水泥土搅拌桩在水闸地基处理中的应用

郭浩鹏

摘 要：主要针对水泥土搅拌桩在水闸地基加固中的应用展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对水泥土搅拌桩的施工应用作了详细的阐述和系统的总结分析，以期能为有关方面提供有益的参考和借鉴。

关键词：水泥土搅拌桩；水闸；软土地基；抗压强度

中图分类号：TU753.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.109

软弱地基在沿海地区分布广泛，而水闸建筑物所需的基础通常需要承受相当大的上部荷载，其基础底部压力往往比淤泥软基持力层所能承载的压力要大很多。因此，在这种淤泥质软基上修筑水闸建筑物，必须采取合理、有效的加固处理措施，否则就可能造成软基出现局部沉降破坏，甚至出现构建物整体滑动等地基失稳现象。水泥搅拌桩通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结而提高地基强度，从而保障建筑的施工、运行安全。下面就介绍水泥土搅拌桩技术在软基水闸处理中的应用。

1 工程概况

练江水闸工程位于普宁市练江干流，是一宗以防洪排涝为主、发电为辅的中型水利枢纽工程。试水闸工程设计流量1 118 m3/s，上游集水面积334.3 km2，按10年一遇设计和20年一遇校核。水闸顺水流方向布置有铺盖、闸室、消力池和海漫。铺盖长10.0 m，是在原有旧砌石护坦的基础上铺800 mm厚的混凝土，闸室段长8.4 m。底板是钢筋混凝土，厚1 m，上游端设宽1.0 m、深1.0 m的齿墙。经安全鉴定复核，水闸运用指标达不到设计标准，工程存在严重损坏，经除险加固后，才能达到正常运行。按照《水闸安全鉴定规定》（SL 214—98）6.02的规定，判定本水闸为三类险闸，建议尽快对工程进行除险加固，在未除险加固前必须采取应急措施，确保工程安全。

2 工程地质条件

2.1 区域地质构造

根据区域地质构造图反映，练江断裂（F14）为本场地主要构造控制带。基岩花岗岩深埋125 m以上。外业勘探过程中，在拟建场地未发现断裂构造痕迹，为巨厚的第四系冲积砂土层，属练江断裂北西侧练江平原地段。练江水闸地区洋尾山、洪厝寨山为残丘低缓岩体，对局部地质有直接影响。

2.2 主要工程地质问题

2.2.1 软土地基

闸址区第四系海陆交互相沉积（Qmc）的淤泥土埋深较浅，在河道、沟渠、渊塘等表部直接出露。淤泥土天然含水量高，一般为30.3%～78.6%，液限一般为26.2%～63.0%；孔隙比较大，为1.02～2.32；压缩系数一般为0.557～2.592/ MPa，具有高压缩性。

淤泥土野外现场十字板剪切强度小于40 kPa，一般在8～24 kPa之间，静力触探的比贯入阻力平均值等于0.236 MPa，土体强度很低。

淤泥土层厚度较大，存在土体强度及承载力低、压缩变形大、地震条件下可能产生震陷变形等问题。

2.2.2 饱和砂土液化

第四系上部海陆交互相沉积（Qmc）分布有2层砂性土层：①夹于淤泥土中的砂壤土-1。该土层厚2.0～3.6 m，埋深1.8～6.5 m。②淤泥土下部的砂壤土-2。该土层厚度一般为1.0～5.8 m，最厚为6.3 m，埋深5.5～13.0 m。两层均为饱和砂性土。闸址区地震基本烈度为Ⅶ度，处于抗震不利地段。两层砂壤土黏粒含量分别为7.5%和15.6%，黏粒含量均小于16.0%，初判为液化土。复判采用标准贯入锤击数法、液性指数复判法和相对密度法综合进行，复判结果表明两层砂性土存在震动液化问题。

3 地基处理

3.1 地基处理的目的

3.1.1 提高地基承载力

水闸基底应力计算结果显示：完建期基底应力最大，平均值为82.47 kPa；其他工况（挡潮工况、泄水运用工况、检修工况）下的基底平均应力也大于淤泥地基的允许承载力50 kPa，天然地基承载力不满足要求，需要通过地基处理来提高地基承载力。

