孟范兵,夏珊珊

(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)

1 工程概況和地質(zhì)

九里西排澇站位于唐山保莊圩堤防樁號1+471，距東津渡大橋約0.51 km。10年一遇設(shè)計抽排流量為2.61 m3/s，裝機(jī)功率為300 kW，站涵結(jié)合自排和引水灌溉，設(shè)計自排流量為3.9 m3/s。位于2級唐山保莊圩堤防上，為堤后式穿堤排澇站，等別為Ⅳ等，堤頂高程為26.0 m，泵房及輸水涵洞底檻高程為15.8 m。

表1 九里西排澇站各土層指標(biāo)建議值

2 地基處理方案選擇

站址的基建面位于②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土中，泵房、壓力水箱、輸水涵洞、上游翼墻及下游U形槽基礎(chǔ)等部位基底應(yīng)力均大于70 kPa，存在承載力不足和沉降變形問題，且建基面以下②層厚9 m左右，結(jié)合建建筑物防滲穩(wěn)定要求，建議地基處理采用水泥土攪拌樁。

水泥土攪拌樁[1]通過機(jī)械將土與水泥強(qiáng)制拌和，土和水泥發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)硬結(jié)成具有強(qiáng)度較高、水穩(wěn)性和整體性的水泥土樁，與樁間軟弱土形成復(fù)合地基，因此，增大地基承載力，減少地基沉降和加強(qiáng)地基穩(wěn)定性，適宜處理深15 m以內(nèi)的軟土。根據(jù)水泥摻入狀態(tài)不同，分為濕法和干法兩種，一般認(rèn)為濕法水泥劑量和攪拌均勻容易控制，成樁質(zhì)量效果好[2]；而干法噴粉量和攪拌質(zhì)量很難把控，相對濕法成樁質(zhì)量較差，但干法施工，粉體能吸收軟土的水，適合含水量高的軟土地基[3]。

通過鉆桿旋轉(zhuǎn)反向，有雙向及單向水泥土攪拌樁兩種施工工藝[4]，單向水泥土攪拌樁有以下缺點：在水平和垂直方向很難把水泥土攪拌均勻；因噴漿壓力、土壓力、孔隙水壓力容易導(dǎo)致水泥漿沿鉆桿上行冒出地面，減少水泥漿摻入量和減弱復(fù)合地基承載力。為避免單向水泥土攪拌樁的缺點，研究一種新型釘型水泥土雙向攪拌樁，成樁機(jī)械的鉆桿改進(jìn)為同心雙軸，即外鉆桿上安裝反向旋轉(zhuǎn)葉片，內(nèi)鉆桿上安裝噴漿口和正向旋轉(zhuǎn)葉片，施工中正反向旋轉(zhuǎn)葉片一起雙向攪拌水泥土，再加上外桿上的葉片反向旋轉(zhuǎn)的壓漿作用，能避免水泥漿冒出地面，攪拌及水泥漿在樁體中均勻分布易控制，保證樁體質(zhì)量。

釘形水泥土雙向攪拌樁[5]有下面優(yōu)勢：樁和擴(kuò)大頭施工1次完成，操作簡單；通過樁頂荷載和土拱作用，擴(kuò)大頭能保證樁體和樁間土變形協(xié)調(diào)，復(fù)合地基效果更好；考慮附加應(yīng)力向下減小特點，增大土體上部復(fù)合地基承載力；成樁形似“釘子”，上部擴(kuò)大頭如承臺一樣，能對褥墊層的要求適當(dāng)降低；擴(kuò)大頭作用以及環(huán)形對稱邊載效應(yīng)，利用環(huán)形對稱邊載荷擴(kuò)大頭作用，能增大樁間距，降低投資[6]。

鑒于釘型水泥土雙向攪拌樁[7]在中等厚度軟弱土地基處理上的優(yōu)勢，采用釘型水泥土雙向攪拌樁對九里西排澇站泵房、輸水涵洞及上下游翼墻進(jìn)行地基加固處理。

