山東某水閘地基處理設(shè)計方案分析

蓋浩瑞

（萊陽市勘察工程隊,山東 萊陽 265200）

1 工程概況

山東某水閘是一宗以擋潮為主,兼有防洪、蓄淡灌溉效益的Ⅲ等中型水閘工程。設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50 年一遇,防潮標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇。設(shè)計引水流量0.25 m3/s,設(shè)計最大泄流量234 m3/s,同時與左右堤防形成完整的防潮（洪）體系,阻擋附近江河的洪潮倒灌,保護農(nóng)田15000 畝與8000 人口的生命財產(chǎn)安全,為當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟的持續(xù)發(fā)展提供了保證。

2 水閘閘址區(qū)基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

水閘場地屬于河口三角洲平原地貌單元,為開挖山坡改河道建成。水閘上游段主河道正常水深3 m~4 m,水流緩慢；水閘下游段主河道水深4 m~5 m。下游段由于徑流和潮流的互相制約消能作用,屬弱潮河口。左右兩岸地形較平坦,河道在水閘處直順。

2.2 地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露,閘基地層主要為第四系河流相沉積的淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)細(xì)砂、粘土、粘土質(zhì)砂等,下伏二疊~三疊系的花崗巖（P-Tγ）,地層巖性特征如下：

②淤泥質(zhì)細(xì)砂（Q4al）：呈灰黑色,飽和,松散,主要由粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)組成,局部含有少量的貝殼碎屑,工程力學(xué)性質(zhì)差。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N=5 ~6 擊,該層在閘址區(qū)均有分布,揭露層厚2.90 m~3.80 m。

②1 粘土（Q4al）：呈灰黃~褐黃色,軟塑~可塑,巖芯呈長條狀,土質(zhì)均勻細(xì)滑,粘性強,韌性高,干強度高。該層呈可塑狀地段的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N=7 ~9 擊,呈軟塑狀地段的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N＜7 擊,該層在閘址區(qū)分布較廣,揭露層厚1.50 m~5.40 m。

②2淤泥質(zhì)土（Q4al）：呈灰黑色,飽和,軟塑,含有少量的粉細(xì)砂和細(xì)粒的貝殼碎屑,整體標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N=2 ~4 擊,其中右岸及下游偏左側(cè)部分深度地段因粉細(xì)砂粒含量高,右岸部分深度地段標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N=4 ~6 擊及下游偏左側(cè)部分深度地段N=9 ~10 擊,亦說明該層部分深度地段土質(zhì)均勻性較差。該層在閘址區(qū)均有分布,層厚較大,揭露層厚4.80 m~16.00 m。

③粘土質(zhì)中粗砂（Q3m）：灰色為主,局部夾褐黃色,飽和,松散~稍密,主要由中粗砂和粘土組成,局部含有少量的小卵石,砂質(zhì)為長英質(zhì),呈次圓狀~圓狀,分選差,粘土含量約20%~30%,粘土呈軟塑~可塑狀,稍具塑性。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N=15 擊,該層在閘址區(qū)局部有分布,層厚較薄,揭露層厚0.60 m~1.80 m。

④全風(fēng)化花崗巖（P-Tγ）：綠色,淺綠色,濕,可塑,原巖結(jié)構(gòu)清晰,夾大量未完全風(fēng)化的長英質(zhì)砂礫,粘性差,韌性低,巖芯呈短條狀。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)N=17 擊,該層在閘址區(qū)均有分布,揭露最大層厚2.30 m。

⑤強風(fēng)化花崗巖（P-Tγ）：灰黑色夾灰白色呈斑點狀,中粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石破碎,巖質(zhì)較堅硬,節(jié)理裂隙面呈褐色,多為褐色渲染,礦物有蝕變現(xiàn)象。該層在閘址區(qū)均有分布,揭露最大層厚3.00 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和實地調(diào)查,閘址區(qū)次一級地質(zhì)構(gòu)造線不發(fā)育,無次一級地質(zhì)構(gòu)造線穿越,未發(fā)現(xiàn)挽近期活動斷裂分布。地表無地質(zhì)構(gòu)造分布的痕跡,閘址區(qū)目前處于地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 水文地質(zhì)

閘址區(qū)地表水為河水和海水交匯,水位受潮汐影響變化較大。地下水主要賦存于②淤泥質(zhì)細(xì)砂、②2 淤泥質(zhì)土之中,為孔隙型潛水,地下水直接與海水、河水發(fā)生水力聯(lián)系,受地表水的補給。

為評價閘址區(qū)場地環(huán)境水對混凝土的腐蝕性,勘察期間在閘址區(qū)采取2 組地表水樣進行室內(nèi)水質(zhì)分析。根據(jù)水質(zhì)檢驗報告,參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄L的評價標(biāo)準(zhǔn)[1],環(huán)境水對混凝土具有中等腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

