水泥攪拌樁在東榆林水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固中的應(yīng)用

劉鎣鎣

(北京中水利德科技發(fā)展有限公司太原分公司，太原 030024)

0 引 言

大量工程實(shí)踐證明，深層水泥攪拌樁是加固軟弱土基的有效技術(shù)，其主要利用水泥、石灰等材料為固化劑主劑，應(yīng)用特殊的深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地進(jìn)行固化劑和軟弱土體的強(qiáng)制攪拌，使其發(fā)生物化反應(yīng)，并固結(jié)為整體穩(wěn)定性、水穩(wěn)性良好，且具備一定強(qiáng)度的復(fù)合地基，最終達(dá)到軟土地基加固處理的目的。

1 工程概況

東榆林水庫修建在海河流域永定河水系桑干河干流上游，水庫動(dòng)工興建于1970年，但因規(guī)劃設(shè)計(jì)方案重新研究等原因，中途停工12個(gè)月，此后于次年年初再度恢復(fù)建設(shè)，1978年底竣工蓄水，1983年全國范圍內(nèi)定期開展的“三查三定”核定后所給出的該水庫評(píng)定結(jié)果為：工程規(guī)模方面能夠達(dá)到1000a一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)。2002年進(jìn)行了該水庫除險(xiǎn)加固，施工結(jié)束后，水庫達(dá)到100a一遇洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，1000a一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)。該水庫屬于以灌溉為主，兼顧行洪蓄水功能的中型水庫，大壩壩址控制流域面積3430km2，設(shè)計(jì)灌溉面積2.4萬hm2，灌溉供水保證率為50%，下游防洪保護(hù)范圍425km2，設(shè)計(jì)總庫容6500×104m3，校核洪水位1041.20m；興利庫容2977×104m3，正常蓄水水位1040.60m。

該水庫自建庫運(yùn)行以來并未進(jìn)行完善的防護(hù)治理，庫區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，當(dāng)水庫在持續(xù)高水位運(yùn)行狀態(tài)下，水面對岸坡持續(xù)沖刷侵蝕，導(dǎo)致岸坡坍塌現(xiàn)象普遍存在；庫區(qū)淤積造成水庫水質(zhì)下降；降雨侵蝕使水土流失問題嚴(yán)重。為減少水土流失，提升庫區(qū)水質(zhì)，豐富旅游資源，改善當(dāng)?shù)赝顿Y環(huán)境，水庫管理部門于2020年實(shí)施了庫區(qū)左岸生態(tài)防護(hù)、右岸副壩防護(hù)、東榆林支溝整治防護(hù)、橋梁及其他配套生態(tài)治理防護(hù)系列工程。

2 加固方案選擇

2.1 方案比選

結(jié)合該水庫庫區(qū)地質(zhì)勘查結(jié)果，項(xiàng)目區(qū)左岸地基土屬于全新統(tǒng)低液限粉土，且土層厚度大，承載力不高，但地下水位較高，無形中增大了施工難度。結(jié)合類似工程軟土地基加固實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該水庫庫區(qū)深厚軟基加固可以采用水泥攪拌樁和高壓旋噴樁兩種復(fù)合地基加固方式，從適用范圍，樁徑、樁長，樁身強(qiáng)度，地基強(qiáng)度，能耗，對場地的要求，對周邊環(huán)境影響，經(jīng)濟(jì)性等角度進(jìn)行兩種加固方式的比較，詳見表1。

通過以上比較可以看出，水泥攪拌樁加固技術(shù)能通過抑制地基中孔隙水壓力升高以及樁間土液化，使地基抗液化能力顯著提升，并使攪拌樁復(fù)合地基在地震荷載作用下的沉降顯著減小，提升地基抗水平形變能力，可有效處理地基液化問題[1]。故該水庫庫區(qū)深厚軟基加固應(yīng)選用水泥攪拌樁復(fù)合地基方案，在該水庫庫區(qū)左岸懸臂式擋墻基礎(chǔ)范圍內(nèi)，采用深層攪拌樁機(jī)械強(qiáng)制攪拌地基土和固化劑，以形成復(fù)合地基。

2.2 加固方案設(shè)計(jì)

采用水泥攪拌樁進(jìn)行水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固的目的在于改善深厚軟基壓縮性，并有效控制其沉降量。為此，樁長的設(shè)計(jì)必須能保證其成功穿越整個(gè)軟土層，減去路面結(jié)構(gòu)層和墊層厚度后，水泥攪拌樁應(yīng)從庫區(qū)軟土地基表面以下2.0m開始，回填土段樁長和淤泥段樁長分別按5-7m和12-14m確定，總長度控制在19-22m。

水泥攪拌樁結(jié)構(gòu)是介于剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的一種樁體，樁身受到荷載的作用后會(huì)表現(xiàn)出一定程度的壓縮，使樁與樁間土同時(shí)發(fā)生下沉。故設(shè)計(jì)階段忽略填土層所施加的側(cè)壁摩擦力，在確定樁身長度時(shí)僅取淤泥土段長度12m。因樁身水泥土強(qiáng)度不夠，隨著摩擦樁長的增大，樁底應(yīng)力將越來越小，其結(jié)構(gòu)也愈加偏安全，所以設(shè)計(jì)時(shí)暫不考慮樁端反力[2]。

1)單樁豎向承載力：

(1)