3 水泥土雙向攪樁復(fù)合地基處理設(shè)計

3.1 攪拌樁布置技術(shù)要求

樁長和樁距應(yīng)根據(jù)復(fù)合地基承載力和沉降變形滿足建筑物設(shè)計要求確定，宜穿過軟弱土層，進(jìn)入強(qiáng)度相對較高硬土層不小于1.5 m；本工程水泥土攪拌樁水泥摻入比為18%，水泥采用普通硅酸鹽水泥、強(qiáng)度為42.5，水灰比為0.5，樁徑為0.5 m，其中釘型水泥土雙向攪拌樁上部擴(kuò)大頭直徑為1 m、長度為4 m。

3.2 復(fù)合地基承載力確定

1)單樁豎向抗壓承載力特征值Ra

根據(jù)《釘形水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程》JG/T 024—2007，當(dāng)有單樁荷載試驗時，為單樁豎向極限承載力的1/2，當(dāng)無單樁荷載試驗資料時，按式(1～4)計算。

① 如果樁身強(qiáng)度滿足：

則單樁極限承載力應(yīng)由下式確定：

(1)

② 如果樁身強(qiáng)度滿足：

則單樁極限承載力應(yīng)由下式確定：

(2)

③ 如果樁身強(qiáng)度滿足：

則單樁極限承載力應(yīng)由下式確定：

Ra3=η1fcu,kAp1

(3)

Ra=min{Ra1，Ra2，Ra3}

(4)

式中Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；fcuk為與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固土試塊的90 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值[8]，kPa，本工程為1 800 kPa；η1為擴(kuò)大頭部分樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，η1可取0.6～0.8；η2為擴(kuò)大頭以下部分樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，η2可取0.5～0.65；qpa為變截面處地基土承載力特征值，kPa；qpb為樁端土地基承載力特征值，kPa；qsi為擴(kuò)大頭深度范圍內(nèi)第i層樁周土摩阻力特征值，kPa；qsj為下部樁體第j層樁周土摩阻力特征值，kPa；Ap1、Ap2為分別為擴(kuò)大頭部分及下部樁體的樁截面積,m2；up1、up2為分別為擴(kuò)大部分、及下部樁體的截面周長,m；hi、hj為分別為擴(kuò)大頭深度范圍內(nèi)第i層、及下部樁體第j層樁周土厚度,m；n1、n2為分別為擴(kuò)大頭和下部樁體深度范圍內(nèi)樁周土分層數(shù)；α1為變截面處天然地基土承載力折減系數(shù)，可取0.8～0.9；α2樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6。

2)水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基承載力fspk

釘形水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值，應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定，按式(5)估算。

(5)

復(fù)合地基置換率m影響復(fù)合地基承載力大小，調(diào)整樁間距，也相應(yīng)改變復(fù)合地基承載力大小。泵房及壓力水箱底板下釘型水泥土雙向攪拌樁單樁豎向抗壓承載力和復(fù)合地基承載力特征值計算過程見表2，泵站各部位單樁豎向抗壓承載力和復(fù)合地基承載力特征值計算結(jié)果見表3。

表2 泵房及壓力水箱底板下攪拌樁單樁豎向抗壓承載力和復(fù)合地基承載力特征值詳細(xì)計算過程

表3 水泥土雙向攪拌樁設(shè)計成果

3.3 復(fù)合地基沉降計算

復(fù)合地基沉降由加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2組成[9]，其中加固區(qū)復(fù)合土層壓縮變形量S1，由擴(kuò)大頭深度范圍內(nèi)復(fù)合土層壓縮變形量S11和下部樁體深度范圍內(nèi)復(fù)合土層壓縮變形量S12組成，其中S11、S12均由公式(6)計算，S2分由式(7)計算：

(6)

(7)

第i層復(fù)合地基的壓縮模量可按下式計算：

Espi=miEp+(1-mi)Esi

(8)

式中P0為作用于底板底面的附加應(yīng)力,kPa；zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面距離,m；αi、αi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)；Espi、Esi為分別為第i層土復(fù)合地基壓縮模量、天然地基土壓縮模量,MPa；Ep為攪拌樁壓縮模量,MPa，可取(150～180)fcu，mi為第i層攪拌樁復(fù)合地基置換率；Ψs為復(fù)合地基加固區(qū)下臥土層壓縮變形量計算經(jīng)驗系數(shù)。

