論船閘工程施工中混凝土樁復(fù)合地基處理技術(shù)

李波

（湖南省航務(wù)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

地基處理工程中，樁體復(fù)合地基應(yīng)用廣泛，通過(guò)在原有地基中打樁，使原有地基土體得到加固補(bǔ)強(qiáng)，部分土體被更堅(jiān)硬的樁體代替，形成樁+原有地基土體的復(fù)合地基。按照加固件的方向可將復(fù)合地基分為豎向或橫向復(fù)合地基，樁體復(fù)合地基屬于豎向復(fù)合地基，在荷載較大的軟土地基處理中得到廣泛應(yīng)用。相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范為工程施工人員提供了各種樁體復(fù)合地基方案，然而工程實(shí)踐中，經(jīng)常會(huì)有工程設(shè)計(jì)方案通過(guò)，實(shí)際施工卻無(wú)法成功實(shí)施的現(xiàn)象。為此，本文依托某船閘工程項(xiàng)目，針對(duì)其軟土地基處理進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合理論與試驗(yàn)數(shù)據(jù)制定切實(shí)可行的水泥混凝土樁處治方案。

1 工程概況

某船閘工程地處市區(qū)東南沿河區(qū)域，管控的河流面積210.0km2。基于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘測(cè)可知閘左岸地層從上到下為素填土、粗粒砂、粉質(zhì)粘土。閘底直接由包含鵝卵石的粉質(zhì)粘土及砂巖層承力，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為180kpa、450kpa；工程所在區(qū)域的地基土體性質(zhì)有顯著差異，不均勻沉降威脅船閘的安全運(yùn)行，因此，需重點(diǎn)研究該船閘底部原有地基的加固處治方案，結(jié)合實(shí)際情況采用水泥混凝土樁復(fù)合地基處理，并驗(yàn)證該方式的可行性。

2 工程地質(zhì)情況

層1-1 為種植土層（Qml4），其中揭露層底深部海拔高程20.08m，厚0.45m。外觀呈黃褐色，結(jié)構(gòu)濕潤(rùn)松散，呈可塑狀，土體中有大量植物根系，且集中在靠近水體的灘涂區(qū)域。

層1-2 為雜填土層（Qml4），其中揭露層底深部海拔高程為19.04～23.68m，厚0.65～1.25mm。層土體回填時(shí)間4 年以上，土體外觀顏色包括灰褐色，密度較大、水分含量較高，集中在堤壩內(nèi)側(cè)灘涂區(qū)域。

層1-3 為素填土層（Qml4），其中揭露層底深部海拔高程19.34～22.88m,厚0.65～3.95m，土體外觀呈黃灰色，結(jié)構(gòu)稍密，水分含量較高?；趯?shí)地勘測(cè)，層土體回填時(shí)間4 年以上，主要成分為回填黏性土以及少量碎石。集中在堤壩內(nèi)外側(cè)的灘涂區(qū)域。

層2 為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層（Qal4），其中揭露層底深部海拔高程14.16～16.36m,厚0.91～1.25m，土體外觀呈灰黑色，具備流塑特性，水分含量較高，含腐殖質(zhì)，集中在河床底部。

層3 為粉質(zhì)黏土層（Qal4），其中揭露層底深部海拔高程19.30～20.23m,厚0.95～1.2m,土體外觀呈黃灰色，土體松軟可塑，水分含量較高，集中在外側(cè)灘涂區(qū)域。

層4-1 為粉質(zhì)黏土層（Qal4），其中揭露層底深部海拔高程8.46～18.43m,厚1.40～7.31m，土體外觀呈褐色、灰黃色，具有明顯的可塑特性，工程現(xiàn)場(chǎng)均有分布。

層4-2 為粉質(zhì)黏土層（Qal4），其中揭露層底深部海拔高程14.91m～17.23m,厚4.2m～4.5m，土體外觀呈黃褐色，土體結(jié)構(gòu)松軟，水分含量較高，局部可塑。零散分布于工程場(chǎng)地。

層5 為粉質(zhì)黏土層（Qal4），其中揭露層底深部海拔高程11.43m～15.25m, 厚1.25m～6.2m，土體外觀呈黃褐色，整體硬塑，含鐵錳氧化物，主要分布于堤壩內(nèi)側(cè)，夾雜粉質(zhì)粘土薄層。

層6 為粉質(zhì)黏土層（Qal4），其中揭露層底深部海拔高程8.64m～11.63m, 厚2.81m～4.71m，土體外觀呈灰褐色，可塑性強(qiáng)，含鐵錳氧化物，主要分布于堤壩內(nèi)側(cè)，夾雜粉質(zhì)粘土薄層。