式中：Ra為水泥攪拌樁單樁承載力，kN；up為水泥攪拌樁周長，m；qsi為樁周第i層土側(cè)阻力，kPa，淤泥、淤泥質(zhì)土、軟塑狀黏土及可塑狀黏土分別取5.0kPa、8.0kPa、12.0kPa和18.0kPa；li不樁長范圍內(nèi)第i層土體平均厚度，m，淤泥質(zhì)土、軟塑狀黏性土及可塑狀黏性土分別取1.0m、4.5m和1.5m；qp為樁端地基土承載力未修正值，kPa，取80kPa；α為樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，取0.5；Ap為水泥攪拌樁截面積，m2。

2)復(fù)合地基承載力：

(2)

式中，fspk為復(fù)合地基承載力，kPa；λ為單樁承載力系數(shù)，取0.9；m為面積置換率，%；β為樁間土承載力洗漱，取0.5；sk為加固后樁間土承載力，kPa，主要根據(jù)靜載荷實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定；也可根據(jù)天然地基承載力特征值取值，取50kPa；其余參數(shù)含義同前。

該水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固用水泥攪拌樁設(shè)計(jì)樁長為7m，樁徑0.5m，樁間距1.1m，并按正方形布樁，面積置換率0.162%，所得到的單樁豎向承載力為147.6kN，復(fù)合地基承載力130.5kPa，均滿足相關(guān)規(guī)范對地基承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的要求。

3 加固施工及檢測

3.1 施工工藝

該水庫庫區(qū)深厚軟基加固所用水泥攪拌樁設(shè)計(jì)樁長較長，在所在地區(qū)較為少見，故施工單位將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速60r/min、功率30kW的GZB-500型單軸攪拌機(jī)改進(jìn)后使其施工樁長達(dá)到20m，為確保全部樁均扎打至硬土層，必須將樁長超出20m的樁地面土層厚度剝除1-2m。采用二噴四攪法施工的過程中，先試攪拌，檢測結(jié)果顯示的淤泥質(zhì)土段樁身水泥土均勻性未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且試樣強(qiáng)度和室內(nèi)相同配比試塊的試驗(yàn)結(jié)果存在較大差距，經(jīng)項(xiàng)目組研究后決定增大鉆頭葉片，并將噴漿提升速度減緩至0.65-0.80m/min，并增大復(fù)攪次數(shù)，使試樣強(qiáng)度顯著改善。

水泥攪拌樁加固施工過程中，局部樁位處上部回填土靠近表面2.0cm厚處存在較大石塊，經(jīng)處理后的攪拌頭能穿越該層，但會(huì)增大施工機(jī)械磨損，降低工效。為此，將石塊層挖除后再換填素土，工程量無較大增加，但使機(jī)械磨損和工效降低問題得以有效緩解。

3.2 水泥土配合比

水泥土強(qiáng)度主要受固化劑類型及摻量、待加固土體性質(zhì)、加固齡期等因素影響，本工程水泥攪拌樁設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用室內(nèi)配合比強(qiáng)度，確定采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5∶1，石膏、水泥及減水劑比為2∶100∶0.2。該水庫庫區(qū)深厚軟基加固水泥攪拌樁樁身應(yīng)力上大下小，且回填土含水量、孔隙比均比淤泥質(zhì)土小，在摻入比相同的情況下，上部回填土強(qiáng)度自然較大，為減小深部土的壓縮性，對水泥土強(qiáng)度也有相關(guān)要求。為簡化分析，該工程水泥攪拌樁水泥摻量應(yīng)沿整個(gè)樁長保持不變。

3.3 成樁檢測

該水庫庫區(qū)深厚軟基水泥攪拌樁成樁10-12d后采用標(biāo)貫帶鉆頭抽芯成塊后按照2.0m間隔進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，以檢測成樁質(zhì)量，共檢測了14根樁，在成樁總數(shù)中占比1.0%。檢測結(jié)果詳見表2。從表中檢測結(jié)果可以看出，回填土段水泥質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求，淤泥質(zhì)土黏土段滿足施工質(zhì)量要求的水泥樁強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果較為接近，且其標(biāo)貫擊數(shù)達(dá)到天然地基的3-5倍，比規(guī)范要求值多出至少1倍[3]。

表2 成樁質(zhì)量檢測結(jié)果

取兩根水泥攪拌樁進(jìn)行單樁豎向靜載試驗(yàn)，最大試驗(yàn)荷載按照單樁豎向承載力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值的兩倍選取，試驗(yàn)所得荷載-位移關(guān)系曲線詳見圖1所示，其中1#試樁齡期42d，2#試樁齡期22d，曲線顯示的試驗(yàn)荷載下兩根水泥攪拌樁沉降量最大值分別為7.86mm和12.36mm，位移情況均處于正常狀態(tài)，且單樁承載力≥140kN，復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

圖1 水泥攪拌樁單樁荷載-位移關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

東榆林水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固處理于2020年底結(jié)束，運(yùn)行至今已接近1年，加固后的庫區(qū)地基沉降很小，工程實(shí)踐也表明，水泥攪拌樁復(fù)合地基具有施工快，造價(jià)低，無排污，無振動(dòng)，且對周圍水工建筑物無不利擾動(dòng)等技術(shù)優(yōu)勢，可在類似軟弱地基水利工程加固方面推廣應(yīng)用。