水閘工程深厚軟土地基處理設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉人添，張 超，劉 歡，雷 轟，陳彥霖，2，謝家強(qiáng)

（1.長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430062；2.重慶市三峽生態(tài)環(huán)境技術(shù)創(chuàng)新中心有限公司，重慶 400000）

1 軟土的工程特性

軟土主要指軟弱黏性土， 是第四紀(jì)后期形成的海相、瀉湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的黏性土沉積物或河流沖積物，如淤泥質(zhì)土、淤泥等［1］。 在長(zhǎng)江中下游地區(qū)的河流兩岸和河床地層中， 軟弱土層廣泛分布，厚度可達(dá)幾米或者更深，且常常與粉質(zhì)壤土、砂壤土、粉細(xì)砂等土層相互摻雜，交錯(cuò)分布［2］。 軟黏土的主要特點(diǎn)是天然含水量大于液限， 且大部分處于飽和狀態(tài)，孔隙比大于1.0，土體的抗剪強(qiáng)度低，壓縮性高，同時(shí)滲透系數(shù)小。在水工建筑物荷載作用下，此類(lèi)土質(zhì)地基承載力低，沉降變形大，沉降穩(wěn)定歷時(shí)長(zhǎng)， 是長(zhǎng)江中下游地區(qū)水閘建設(shè)中較為常見(jiàn)的需要進(jìn)行處理的地基類(lèi)型。

2 水閘工程深厚軟土地基主要問(wèn)題

水閘工程地基一般需要滿(mǎn)足以下四項(xiàng)要求：①保證建筑物地基承載力； ②控制建筑物沉降值并盡量減少不均勻沉降； ③以合適的地基與基礎(chǔ)的結(jié)合方式保證建筑物抗滑穩(wěn)定； ④在合理深度范圍內(nèi)截?cái)鄰?qiáng)透水層并控制滲徑，確保地基滲透穩(wěn)定。

軟土天然地基因其抗剪強(qiáng)度低， 承載力一般低于水閘平均基底應(yīng)力，且綜合摩擦系數(shù)較小，在水閘上下游水位差較大的運(yùn)行工況下， 難以保證閘室穩(wěn)定， 若軟土地基厚度較大， 也會(huì)有地基深層滑動(dòng)隱患；在軟土壓縮模量小，壓縮層厚度大的情況下，天然地基沉降量一般會(huì)超過(guò)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中15cm限制值，且若上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，沉降差也難以控制在5cm以?xún)?nèi)；雖然淤泥質(zhì)土等軟土本身滲透系數(shù)小， 但由于深厚軟土層常常夾雜砂性土等滲透系數(shù)較大的強(qiáng)透水層，此類(lèi)天然地基若不加處理，容易形成滲透通道，影響整體地基穩(wěn)定。

3 水閘工程軟土地基典型處理方案及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 換填墊層法

換填墊層法是指將天然地基中部分軟弱土體置換為物理力學(xué)指標(biāo)更優(yōu)的巖土材料， 再通過(guò)人工壓實(shí)形成滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的分層人工地基， 常見(jiàn)換填材料有素土、中砂、粗砂、礫砂、碎石、粉煤灰、水泥土等。 填料墊層主要可以在以下幾方面改善原地基土的性能：①填料層材料抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于原狀軟弱土，從而可以顯著增強(qiáng)地基承載力；②填料壓實(shí)后，回填層沉降量較小且可控， 同時(shí)閘室底部應(yīng)力經(jīng)換填層擴(kuò)散降低后，下臥層應(yīng)力較小，下臥層沉降也能得到明顯控制； ③砂石墊層等換填材料可有效加快換填層下部含水率高孔隙比大土層的固結(jié)排水， 釋放孔隙水壓力，增強(qiáng)整體地基的穩(wěn)定性［3］。