泵站各部位最大沉降量見前文表2，沉降量滿足設(shè)計要求。且2020年4月建成至今，對建筑物沉降進(jìn)行觀測，各部位沉降量為15～35 mm，沉降量及沉降差很小。

3.4 攪拌樁布置

在水泥土攪拌樁與底板之間設(shè)置褥墊層[10]，合理調(diào)整樁、土受力，保證樁和土共同受力形成復(fù)合地基，考慮水利建筑地基的防滲要求，采用摻入比8%的水泥土褥墊層。

根據(jù)水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基承載力和沉降計算，泵房、壓力水箱及輸水涵洞基礎(chǔ)采用釘型水泥土雙向攪拌樁，上部擴(kuò)大頭直徑為1 m、下部樁徑為0.5 m，擴(kuò)大頭長度為4 m，泵房及壓力水箱樁間距為2 m×2 m；輸水涵洞上覆土較厚、基底應(yīng)力偏大，涵洞基礎(chǔ)攪拌樁采用格構(gòu)墻布置，達(dá)到控制土體側(cè)向變形效果；上游翼墻及下游U形槽基礎(chǔ)采用樁徑為0.5 m的水泥土雙向攪拌樁，樁間距為1 m×1 m。各部位攪拌樁均穿過②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、進(jìn)入強(qiáng)對相對較高的⑤粘土夾礫石層1.5 m。九里西排澇站水泥土雙向攪拌樁地基處理設(shè)計成果見前文表3，水泥土攪拌樁復(fù)合地基布置見圖1。

圖1 水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基布置示意(單位：mm)

4 地基加固的施工技術(shù)要求及質(zhì)量控制

1)水泥采用普通硅酸鹽水泥42.5，質(zhì)量應(yīng)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)國家標(biāo)準(zhǔn)，不得使用過期的和受潮結(jié)塊的水泥；設(shè)計建議值：水泥摻入比為18%，水灰比為0.5。

2)施工前應(yīng)根據(jù)工藝性試樁情況，確定攪拌樁的施工工藝；水泥土攪拌樁樁位偏差≤50 mm，垂直度偏差≤1.0%。

3)樁底高程以打入基礎(chǔ)持力層不小于1.5 m，控制攪拌樁施工到設(shè)計樁頂以上500 mm，在基坑開挖時人工鑿除設(shè)計樁頂以上部分，不能損壞樁身[11]。

4)水泥土攪拌樁應(yīng)在基坑開挖至各部位設(shè)計樁頂以上不小于1.5 m基坑面開始施工；當(dāng)設(shè)計樁頂以上不足1.5 m覆蓋層時，應(yīng)將地面加以平整，回填粘性土料并予以壓實。施工機(jī)械應(yīng)安裝平穩(wěn)、牢固。

5)水泥土雙向攪拌樁采用四攪兩噴施工工藝。施工過程為樁機(jī)定位—噴漿下沉—施工下部樁體—提升攪拌—伸展葉片—切土下沉—二次提升攪拌。

5 加固效果檢驗

攪拌樁施工完成后，經(jīng)第三方進(jìn)行了抽檢，水泥土樁身均勻、連續(xù)、完整，樁身上、中、下3個不同部位的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為3.1～4.2 MPa，水泥土攪拌樁樁身在軟土中起到加固增強(qiáng)作用；單樁及復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

結(jié)合工程實例，對釘型水泥土雙向攪拌樁的樁長及布置從復(fù)合地基承載力和沉降兩方面進(jìn)行了理論計算；底板與樁之間設(shè)8%水泥土褥墊層以保證樁和土共同承擔(dān)上部荷載形成復(fù)合地基和站基防滲穩(wěn)定；通過對地基加固質(zhì)量檢測，攪拌樁樁身連續(xù)、完整及強(qiáng)度均能滿足設(shè)計要求，復(fù)合地基效果很好。釘型水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基處理方式可為中等厚度軟弱土層上的水利工程地基處理提供借鑒，應(yīng)用推廣價值較好。