層7-1 為淤泥層（Qal4），揭露層底深部海拔高程5.93～11.31m，厚0.95～6.85m，土體外觀呈灰黃色，土體結(jié)構(gòu)致密，水分含量較高。

層7-2 為粉質(zhì)黏土層（Qal4），揭露層底深部海拔高程8.33m，厚1.69m，土體外觀呈深灰色，結(jié)構(gòu)松散、可塑性強(qiáng)，水分含量較高，中間夾雜少量粉土薄層以及礫石，零散分布于整個(gè)場(chǎng)地。

層8-1 為粉砂層（Qal3），揭露層底深部海拔高程5.54～6.68m，厚4.11～4.43m，土體外觀呈黃灰色，結(jié)構(gòu)中密，水分含量高，主體成分為石英石，夾雜少量粉質(zhì)黏性土。

層8-2 為細(xì)砂層（Qal3），揭露層底深部海拔高程8.96～12.95m，厚1.23～5.15m，土體外觀呈灰褐色，質(zhì)地密實(shí)，水分含量高，主體成分為石英石，夾雜少量粉質(zhì)黏性土。

層9 為角礫層（Qpl3），灰色，揭露層底深部海拔高程-3.29～5.41m，厚1.78～7.92m，土體較密實(shí)，水分含量高，主要成份為灰?guī)r，粒徑大小為6～16cm，其中夾雜粉質(zhì)粘土、中粗砂，零散分布于整個(gè)場(chǎng)地。

層10 為卵石層（Qpl3），揭露層底深部海拔高程-0.48～3.6m，厚1.10～6.43m，土體顏色混雜，質(zhì)地較密，水分含量高，主體成分為粒徑20～40mm 的灰?guī)r，最大可達(dá)60mm，形狀為橢圓形，鉆進(jìn)速度慢，易跳鉆，其中夾雜大量粉質(zhì)粘土、中粗砂。

層11 為粉質(zhì)黏土層（Qel3），揭露層底深部海拔高程0.56～2.59m，厚3.71～5.05m，土體外觀呈黃褐色，質(zhì)地堅(jiān)硬，硬塑，主體成分為鈣質(zhì)結(jié)核，零散分布于整個(gè)場(chǎng)地。

層12-1 為強(qiáng)風(fēng)化礫巖層(K2z)，揭露層底深部海拔高程-16.26～7.46m，厚3.22～16.71m，土體外觀呈棕色，質(zhì)地密室，為風(fēng)化碎石狀，主體成分為灰?guī)r，磨圓度差，難以揀選，礫石粒徑為10～30mm，其中夾雜強(qiáng)風(fēng)化巖體，局部強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

層12-2 為中風(fēng)化礫巖層(K2z)，揭露層底深部海拔高程-22.89～3.71m，厚2.31～22.51m，土體外觀呈棕色，多層礫石狀構(gòu)造，礫石的主要成分為灰?guī)r，磨圓度差，難以揀選，礫石粒徑為10～30mm，含量約60%，巖芯主要為柱狀，部分為塊狀，風(fēng)化不均勻，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中夾雜泥質(zhì)軟砂巖。

層13-1 為全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層(K2z)，揭露層底深部海拔高程-6.98，厚10.51m，土體外觀呈棕色，強(qiáng)風(fēng)化，硬塑黏性土狀，其中夾雜少量塊狀、碎塊狀灰?guī)r。

層13-2 為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層(K2z)，揭露層底深部海拔高程-20.26～-2.34，厚4.81～14.31m，土體外觀呈棕色，多層礫石結(jié)構(gòu)，礫石主要成分為灰?guī)r，難以磨圓度差和揀選，礫石粒徑為10～30mm，含量60%左右，巖芯主要為柱狀，部分為塊狀，風(fēng)化不均勻，節(jié)理裂隙發(fā)育，其中夾雜泥質(zhì)軟砂巖。

層13-3 為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層(K2z)，揭露層底深部海拔高程-54.49～-2.01m，厚2.60～32.71m，土體外觀呈棕色，為多層泥砂結(jié)構(gòu)，巖芯主要為柱狀，部分為塊狀，風(fēng)化不均勻，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖性為極軟巖，風(fēng)化不勻，局部強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。水泥混凝土樁基部位的巖土設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 樁基巖土層設(shè)計(jì)參數(shù)情況表