墊層法的設(shè)計(jì)計(jì)算需要確定墊層的厚度和平面尺寸， 確保閘室基底應(yīng)力經(jīng)墊層擴(kuò)散后不大于下臥地基承載力。在水閘工程中墊層厚度一般不大于3m，墊層厚度太厚則不利于施工且經(jīng)濟(jì)性較差。

3.2 樁基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)是水閘工程中使用較早且廣泛應(yīng)用的地基處理方法， 以下介紹較為常見(jiàn)鉆孔灌注樁和PHC管樁兩種樁型。

鉆孔灌注樁適宜于上部為較深厚的軟土地基、下部為硬土層或堅(jiān)硬巖層的地基條件，尤其在基底應(yīng)力較大或閘室上下游水位差大（控制工況下水平推力大）的水閘工程建設(shè)中較為常用。鉆孔灌注樁具有施工時(shí)環(huán)境影響小、噪音小、單樁承載力高、提升建筑物抗震性能等特點(diǎn)［4］。 需要注意的是，采用鉆孔灌注樁時(shí)，底板與地基之間應(yīng)緊密接觸。 為避免形成滲流通道，多采用摩擦型樁，若采用端承樁形式，則應(yīng)采取有效基底防滲強(qiáng)化措施，如加設(shè)上游防滲墻、強(qiáng)化止水構(gòu)造等。

高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC）是采用先張預(yù)應(yīng)力離心成型工藝，并經(jīng)過(guò)蒸汽養(yǎng)護(hù)制成的一種空心圓筒型混凝土預(yù)制構(gòu)件，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)10m，直徑范圍為30～80cm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜小于C80。 預(yù)應(yīng)力混凝土管樁主要有以下優(yōu)點(diǎn)： ①配有產(chǎn)品工廠(chǎng)流水線(xiàn)生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定可靠；②樁身混凝土強(qiáng)度高，耐錘打性好，貫穿能力強(qiáng)；③單樁承載力高，價(jià)格便宜；④對(duì)不同地質(zhì)條件和不同沉樁工藝適應(yīng)性強(qiáng)；⑤運(yùn)輸?shù)跹b輕便，施工速度快，工期短，施工現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)潔文明。

樁基礎(chǔ)樁的根數(shù)和樁徑一般按承擔(dān)底板底面以上的全部荷載由樁承擔(dān)確定， 樁的布置一般為矩形或三角形， 鉆孔灌注樁中心距一般不小于2.5倍樁徑，預(yù)制樁中心距一般不小于3倍樁徑。 對(duì)于樁距小于6倍樁徑且樁根數(shù)大于9根時(shí)的摩擦型樁基礎(chǔ)，可將群樁范圍內(nèi)的樁和土視作整體， 以樁底平面為界限，進(jìn)行沉降計(jì)算。

3.3 深層攪拌法

深層攪拌法是利用水泥作為固化劑， 通過(guò)全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的攪拌使水泥與軟土充產(chǎn)生充分的化學(xué)、物理反應(yīng)形成具有較優(yōu)強(qiáng)度指標(biāo)的水泥土攪拌樁，再通過(guò)水泥土樁與樁間土形成的復(fù)合地基解決地基承載能力低、沉降量大的問(wèn)題［5］。 水泥土攪拌樁適用于處理正常固結(jié)的淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土、素填土、黏性土等地基，處理后的地基抗剪強(qiáng)度得到大幅提高，也相應(yīng)提高了水閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。 本方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：①最大限度地利用了原土；②攪拌時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音和無(wú)污染；③可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的需要，可靈活地采用柱狀、格柵狀等加固型式；④與鋼筋混凝土樁基相比較，可節(jié)約鋼材并降低造價(jià)［6］。 在施工過(guò)程中，此方案對(duì)施工質(zhì)量的要求較高，要根據(jù)不同的地質(zhì)情況選用相應(yīng)的施工機(jī)具，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，且在正式施工前需進(jìn)行水泥土試塊室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)和施工工藝。

在深層水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)中， 應(yīng)先需根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果分析確定單樁承載力，再結(jié)合上部結(jié)構(gòu)承載力需求，確定攪拌樁的置換率和分布。

