某防洪閘水泥土攪拌樁復(fù)合地基計(jì)算分析

張利濱;王偉

(1.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008；2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)中心，河南 鄭州 450008)

0 引言

水閘地基常存在新近沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土、軟弱粘性土、松散液化砂土等不良地質(zhì)條件，常常會導(dǎo)致閘基出現(xiàn)沉降變形過大、不均勻沉降，閘室、翼墻出現(xiàn)拉裂、傾斜、甚至斷裂，如不采取地基處理，將影響水閘功能正常發(fā)揮。水泥土攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、軟弱粘性土、松散～中密砂土，因其具有可以最大限度利用原土，攪拌時震動小、噪聲低，對周圍既有建筑物影響較小，造價相對便宜，施工方便，技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，在水工建筑物地基處理中得到廣泛應(yīng)用。以水溝防洪閘為例，通過計(jì)算分析，論述水泥土攪拌樁在其地基處理中的應(yīng)用。

1 工程概況

水溝防洪閘為建在伊洛河支溝水溝上的溝口控制閘，設(shè)計(jì)防洪閘由進(jìn)口連接段、閘室段、消力池段、海漫段組成，全長69.40 m。閘室段總長17.00 m，共設(shè)2孔，單孔凈寬6.00 m，整體式“山”型結(jié)構(gòu)，底板為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

伊洛河河道順邙山山谷順流而下，多蜿蜒曲折，兩岸受黃土丘陵、崗地束縛，灘地狹窄，最窄處約650 m。水溝為伊洛河左岸支溝，發(fā)源于鞏義市康店鎮(zhèn)西北部黃土丘陵，屬山丘區(qū)河道。入伊洛河口處附近地面高程110.10～111.80 m，閘址附近水溝寬約10～14 m，溝底高程107.30～108.90 m，溝深約2.00～2.60 m。

2.2 地層巖性

水溝防洪閘場區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粘、砂、礫多層結(jié)構(gòu)，由第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉質(zhì)壤土、細(xì)砂、卵石組成，現(xiàn)由老至新分述如下。

卵石(第⑦層)：稍密～中密狀，砂質(zhì)充填，厚度3.20～5.30 m(未揭穿)；重粉質(zhì)壤土(第⑥層)：可塑狀，厚度2.10～15.00m；細(xì)砂(第⑤層)：稍密狀為主，局部松散狀，厚度2.10 m左右；重粉質(zhì)壤土(第④層)：可塑狀，巖性不均，夾輕粉質(zhì)壤土薄層理或透鏡體，厚度1.90～2.10 m；細(xì)砂(第③層)：松散～稍密狀，層間可見重粉質(zhì)壤土和卵石透鏡體，厚度4.90～6.00 m；灰色重粉質(zhì)壤土(第③-1層)：軟塑狀，略有腥臭味，厚度1.00～5.50 m；中粉質(zhì)壤土(第②層)：軟塑～可塑狀，厚度2.90～3.60 m；輕粉質(zhì)壤土(第①層)：軟塑～可塑狀，厚度4.30～5.40 m；細(xì)砂(第①-1層)：松散～稍密狀，在臨河漫灘分布，厚度9.50 m；此外，在現(xiàn)狀溝底分布有厚度0.70 m左右的淤泥。

2.3 地質(zhì)參數(shù)建議

結(jié)合土工試驗(yàn)、原位測試成果，并經(jīng)工程類比分析，提出閘基持力層參數(shù)建議值見表1。

表1 閘基持力層力學(xué)參數(shù)建議值表(單位：kPa)

3 地基處理計(jì)算分析

3.1 穩(wěn)定計(jì)算

水溝防洪閘為2級建筑物，穩(wěn)定計(jì)算工況如下。

工況一：完建期；工況二：閘前排澇水位112.10 m，閘后河道防洪水位116.05 m，閘門關(guān)閉擋水防洪；工況三：閘前排澇水位112.10 m，閘后河道水位112.05 m，閘門開啟；工況四：閘前、閘后水位108.60 m(正常水位)，地震工況。

將上述計(jì)算工況分為基本工況和特殊工況，相應(yīng)的荷載組合分為基本組合和特殊組合，荷載組合表詳見表2。

表2 穩(wěn)定計(jì)算荷載組合表

閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(1)計(jì)算:

(1)

式(1)中：∑G——作用在基底上的全部豎向荷載；σ——基底壓力(kN/m2)；A——基底面積(m2)；e——偏心距(m)(x向，y向)；B——基底寬度(m)(x向，y向)。

基底壓力不均勻系數(shù)按式(2)計(jì)算:

η=σmax/σmin

(2)

式(2)中：η——不均勻系數(shù)；σmax，σmin——最大及最小壓力值(kPa)。

水溝防洪閘穩(wěn)定計(jì)算工況計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水溝防洪閘穩(wěn)定計(jì)算成果匯總表

從計(jì)算結(jié)果看，水溝防洪閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基底壓力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。閘基主要持力層第①～③層承載力標(biāo)準(zhǔn)值90～110 kPa，閘室基礎(chǔ)最大應(yīng)力為144.81 kPa，地基承載力強(qiáng)度不足，需采取地基加固處理。