3.1.2 减小沉降量

水闸地基的沉降量采用分层总和法计算，结果显示：完建期沉降量达40.8 cm，正常运行工况的沉降量也达到了30.1 cm，均大于《水闸设计规范》（SL 265—2001）规定的水闸允许沉降量15 cm。因此天然地基存在沉降量过大的问题，需要予以处理，已减小沉降量。

3.1.3 消除地震条件下的砂土液化和震陷

在Ⅶ度地震条件下，闸基下海陆交互相沉积（Qmc）层中分布的两层饱和砂性土层可能产生震动液化，需要采取地基处理措施来消除液化潜势。同时，淤泥软土层厚度大、强度低。根据文献[1]，在Ⅶ度地震条件下，当承载力特征值小于80 kPa时，还可能产生震陷变形，需要采取地基处理措施预防。

3.1.4 提高闸室抗滑稳定安全系数

由于淤泥土抗剪强度很小，固结快剪内摩擦角为7°，黏结力为3.4 kPa，相应的φ0仅为6.3°，C0为0.85 kPa。由式（1）计算可得：设计挡潮工况下（抗滑稳定控制工况），闸室的抗滑稳定安全系数仅为0.73，远小于安全系数的允许值1.30.折算的综合摩擦系数仅为0.18，比一般地基上的摩擦系数小得多。

3.2 地基处理方案比选

比较深层水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩（桩径1 m）和预应力混凝土管桩（PHC-B500-125）3种地基处理方案。钻孔灌注桩和预应力混凝土管桩两种刚性桩方案，因桩基和桩间土体一般存在沉降差，闸室底板与建基面之间可能出现脱空，所以一般不考虑桩间土体承担荷载，全部竖向荷载和水平荷载由桩体承担，总荷载较大。而采用深层水泥土搅拌桩方案处理后的地基为复合地基，不存在脱空问题，桩间土与水泥土桩体一起承担竖向荷载。同时，处理后的复合地基由于水泥土的改性作用，力学强度得到了提高，抗滑能力也有较大的提高。采用钻孔灌注桩和预应力混凝土管桩方案时，还需要在闸底板前、后端以水泥土搅拌桩围封，以避免闸室底板可能与建基面脱空带来的接触冲刷，其防渗的可靠性显然低于水泥土搅拌桩方案。此外，地基处理造价也以水泥土搅拌桩方案最低，因此选择水泥土搅拌桩方案进行水闸地基处理。

4 水泥土搅拌桩设计

4.1 搅拌桩布置

由于水闸地基土体强度低，因此采用大直径搅拌桩提高工效，搅拌桩直径为600 mm。搅拌桩桩长根据控制闸基沉降量、抗液化和震陷的要求确定。按控制闸基沉降量不超过15 cm的要求，桩长不应小于11.2 m；水闸地基下可液化砂层深度在10 m以内，为达到抗液化的目的，搅拌桩应进入的非液化层深度按2 m考虑，桩长应不小于12.0 m；按抗震陷要求，桩长应超过淤泥深度，桩长不小于8.4 m。综合考虑取搅拌桩桩长为12.0 m。

搅拌桩按照抗液化和震陷要求采取格栅式布置，桩间套接15 cm，格栅间距取为4 m左右。同时，格栅布置还要兼顾闸室底板受力特点，与闸室结构相对应，分块尺寸为25.0 m×18.8 m（顺水流向×横流向），每个分块内顺水流向布置6排，排间距4.50 m和4.95 m；横流向布置5排，其中在闸墩对应位置各布置1排，底板下布置3排，排间距4.05 m。这种布置方式主要是依据弹性地基梁下基底反力分布规律，有利于减小水闸底板闸孔中部的负弯矩。每个格栅内还布置有4根单桩，以调整地基的均匀性。单个闸室总共布置搅拌桩581根，置换率约30.2%.

4.2 复合地基承载力及沉降量计算

选定地基处理方案前，为确定水泥土搅拌桩对淤泥地基的适用性以及获得相关设计参数，专门进行了室内配合比试验。试验土样取自闸基部位，土样pH值大于7.0，呈碱性，表明地基土层对混凝土不具有泛酸性腐蚀；SO42-含量为395～408 mg/kg，对混凝土不具有硫酸盐腐蚀性；有机质含量2.40%～2.46%.试验水泥品种及强度等级分别为32.5R复合硅酸盐水泥及42.5R普通水泥，水灰比为0.55，水泥掺量分别为15%，18%和21%，外加剂选择三乙醇胺，试验龄期分别为7 d、14 d、28 d、90 d。水泥土室内配合比无侧限抗压强度结果见表1.