4 工程案例

4.1 工程案例項(xiàng)目概況

本文案例工程為安徽省某低水頭徑流式泄水閘，具備節(jié)制、引水、排洪3大功能，設(shè)計(jì)引水流量150m3/s， 設(shè) 計(jì) 排 洪 流 量600m3/s， 校 核 排 洪 流 量1250m3/s，結(jié)構(gòu)形式為開(kāi)敞式平底閘。 泄水閘順流向按引水方向各建筑物依次為上游引水渠、上游翼墻、上游防沖槽、上游海漫、上游護(hù)坦、上游消力池、閘室、兩岸連接段、下游翼墻、下游護(hù)坦及下游渠道等，閘址地基為深厚淤泥質(zhì)土。

4.2 地質(zhì)條件

本案例工程區(qū)為軟弱場(chǎng)地土， 震動(dòng)峰值加速度為0.1g，地震基本烈度為Ⅶ度。水閘建基面位于①2層砂壤土中，①2層砂壤土強(qiáng)度低，埋深淺，屬挖除土層。 建基面以下建筑物地基土層主要包括②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、②4層粉細(xì)砂、④層重粉質(zhì)壤土、⑤2層中粗砂、⑥層含礫粘土及⑩層粉砂巖等。主要持力層為②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，該層厚度為6～12m，承載能力低，沉降變形大，不宜直接作為天然地基，若作為基礎(chǔ)持力層應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)處理； ②4層粉細(xì)砂、砂壤土強(qiáng)度亦較低，滲透性較強(qiáng)，對(duì)建筑物滲透穩(wěn)定不利；④層重粉質(zhì)壤土強(qiáng)度一般，埋藏較深，可根據(jù)上部荷載情況選擇作為水泥土攪拌樁樁端持力層；⑤2層中粗砂、⑥層含礫黏土及⑩層粉砂巖、砂礫巖強(qiáng)度均較高，但層頂埋藏較深。

孔隙潛水主要儲(chǔ)存于人工填土及②層淤泥質(zhì)土中，主要受大氣降水補(bǔ)給，且與地表水存在一定的水力聯(lián)系，具有水量小、水位變化大的特點(diǎn)；孔隙承壓水主要儲(chǔ)存于②4層粉細(xì)砂、⑤2層中粗砂、⑥層含礫黏土中。

4.3 主要設(shè)計(jì)思路

根據(jù)建筑物選址水位流量關(guān)系及兩岸地形限制，閘室結(jié)構(gòu)采用7孔3聯(lián)的開(kāi)敞式平底閘， 中間段3孔一聯(lián)，左右邊聯(lián)均為2孔閘室與岸墻相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。底板建基面以下6～12m深度范圍內(nèi)土層分布主要為②層淤泥質(zhì)土和②4層粉細(xì)砂、砂壤土，土層分布不均勻且存在強(qiáng)透水層，閘室基底應(yīng)力遠(yuǎn)大于淤泥質(zhì)粉質(zhì)壤土的允許承載力，沉降量較大，抗滑穩(wěn)定及滲透穩(wěn)定不滿(mǎn)足規(guī)范要求，需要進(jìn)行地基處理。經(jīng)綜合比較，水泥土攪拌樁方案在完整解決現(xiàn)有地基存在問(wèn)題的同時(shí)，最大限度地利用了原土的強(qiáng)度，整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)，本工程閘室地基處理采用水泥土攪拌樁方案。

4.4 地基處理設(shè)計(jì)方案

本工程采用格柵點(diǎn)陣式水泥土攪拌樁復(fù)合地基。 攪拌樁固化劑選用42.5級(jí)及以上普通硅酸鹽水泥，摻量15%，樁身直徑60cm。為控制整體沉降水平，樁底穿透壓縮模量較小的②～④土層到達(dá)第⑤層重粉質(zhì)壤土，閘室段平均樁長(zhǎng)15m。