3.2 適用性分析

水泥土攪拌樁是利用水泥等材料作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機(jī)將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢?，使土體硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量。適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、粘性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細(xì)砂(松散、稍密、中密)等覆蓋層地基處理，不適用于含大孤石或障礙物較多且不易清除的雜填土、欠固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、硬塑及堅(jiān)硬的粘性土、密實(shí)的砂類土，以及PH<4的酸性土?？辈毂砻鲌鰠^(qū)地層由軟塑～可塑狀粉質(zhì)壤土以及松散～稍密狀細(xì)砂組成，PH值7.41～7.93，因此，場地地質(zhì)條件適合采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。

3.3 復(fù)合地基承載力計(jì)算分析

復(fù)合地基承載力與樁長、樁徑、樁間距和布樁型式密切關(guān)聯(lián)。

樁長、樁徑選擇：水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理目的一是提高承載力，二是減小變形。對于較軟的地基，在滿足強(qiáng)度的前提下，水泥土攪拌樁穿透較軟土層，達(dá)到強(qiáng)度相對較高土層，避免產(chǎn)生“懸浮”樁型，可有效減少沉降。因此，樁長設(shè)計(jì)時，首先應(yīng)根據(jù)場區(qū)地質(zhì)條件，選擇強(qiáng)度較高地層作為樁端持力層。結(jié)合本場區(qū)地質(zhì)條件，上部第①～⑥層壤土、細(xì)砂承載力標(biāo)準(zhǔn)值為90～120 kPa，下部第⑦層卵石承載力標(biāo)準(zhǔn)值400 kPa，強(qiáng)度明顯高于上部，選擇該層作為樁端持力層，有效樁長12.50 m。

水泥土攪拌法最早起源于美國，國內(nèi)從1978年第一臺SSJB-1型雙軸攪拌樁機(jī)研制成功以來，目前已發(fā)展為單軸、雙軸、三軸和多軸等多種成孔工藝，成樁直徑范圍一般500～700 mm。此次選擇樁徑500 mm。

單樁承載力確定：《水工建筑物地基處理設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》石浩男均提出，水泥土攪拌樁單樁承載力特征值按式(3)(4)進(jìn)行計(jì)算，采用二者計(jì)算小值作為攪拌樁單樁豎向承載力特征值。

(3)

Ra=ηfcuAp

(4)

式(3)(4)中：Ra—單樁豎向承載力特征值，kN；Up—樁身周長，m；n—地基土層數(shù)；qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa，見表1；li—樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；a—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.40；qp—樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，見表1；η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；fcu—標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，劉香君等提出水泥土攪拌樁28 d齡期經(jīng)驗(yàn)值2.50 MPa，胡師遠(yuǎn)通過室內(nèi)試驗(yàn)得出綜合含水率40%～55%、水泥參量10%～18%時28 d齡期抗壓強(qiáng)度1.03 ～4.38 MPa(平均2.53 MPa)，計(jì)算取值2.50 MPa。

式(3)計(jì)算Ra=314.80 kN，式(4)計(jì)算Ra=122.70 kN，按規(guī)定取Ra=122.70 kN作為單樁豎向承載力特征值進(jìn)行復(fù)合地基承載力計(jì)算。

樁間距和布樁型式選擇：假定樁間距1.00 m、1.25 m、1.50 m時采用式(5)分別試算正方形布樁和梅花形布樁復(fù)合地基承載力特征值，比較是否滿足最大基礎(chǔ)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 復(fù)合地基承載力試算表

(5)

式(5)中：fspk—復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m—面積置換率；Ra—單樁豎向承載力特征值，kN；Ap—樁的截面積，m2；β—樁間土承載力折減系數(shù)，按經(jīng)驗(yàn)取0.75；fsk—處理后樁間土承載力特征值，取天然地基承載力特征值，100 kPa。

從表4可以看出：采用樁間距1.25 m、梅花形布樁和樁間距1.00 m、梅花形及正方形布樁時，處理后的復(fù)合地基承載力特征值均大于閘室基礎(chǔ)最大應(yīng)力，處理后復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。本著處理后的復(fù)合地基既能滿足上部荷載要求，又盡量減少處理工程量的角度出發(fā)，建議樁間距采用1.25 m、布樁型式采用梅花形布置。

4 結(jié)論

水泥土攪拌樁具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工方便、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，可用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、粘性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細(xì)砂(松散、稍密、中密)等覆蓋層地基。文章結(jié)合水溝防洪閘水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理，提出水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)既要滿足承載力要求，又要盡量減小處理后復(fù)合地基變形量，樁端應(yīng)置于強(qiáng)度相對較高地層?；驹O(shè)計(jì)流程分為三步：①根據(jù)場區(qū)地層選擇強(qiáng)度較高地層作為樁端持力層，②根據(jù)樁長和樁身強(qiáng)度確定單樁豎向承載力特征值，③采用不同樁間距和布樁型式進(jìn)行試算，選擇與上部荷載最接近的方案作為地基處理方案。文章提出水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)流程可為同類工程設(shè)計(jì)提供借鑒。