3 設(shè)計(jì)水位組合

導(dǎo)航墻的設(shè)計(jì)水位組合情況如表2 所示。

表2 各工況下墻前及墻后水位組合情況

4 復(fù)合地基設(shè)計(jì)

以該船閘工程下游導(dǎo)航墻為設(shè)計(jì)對(duì)象，墻體高度為12m，采用C30 鋼混土扶壁設(shè)計(jì)，總長(zhǎng)98.66m，頂高程25.68m，船閘底板頂高程▽13.68m，寬度7.9m，厚度0.9m，船閘立板厚度為0.75m,肋板厚度0.59m，過(guò)道板寬度1.99m，墻后填土頂高程21.99m，構(gòu)造段主段長(zhǎng)度15.3m。

河流水位較低時(shí)，根據(jù)安全航行要求，導(dǎo)航墻后水位需超出安全航行水位1m 以上；河流水位較高時(shí)，根據(jù)安全航行要求，導(dǎo)航墻后水位不應(yīng)低于最高安全航行水位。按照《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ307-2001)中的要求，結(jié)合上述兩種設(shè)計(jì)工況分析計(jì)算船閘工程水泥混凝土樁復(fù)合地基承載力，驗(yàn)算結(jié)果如表3 所示。

表3 各工況地基反力驗(yàn)算結(jié)論表

該船閘工程的導(dǎo)航墻底部高程處于層7- 粉土層，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)可以看出，層7- 粉土層的現(xiàn)有地基承載力允許值f=160kPa，未達(dá)到地基最大反力要求，因此需對(duì)該層地基進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。初步方案是利用直徑45cm的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝樁@200cm 梅花型布設(shè)，PHC 樁剛度較大，因此，基于相關(guān)規(guī)范取合適的參數(shù)，求得樁長(zhǎng)度均值3.9m，樁底部打至層10- 卵石層或?qū)?2-1- 強(qiáng)風(fēng)化礫巖持力層，單根PHC 樁得承載力Rα=546kN，具體如圖1所示。

圖1 導(dǎo)航墻及復(fù)合地基斷面圖

此時(shí)船閘導(dǎo)航墻樁復(fù)合地基端阻力大小為79kN，側(cè)阻力大小為468kN，總側(cè)阻力的作用占單樁承載力的比例為468/546=85%，由此可見(jiàn)，按照規(guī)范“14.1.3”的要求，復(fù)合地基中的剛性PHC 樁需滿足摩擦型樁的性能要求。

5 現(xiàn)場(chǎng)施工及變更

2020 年8 月開(kāi)始導(dǎo)航墻施工，施工方在導(dǎo)航墻周邊開(kāi)展試樁靜壓試驗(yàn)施工，樁端部設(shè)置鋼制樁靴。試樁施工情況:試樁區(qū)域土體地層為粉質(zhì)砂土層、PHC 樁頂標(biāo)高+7.66m、樁長(zhǎng)度均值為3.9m,設(shè)計(jì)單根樁承載力180kPa；實(shí)際施工中，樁底打入該地層+7.6m 位置時(shí)，樁機(jī)壓力為225t，保持該壓力5min，PHC 樁端部高程無(wú)明顯變化。

結(jié)合試樁施工結(jié)果、施工實(shí)際要求可知，該樁體無(wú)法滿足標(biāo)高要求，且樁底持力地層高程變化較大，導(dǎo)致施工成本增加，同時(shí)將形成大量截樁；設(shè)計(jì)要求樁底打入持力層，樁長(zhǎng)變化幅度大，施工難度較大。因此，導(dǎo)航墻基底換用直徑50cm 的C30 素混凝土樁，樁底打入持力層1.2m，測(cè)算得到的施工成本及工程量如表4 所示。

表4 工程費(fèi)用對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比可知，換用C30 素混凝土樁后，施工成本降低79848 元，而且可有效解決PHC 樁無(wú)法穿透砂層、樁底施工標(biāo)高定位難、需花費(fèi)大量時(shí)間處理截樁等問(wèn)題，因此，確定為最終的地基處理方案。當(dāng)前，該船閘工程導(dǎo)航墻施工結(jié)束，復(fù)合地基處理效果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)某船閘工程導(dǎo)航墻樁復(fù)合地基處理方式的理論分析及實(shí)踐驗(yàn)證，得出最佳的素混凝土樁復(fù)合地基處理方案。相較于PHC 樁，素混凝土樁施工更加簡(jiǎn)便、成本更低，同時(shí)無(wú)需處理大量截樁，保證了施工進(jìn)度，適合用于上部大荷載工程地基處理，是船閘工程中的理想地基處理方案。