預(yù)應(yīng)力混凝土管樁聯(lián)合水泥攪拌樁在水閘基礎(chǔ)工程中的應(yīng)用

崔應(yīng)坤

(廣州華申建設(shè)工程管理有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524037)

1 工程概況

1.1 工程布置

本文選擇某水閘作為研究對象，其組成可以分為上游部分的連接段、水閘前的鋪蓋段、出口的漸變段，以及閘室、涵洞等。本工程全長182 m，閘室長14 m、寬31.62 m，有5孔負(fù)責(zé)灌溉，寬4.4 m、高4.4 m，1孔負(fù)責(zé)供水，寬2.0 m、高4.4 m，其閘底板、閘墩頂高程分別為55.30 m、65.40 m?，F(xiàn)將啟閉機(jī)房設(shè)置于水閘的上方，機(jī)房平臺(tái)高程為72.30 m，而機(jī)房自身也有3 m高。閘室共有兩聯(lián)六孔，工程設(shè)計(jì)水位可達(dá)58.63 m。

1.2 本工程地質(zhì)情況

在施工前，由專業(yè)人員對施工地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察。根據(jù)報(bào)告所示，涵閘周邊的土質(zhì)是第四系填筑土，可以被劃分成以下幾類:第一類為人工填土層，主要是褐黃色的壤土，有一些黏土，混雜少量的砂壤土透鏡體。土層具有可塑能力，而土層厚度為5.0～12.6 m;第二類為河流沖積層(Q4al)，主要是壤土，有一些黏土、砂壤土，混雜部分粉細(xì)砂透鏡體。這一土層具有連續(xù)分布特性，部分土層沒有被揭穿，土層厚度為10～25 m;第三類為河流沖積層(Q3al)，土層主要為壤土，有超量的黏土，部分土層夾雜少砂壤土透鏡體。其特點(diǎn)是連續(xù)分布，一些土層還未揭穿，土層厚度為1.5～9.0 m;第四類為河流沖積層(Q3al)，是褐黃色的粉細(xì)砂層，褐黃色，呈現(xiàn)中密狀，已經(jīng)揭露的位置最大厚度為6 m。而涵閘負(fù)責(zé)持力主要是黏土與壤土，承載力特征值處于90～110 kPa，承載力相對較低;而當(dāng)前的地震烈度為Ⅶ度，在地表之下的15 m區(qū)域內(nèi)，有低于17%黏粒含量的土層，在地震的影響下，極易發(fā)生液化，導(dǎo)致當(dāng)前地基是無法直接投入使用，一定要展開科學(xué)的地基處理，確保水閘使用的穩(wěn)定性[1-3]。

2 地基應(yīng)力計(jì)算

現(xiàn)在影響閘室穩(wěn)定的荷載可以分為以下幾種：設(shè)備與閘室，例如閘室與設(shè)備的自身重量；自然因素，例如水重、地震力等。所以，根據(jù)材料力學(xué)的偏心受壓公式，在結(jié)構(gòu)布置及受力情況對稱情況下，則通過公式(1)完成計(jì)算:

(1)

式中:∑G為影響閘室的豎向荷載，kN;A為閘室的基底面積，m2;∑Mx、∑My為影響閘室的所有荷載，會(huì)對底面形心軸x、y的力矩造成影響，kN·m;Wx、Wy為閘室底面形心軸x、y的面積矩，m2·m。

經(jīng)過計(jì)算后，將閘室地基應(yīng)力整理為表1內(nèi)容。

表1 閘室地基應(yīng)力計(jì)算數(shù)據(jù)

從計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，在特殊組合模式下的地震工況，是一種控制工況，這一涵閘地基，在地震的工況影響下，地基應(yīng)力可以達(dá)到221.45 kPa，其底層承載力僅在90～110 kPa區(qū)間，可以看出承載力明顯偏低，即原地區(qū)的地基無法滿足水閘施工所需的基礎(chǔ)承載力，一定要進(jìn)行地基處理后，才能將其投入應(yīng)用。