3 地基主要問題

工程區(qū)場地分布有較厚的淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)細(xì)砂,具有含水量大,強度低,高壓縮性等特點,屬軟土,存在不均勻沉降的問題。

淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)細(xì)砂厚度較大,含水量大,一般呈軟塑~流塑狀態(tài),地基抗滑穩(wěn)定性差,對水閘抗滑不利。②1 層粘土由粘粒組成,土的粘性好,土細(xì)滑,土的含水量一般,呈軟塑~可塑狀態(tài),②1 粘土層地基抗滑穩(wěn)定性差,也是水閘抗滑穩(wěn)定不利土層。閘基應(yīng)對地基土進行強度和變形驗算,如驗算未能滿足建筑物強度和變形要求,需對下伏軟土層采取地基處理措施,如采用換填塊石或采用水泥土攪拌樁等地基處理措施,避免地基產(chǎn)生不均勻沉降。

4 水閘地基處理設(shè)計

4.1 水閘地基沉降計算與分析

4.1.1 計算工況

參考海堤工程沉降計算工況,計算工況采用正常蓄水位與多年平均低潮位組合,同時由于舊閘室斷面較小,新建閘室斷面較大,在沉降計算中的對原閘室荷載只考慮原上下游護坦及閘室底板作為原地基面層自重,見表1。

表1 閘室沉降計算工況

4.1.2 計算公式

（1）天然地基土層

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》 （SL 265 -2016）8.3.2 的計算公式[2]：

式中：S∞為地基最終沉降量,m；n為地基壓縮層計算深度范圍內(nèi)土層數(shù)；e1i為基礎(chǔ)底面以下第i層土在平均自重應(yīng)力作用下對應(yīng)的空隙比；e2i基礎(chǔ)底面以下第i層土在平均自重應(yīng)力加平均附加應(yīng)力作用下對應(yīng)的空隙比；hi為基礎(chǔ)底面以下第i層土的厚度；m為地基沉降量修正系數(shù),取1.3。

（2）水泥土攪拌樁復(fù)合地基

水泥土攪拌樁復(fù)合地基,設(shè)計樁徑0.5 m,樁距1.0 m,閘室地基梅花型布置,兩岸擋墻地基雙向布置,樁長6.0 m,基礎(chǔ)與樁間設(shè)置0.3 m褥墊層。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基變形由復(fù)合土層和樁端以下的土層變形兩部分組成,復(fù)合地基層的變形計算采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2015）中的計算公式：

式中：Po為攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值,kPa；Po1為攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值, kPa；Eps為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量；Ep為攪拌樁的壓縮模量,取100fuk；Es為樁間土的壓縮模量。

復(fù)合土層以下各土層的沉降計算,仍采用分層總和法計算影響深度范圍內(nèi)的各土層沉降量。

4.1.3 沉降計算結(jié)果與分析

（1）斷面選擇及計算點

斷面選擇：中孔閘室。計算點：取底板兩端和中點。計算簡圖見圖1。

圖1 沉降荷載計算簡圖

（2）計算結(jié)果

本閘室沉降按空間問題計算,只列出最大壓力邊點的計算表格,其余2 個計算點按相同方法計算。由于本水閘采用分期導(dǎo)流,工期相對緊張,同時閘室基礎(chǔ)及左側(cè)岸墻的攪拌樁只需要解決沉降問題,為了縮短養(yǎng)護周期,攪拌樁的彈性模量采用28 d的彈性模量作為設(shè)計計算值,利于在枯水期內(nèi)完成水閘基礎(chǔ)澆筑。計算結(jié)果見表2。

表2 閘室沉降計算

計算結(jié)果表明,閘室在地基處理之前,最大沉降量為20. 2 cm>15 cm,最大沉降差為5.3 cm>5.0 cm,均不滿足規(guī)范要求。因此,需要對地基進行處理,根據(jù)軟弱土層的特性,采用水泥土攪拌樁加固地基:設(shè)計樁徑為0.5 m,樁距1.0 m,樁長為5.0 m,樁體在28 d齡期下立方體抗壓強度要求fcu>0.8 MPa, 90 d齡期的立方體抗壓強度要求fcu>1.5 MPa。經(jīng)過地基處理后,閘室最大沉降量為13.4 cm<15 cm,最大沉降差為2.6 cm<5.0 cm,滿足規(guī)范要求。

4.2 地基處理方案的分析與選擇

由于本水閘地基中存在約15 m厚的高壓縮性土層,閘室部位天然地基滿足承載力的要求及防滲良好,但不滿足沉降量要求；右側(cè)局部岸墻及翼墻位于②2 淤泥質(zhì)土,地基承載力僅為80 kPa,承載力及沉降量均不滿足規(guī)范要求。