攪拌樁采用格柵式布置，套接長(zhǎng)度15cm，典型格柵單元布置如圖1，格柵間距由不同結(jié)構(gòu)下基礎(chǔ)處理所需的攪拌樁置換率確定，格柵樁間布有散樁。

圖1 典型格柵單元布置

泄水閘閘室左右邊聯(lián)綜合置換率為35%， 中間聯(lián)綜合置換率為30%，閘室整體布置如圖2。 泄水閘上游側(cè)布置雙排套接水泥土攪拌樁作為防滲墻，防滲墻頂部覆蓋瀝青與閘室底板凹槽連接。

圖2 閘室攪拌樁平面布置

表1 滲透坡降計(jì)算結(jié)果

攪拌樁樁頂高程為2.2m， 建基面開(kāi)挖時(shí)需挖除攪拌樁樁頂約40cm長(zhǎng)的樁頭，再回填30cm厚的水泥土墊層作為褥墊層， 然后在結(jié)構(gòu)混凝土澆筑前澆筑10cm厚的C10混凝土墊層。

4.5 主要計(jì)算結(jié)果

4.5.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基承載力計(jì)算公式如式（1）。

式中 fspk為復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；m為面積置換率；Ra為豎向單樁承載力（kN）；Ap為樁的截面積（m2）；β為樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力特征值。

單樁承載力特征值經(jīng)計(jì)算并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，確定為130kN。 水泥土攪拌樁樁間土為②層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土， 承載力特征值為85kPa，樁間土承載力折減系數(shù)為0.6，經(jīng)計(jì)算閘室中間聯(lián)復(fù)合地基承載力為173kPa， 邊孔聯(lián)復(fù)合地基承載力為194kPa。 復(fù)合地基承載力滿(mǎn)足閘室各工況基底應(yīng)力承載要求。

4.5.2 地基沉降計(jì)算

處理后的閘室地基沉降量分為兩部分， 一部分為攪拌樁復(fù)合地基本身的壓縮變形量s1，另一部分為復(fù)合地基以下至基巖頂面之間的壤土層的壓縮變形量s2，總沉降量s=s1+s2。 計(jì)算采用的附加應(yīng)力從閘室基礎(chǔ)底面算起。

復(fù)合地基層變形量s1計(jì)算公式如式（2）～式（3）。

式中 pz為攪拌樁復(fù)合地基頂面的附加應(yīng)力值；Pzl為攪拌樁復(fù)合地基底面的附加應(yīng)力值；Esp為攪拌樁復(fù)合地基的壓縮模量；Ep為攪拌樁的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量。

本工程樁體壓縮模量綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果，壓縮模量取150MPa，樁間土的壓縮模量根據(jù)土層物理力學(xué)指標(biāo)取3MPa。

下臥層原狀土變形量s2計(jì)算公式如式（4）。

式中 Δpi為第i層土平均附加應(yīng)力增量；li為第i層土的厚度；Esi為第i層土的壓縮模量；ψs2為壓縮變形量經(jīng)驗(yàn)系數(shù)經(jīng)計(jì)算， 閘室中孔聯(lián)地基沉降值為75mm，邊孔聯(lián)地基沉降值為92mm，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

4.5.3 滲透穩(wěn)定計(jì)算

閘基滲流計(jì)算采用改進(jìn)阻力系數(shù)法和二維有限元法分別進(jìn)行計(jì)算， 閘基滲透坡降及單寬流量計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足規(guī)范要求，具體結(jié)果如表2。

表2 單寬流量計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

在深厚軟土地基水閘工程設(shè)計(jì)過(guò)程中， 要綜合分析地基承載能力、基礎(chǔ)沉降量、建筑物抗滑穩(wěn)定、抗?jié)B穩(wěn)定等特定工程需求， 同時(shí)也要統(tǒng)籌考慮工程所在地的建筑材料供應(yīng)情況、施工機(jī)械條件、施工技術(shù)難度等實(shí)際外部因素，因地制宜地選擇安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。