3 水閘地基處理方案選擇

3.1 幾種地基處理方案對比

根據(jù)施工區(qū)域現(xiàn)在的地質(zhì)條件，分析常規(guī)水閘工程經(jīng)驗(yàn)，可以將以下方法作為地基處理方案使用，保證樁徑、樁長符合地基使用需求即可。

素混凝土樁:這種處理方式，并不會(huì)將配筋加入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是利用混凝土直接澆筑制備，所以，其承載力不大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)有較大概率會(huì)產(chǎn)生開裂，抗彎性能差，延性不強(qiáng)，多是在一些承載力需求低的工程中使用。

鋼筋混凝土灌注樁:本文設(shè)計(jì)的工程是穿堤涵閘，而施工區(qū)域土層多是壤土，工期也較為緊張。而這種處理方式需要前期投較多資金、工期偏長，并不將這種方式納入考慮當(dāng)中。

CFG樁(即水泥粉煤灰碎石樁):多用在黏性土、粉土地基，或者是自重固結(jié)已結(jié)束的素填土地基?？墒沁@種施工工藝具有較高的施工需求，極易被地下水所影響，應(yīng)用質(zhì)量偏低，同樣不將其作為本工程的應(yīng)用對象考慮。

高壓噴射注漿法:多用在提升地基牢固性，提升土層抗剪能力，可以得到地基變形性質(zhì)有效改善。根據(jù)使用需求，通過閉合帷幕，對地下水流起到控制作用，降低流沙對工程的負(fù)面影響。黏性土等土類都可以應(yīng)用。而一些礫石粒徑偏大，土壤具有較多的腐殖質(zhì)，加固質(zhì)量則會(huì)降低;如果地下水流偏大、地基土受到嚴(yán)重腐蝕，也不建議應(yīng)用。

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC管樁)有以下優(yōu)點(diǎn):

樁承載力高、應(yīng)用場景廣、質(zhì)量穩(wěn)定、造價(jià)偏低、施工時(shí)間短。整理以上內(nèi)容，并做好對比分析，現(xiàn)將素混凝土樁、高壓旋噴樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等作為地基基礎(chǔ)處理方案，方案支出成本整理為表2內(nèi)容。

表2 處理方案資金支出比較

對處理方案詳細(xì)分析后，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：素混凝土灌注樁前期投入成本大，而鉆孔護(hù)壁使用具有一定難度，施工也需要花費(fèi)一定的時(shí)間成本;鋼筋混凝土灌注樁需要花費(fèi)較大的投資成本，時(shí)間成本高;CFG樁具有較高的工藝需求，施工時(shí)也受到地下水影響，不具備更穩(wěn)定的施工質(zhì)量;高壓旋噴樁支出成本大、施工質(zhì)量差。而預(yù)制混凝土管樁施工不需要花費(fèi)過多時(shí)間，無論是施工質(zhì)量還是工期都符合施工需求，投資成本最低，所以，現(xiàn)把預(yù)制混凝土管樁復(fù)合地基作為處理方案。

3.2 地基處理方案

3.2.1 承載力

完成復(fù)合地基載荷試驗(yàn)，可獲得PHC樁正式復(fù)合地基承載力，結(jié)合住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》 (JGJ/T 406—2017)[4]，在復(fù)合地基承載力驗(yàn)算時(shí)，可采用式(2)進(jìn)行承載力驗(yàn)算：

(2)

式中:fspk為復(fù)合地基承載力，kPa;λ為單樁承載力的發(fā)揮系數(shù)，多應(yīng)用當(dāng)前施工經(jīng)驗(yàn)獲得具體數(shù)值，取0.8～1.0；m為PHC樁的面積置換率;Ra為單樁豎向承載力，kN;Ap為單樁的橫截面積，m2;β為兩個(gè)樁之間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.75～0.95;fs k為兩個(gè)樁間土質(zhì)的承載力。單樁豎向承載力特征值Ra，在無單樁載荷試驗(yàn)資料情況下，可按式(3)估算：

(3)

