卵石層作為持力層；

（2）粉土層較厚時(shí)，挖除全部粉土層，并回填砂卵石至建基面高程。

方案2：部分挖除換填+強(qiáng)夯置換

（1）粉土厚度不大于4m 時(shí)，采用全部挖除的方法處理；

（2）粉土厚度大于4m 時(shí)，挖除表面3m 厚粉土，用強(qiáng)夯置換處理剩余粉土層，墩頂鋪設(shè)一層厚度500mm 的壓實(shí)墊層，最后鋪設(shè)1.5m 厚砂卵石層。

方案3：部分挖除換填+高壓旋噴樁

（1）粉土厚度不大于4m 時(shí)，采用全部挖除的方法處理；

（2）粉土厚度大于4m 時(shí)，挖除表面3m 厚粉土，用高壓旋噴樁處理剩余粉土層，樁端深入砂卵石層1m，樁頂鋪設(shè)一層厚度300mm 的褥墊層，最后鋪設(shè)1.7m 厚砂卵石層。