室内配合比试验表明，水泥土无侧限抗压强度较大，随龄期增长而增大，随水泥掺量增大而增大，也随水泥强度等级的提高而增大，表明淤泥地基适用于以水泥作固化剂。

根据试验结果，水泥土无侧限抗压设计强度值fcu取1.30 MPa（取28 d龄期强度主要是考虑到水闸还需承担水平荷载），建议采用42.5R强度等级的水泥，掺量不小于18%.具体配合比则应根据现场生产性试验确定。

单桩承载力取为按桩身材料强度（桩身强度折减系数η取0.25）确定的单桩承载力、由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力两者中的小值，根据计算结果，按桩身强度所确定的单桩承载力为91.9 kN，远小于按桩周土和桩端土抗力确定的单桩承载力232.85 kN。因此，单桩承载力取91.9 kN。

经计算，复合地基承载力特征值为105.1 kPa，满足水闸对地基承载力的要求。

水泥搅拌桩复合地基沉降量包括桩长深度内的复合土层压缩变形和桩端下未加固土层的压缩变形。计算时搅拌桩的压缩模量取130 MPa，经计算，复合土层压缩变形量为1.8 cm，桩端下未加固土层的压缩变形量为2.5 cm，复合地基总沉降量为4.3 cm，满足《水闸设计规范》（SL 265—2001）对沉降量的控制要求。

4.3 复合地基上水闸抗滑稳定计算

水泥土搅拌桩地基处理主要是提高地基竖向承载能力和减小沉降量，在工业与民用建筑行业应用较多，现有关于水泥土搅拌桩的设计规范也是针对建筑行业的。近十多年来搅拌桩在水利工程中也有应用，主要解决的还是地基竖向承载能力和沉降问题，用于提高地基抗滑能力的应用尚不多见。闸室抗滑稳定分为以下2种情况计算。

4.3.1 不考虑齿槽作用，闸室沿建基面滑动

闸基抗滑稳定安全系数分解为由水泥土和桩间土分别提供的2部分安全系数，采用式（1）计算。作用于桩顶和桩间土上的竖向荷载根据水泥土和桩间土的应力比确定。根据实际工程经验，一般情况下，承受竖向荷载时桩土应力比可达3～6.桩间土越软弱，应力比越高。水闸为淤泥地基，偏于保守考虑，取桩土应力比为3.按搅拌桩置换率30.2%计算，则桩体承载竖向荷载比例为56.5%，桩间土承担比例为43.5%.

由上式计算得到设计挡潮工况下的抗滑稳定安全系数为4.41，大于允许值1.30.可见，无论考虑齿槽作用与否，处理后闸室抗滑稳定安全系数都能满足《水闸设计规范》（SL 265—2001）的要求。

5 施工工艺

根据搅拌桩设计指标，在施工前进行了室内配合比试验和现场生产性试验，确定采用台泥牌42.5R普通硅酸盐水泥，水泥掺量为21%，水灰比0.55；外加剂为三乙醇胺，掺量0.05%.施工机械采用SP-5和PH-5B型桩机，施工工艺为四喷四搅，即两沉两升。桩头40 cm需挖除。

施工完成后，采用开挖检查、动力触探、钻孔取芯以及复合地基承载能力试验等多种方法进行搅拌桩质量检测，全部合格。

6 结束语

综上所述，在水闸工程的施工过程中，对软土地基进行加固是施工的重点和难点。实践证明，水泥搅拌桩适用于对软土的加固，尤其在水闸软基的处理中效果极为显著。值得注意的是，为了使水闸地基得到更好的加固，在施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录，并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定，严把设计关和施工关，采取有针对性的质量控制措施，保证工程建设安全、可靠、节能、经济地高效开展。

参考文献

[1]郑志.水泥搅拌桩在水闸软弱地基处理中的应用[J].城市建设与商业网点，2009（23）.

[2]黑东平，马晓慧.水泥搅拌桩在水闸软弱地基处理中的应用探讨[J].科技研究，2014（7）.

[3]蔡列敏.探讨水泥搅拌桩在水闸工程中的应用[J].中华民居，2012（3）.

〔编辑：刘晓芳〕