式中:up為樁周長，m;n為樁長涉及范圍內(nèi)具體土層數(shù);qsi為樁周圍第i層由土層提供的側(cè)阻力，kPa;li為樁長涉及范圍的第i層土層厚度，m;αp為樁的頂端位置阻力發(fā)揮系數(shù);qp為樁頂端位置阻力的特征值，kPa。

3.2.2 處理地基具體內(nèi)容

從涵閘工程質(zhì)量、施工進(jìn)度、投資成本等因素入手，分析項(xiàng)目所處地區(qū)的地質(zhì)條件、施工區(qū)域周邊環(huán)境等，所以對涵閘基礎(chǔ)處理，將采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，配合雙排水泥土攪拌樁的聯(lián)合支護(hù)模式。地基處理模式整理為以下內(nèi)容:

(1)閘基承載力不足。涵閘閘室段應(yīng)用PHC樁復(fù)合地基方案:將AB型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁投入應(yīng)用，壁厚保證0.125 m，而管樁的直徑、長度則要達(dá)到0.5 m、25.0 m，利用正三角形設(shè)置管樁，樁間距需要控制在2 m，樁的頂部設(shè)計(jì)厚度為0.3 m的水泥土墊層。需要在施工前對場地充分清理，保持場地平整，測量施工的具體位置，使用樁機(jī)對管樁錘擊。

(2)地震液化。在地表至下方15 m深度范圍內(nèi)，因?yàn)槠涞鼗琉ち：啃∮?7%，砂壤土極易在地震影響下發(fā)生液化。本工程是穿堤涵閘，所以否決碎石樁、砂樁一類處理方法，應(yīng)用水泥攪拌樁。水泥攪拌樁的樁徑、樁間距需要控制為0.6 m、0.4 m，讓管樁進(jìn)入土層約10 m，并以雙排壁模式進(jìn)行布設(shè)。需要先測量放線，移動(dòng)樁機(jī)，通過下鉆噴漿與噴漿攪拌，為管樁拓展足夠空間，最后對攪拌機(jī)充分清理即可。

(3)基坑降排水。因?yàn)殚l室高度54.29 m，所以需要將開挖控制在53.79 m以上，而施工地區(qū)的地下水位高度在59.10 m，會(huì)導(dǎo)致基坑有過多積水，影響施工效果。為使該土方開挖、混凝土澆筑不會(huì)受到積水影響，現(xiàn)采用人工方法控制水位。根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料，閘室施工區(qū)域多為砂壤土，其滲透系數(shù)為K，所以,地下水位至少降低6 m。以井點(diǎn)排水特性，將輕型井點(diǎn)投入應(yīng)用。

使用布設(shè)方案，加固地基基礎(chǔ)，同時(shí)對地基承載力進(jìn)行檢驗(yàn)，其最初承載力為100.00 kPa，現(xiàn)在提高至245.00 kPa，滿足基底應(yīng)力221.45 kPa使用需求，符合涵閘的地基承載力基本需求，并通過水泥攪拌樁圍封方案，處理地基地震液化問題。

水閘建設(shè)完畢后，針對閘室展開基礎(chǔ)沉降觀測，以預(yù)制混凝土管樁為施工基礎(chǔ)，搭配雙排水泥土攪拌樁，完成聯(lián)合支護(hù)工作，本工程可以保持均勻沉降，使用后期的沉降也保持穩(wěn)定，施工效果較好[5-7]。

4 結(jié) 論

作為水閘基礎(chǔ)工程的重要內(nèi)容，地基處理質(zhì)量會(huì)影響到水閘工程后續(xù)使用的安全性。因?yàn)椋こ趟巺^(qū)域、地質(zhì)條件不同，所以，要以現(xiàn)場勘察報(bào)告為準(zhǔn)，科學(xué)選擇地基處理方案。本文使用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與雙排水泥土攪拌樁聯(lián)合模式，在水閘地基處理中，較好地解決了下游涵閘建設(shè)過程中存在的地基承載力不足、地基輕微液化等問題，大幅度提高了工程施工質(zhì)量和安全穩(wěn)定性。同時(shí)，有效降低了工程施工材料成本支出和施工周期，可以作為閘基地質(zhì)處理的參考方案使用。