水閘松軟地基處理一般采用以下幾種：換土墊層、沙井預(yù)壓、擠密砂石樁、樁基、沉井、強夯、攪拌樁等方法處理。本工程的軟基比較厚,換土層法不合適；沙井預(yù)壓需要較長的預(yù)壓時間,在分期圍堰施工的情況下,難于滿足工期要求；擠密砂石樁一般適用于松砂或砂壤土地,在粘性地基效果甚微,還容易造成防滲問題；樁基適用范圍比較廣,在本工程中地質(zhì)條件也比較適用,但需要打穿15 m厚的軟土層,進入持層,但樁基施工時間長,水閘后期運行期間有可能造成閘室底板脫空,出現(xiàn)防滲問題；強夯一般適用于透水性好的土層,本水閘地基層滲透系數(shù)為3.82 ×10-7cm/s,效果甚微,時間也長；水泥土攪拌樁適用本水閘地基基礎(chǔ)處理,施工速度快,工期養(yǎng)護方面可以采用提高水泥摻入量來縮短養(yǎng)護周期,同時在本工程周圍地區(qū)的水閘基礎(chǔ)處理中均有應(yīng)用,效果較好。綜合考慮下,本工程地基處理采用水泥土攪拌樁進行加固。

4.3 地基處理后地基承載力計算與分析

由于右側(cè)局部岸墻及翼墻位于②2 淤泥質(zhì)土,地基承載力僅為80 kPa。因此,在滿足沉降要求的基礎(chǔ)上,復(fù)核其復(fù)合地基的承載力是否滿足要求。設(shè)計樁徑為0.5 m,樁距1.0 m,樁長為5.0 m,褥墊層厚度0.3 m,樁端與樁間土均位于②2 淤泥質(zhì)土。

4.3.1 單樁承載力計算

單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場試驗確定。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）式（7.1.5）[3]式（4）估算并滿足式（5）要求：

式中：fcu為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)護條件下90 d齡期的立方體抗壓強度平均值,取3.0 MPa；η為樁身強度折減系數(shù),濕法取0.25；Ap為樁的截面積；up為樁的周長,為1.57 m；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù),n=1 層；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值,取10 kPa；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度,②2 淤泥質(zhì)土6 m,樁長為6.0 m；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值,根據(jù)地質(zhì)建議取80 kPa；a為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù),取0.6。

由式（4）計算,由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力為Ra=103.67kN。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）式（7.3.3）[3],計算樁身材料強度：

式中：η為樁身強度折減系數(shù),取0.25；fcu為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)護條件下90 d齡期的立方體抗壓強度平均值,kPa；Ap為樁的截面積,m2。

經(jīng)計算,樁身材料強度為147 kN,大于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力103.67 kN,符合規(guī)范要求。

4.3.2 復(fù)合地基承載力計算

復(fù)合地基承載力計算,應(yīng)通過現(xiàn)場復(fù)合地基載荷試驗確定,初設(shè)時可按式（7）計算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa；m為樁土面積置換率,取0.196；Ra為單樁豎向承載力特征值,kN；Ap為樁的截面積,取0.196 m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),取0.2；fsp為處理后樁間土承載力特征值,取fsp=80 kPa。

計算結(jié)果為復(fù)合地基承載力,大于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力 103.67 kN,滿足復(fù)合地基承載力要求。

4.3.3 持力層承載力驗算

水泥土攪拌樁為群樁基礎(chǔ),攪拌樁置換率接近20%,且非單排排列,應(yīng)驗算下臥層的地基強度。假定攪拌樁的樁群體與樁間土為實體基礎(chǔ),②2淤泥質(zhì)土內(nèi)摩擦角為1.63°,假想實體基礎(chǔ)地面壓力按式（8）計算：

計算得,f1=［116×4.65+119×4.99-（4.65×2+2）×6×10-80×（4.65 -4.99）］/4.99 =96.6 kPa,假想實體基礎(chǔ)底面積=4.65+2×6×tan1.63=4.99 m2,樁端修正地基承載力特征值=80+1.0×（18.1-10）×（7.3-0.5）+1 ×（18.1-10）×（4.85-3）=150 kPa＞96.6 kPa。滿足持力層承載力要求。

5 結(jié)語

本文基于山東某水閘閘址區(qū)基本地質(zhì)條件及軟土地基問題,進行地基沉降與承載力計算,并提出相應(yīng)處理方案,經(jīng)水泥土攪拌樁處理后進行復(fù)核驗算,地基沉降量及承載力均滿足規(guī)范要求。