管桩组合新型复合地基关键技术应用

李 丹

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

我国长江中下游等河网区地层上部大多为河湖相冲积层，以淤泥质壤土为代表的软弱土广泛分布，且软土层深厚，有的深达30m以上，软土一般呈流塑至软塑状，孔隙比大，含水量高，压缩性大，强度低，如何处理好此类地基一直是水利工程建设领域的难点与关键点。对一定深度的软土地基水利工程大体采用复合地基加固、桩基两类处理方式，总结工程实践，刚性桩可以有效保证深厚软土地基的加固深度，但在发挥天然地基整体作用、增强天然地基整体稳定性方面作用较弱，而通过使用复合地基加固技术可以增强天然地基强度和整体稳定性。基于此，对厚度大于15m的软土层，以加强天然地基、与软土地基共同承担垂直与水平变形荷载为目的，提出了管桩长短桩、水泥搅拌桩浅层截渗墙、改良褥垫层等组合新型复合地基综合处理技术，以解决深厚软土地基水工建筑物沉降及水平变形控制问题，不断创新与拓展深厚软土地基加固处理技术。

1 地基设计

(1)结构布置。裕溪节制闸是裕溪闸枢纽的主要泄水建筑物，设计流量1270m3/s，校核流量1475m3/s，为Ⅱ等大(2)型水闸。裕溪闸地质条件差，闸室底板等结构强度不足，需在老闸上游约45m处部分重建闸室。闸室为胸墙式结构，共14孔，单孔净宽8m，总净宽112m。水闸底槛高程为3.0m，胸墙底高程10.0m，闸顶高程14.5m，闸室顺水流方向长18m，闸室总宽度为134.4m。

(2)地基情况及基底应力。根据地质报告，闸址处地质土层主要如下：

①粉质壤土与灰色粉细砂互层，水平层理发育，多呈“千层饼”状，粉质壤土层厚度一般3mm～7mm，粉细砂层厚度一般1mm～2mm，厚度17m～30m；②粉细砂，饱和，以稍密状为主。厚度15m～25m。③砂砾石，密实，饱水，层厚7m～11m。④泥质粉砂岩，基岩顶面高程分别为-50.34m和-48.50m。

水闸持力层均为粉质壤土与粉细砂互层(壤砂互层)，其天然含水率较高，一般32.8%～42.4%，孔隙比0.946～1.229，液性指数平均值0.82，土呈软塑状，压缩系数平均值0.607MPa-1，压缩模量平均值3.745MPa，具高压缩性。标准贯入试验修正击数2.6击～8.1击，平均击数4.8击，承载力低。

闸基土具有高压缩性，承载力低，抗剪强度低等工程特性，主要存在软土沉降变形及不均匀沉降问题，节制闸自建成投入运行己有40多年，受当时的技术水平限制，软弱地基处理不彻底，虽经多次加固，地基土己基本固结，闸室沉降亦己经基本稳定，但闸室的沉降量大(浅孔闸底板最大沉降量为42.1cm，深孔闸边块底板最大沉降量为16.8cm)，闸块间的沉降不均匀问题亦十分突出，闸室每年随水位的升降而降升，升降幅度10mm～20mm，致使建筑物出现诸多安全隐患，严重影响节制闸的正常使用。

由于地质条件差，加之先天不足，虽经多次加固，仍未根本消除险情，针对址处存在的深厚淤泥质土层(深度大于20m)、水闸建成后地基将存在沉降量大、上下沉浮不均等问题进行分析研究，提出采用管桩长短桩、水泥搅拌桩浅层截渗墙、改良褥垫层等组合新型复合地基综合处理技术。

(3) 地基处理布置。以闸室、岸墙为例，布置如下：地基处理采用PHC管桩、水泥搅拌桩及塑性混凝土褥垫层加固。PHC管桩桩径均为0.8m，型号为PHC-Bφ800(110)预应力混凝土管桩，选用C80预应力高强混凝土管桩，左、右岸岸墙桩长18.0m ～34.0m，桩距2.3m×2.5m，呈方形布置，两侧共布置144根桩。闸室共7节，采用长短桩布置，共布置455根桩，其中短桩长16.0m～25.0m，长桩长18.0m～34.0m，桩距2.65m×4.4m，呈梅花形布置，1～7#闸室底板素混凝土垫层下为塑性混凝土垫层，深度约1.5m，管桩长桩入垫层0.8m，短桩入垫层1m。水闸闸室上下游侧、上游左右岸翼墙护坦侧、下游翼墙消力池侧均采用水泥(干法)搅拌桩围护处理，桩径为0.5m，桩长6m，均为2排，桩距、排距均为0.45m，桩身水泥掺入比取18%，3处共布置1652根桩。闸室、岸墙地基处理布置如图1～3所示。

图1 闸室PHC管桩复合地基处理纵剖面图

图2 闸室及岸墙PHC管桩长、短桩复合地基平面布置图

图3 闸室及岸墙PHC管桩长、短桩复合地基平面布置图

(4)地基处理复核计算。根据文[6]管桩组合新型复合地基综合处理采用多桩型复合地基计算公式如下：

其中,m1、m2分别为长、短桩的面积置换率;λ1、λ2分别为长、短桩的单桩承载力发挥系数,多桩复核地基试验按静载荷试验确定,取0.35;Ra1、Ra2分别为长、短桩的单桩承载力特征值(kN),分别为1280kN、718kN;Ap1、Ap2分别为长、短桩的截面面积(m2);β为桩间土承载力发挥系数,取0.9。计算复合地基承载力时,不考虑水泥搅拌桩的作用,只计算长、短桩与褥垫层组成的复合地基作用,经计算fspk=109.3kPa,闸室地基平均应力为101.5kPa,满足地基承载力要求。

2 管桩组合新型复合地基综合处理关键技术

管桩组合新型复合地基综合处理关键技术及其特征如下：

(1)省内首次采用PHC管桩水上打桩及长短桩工艺对大型水闸深厚软基进行加固处理。裕溪节制闸为跨河节制闸，具有蓄水、泄洪、防洪等多种功能，根据工期安排需在1个枯水期完成新建水闸的水下工程，由于该大型水闸软基深厚，地基处理复杂，常规枯水期施工的地基处理方式，很难确保1个枯水期完成水下工程，选用PHC管桩加固地基，可在汛前采用打桩船在水上打桩完成大部分地基处理措施，汛后枯水期直接进行褥垫层浇筑等结构施工，可提前施工，延长施工时段，大大加快工程进度，确保满足施工进度要求。PHC管桩长短桩布置，即可避免地基承载力过于保守，导致底板以下土体脱空，又可节约投资。

(2)首创适应刚性桩变形协调的塑性混凝土褥垫层。该工程地基土总体上呈层土层砂状，其水平渗透系数远大于垂直渗透系数，当一次洪水过程时间较短时，土渗透的各向异性就显示出来，洪水来、退时过闸水重比浮托力变化快，如采用桩基处理，桩基与底板如果采用刚性连接，竖向位移较小，刚性桩、天然地基的变形模量差距较大，且分布不均匀，土体与底板无柔性过渡，底板以下土体与底板易脱空，从而易造成闸基渗流破坏；但采用复合地基方式需要有适宜的褥垫层，合理调整桩、土受力，保证复合地基整体作用。

针对本工程提出的复合地基，使用常用的水泥土褥垫层，在施工压实或受力过程中，较易发生刚性桩向上刺入、歪斜等复合地基扰动，且天然地基强度低，水泥土施工难度增大，难免存在拌和或压实不匀等质量问题，影响褥垫层作用效果。刚性桩桩顶抗压、抗冲切等对褥垫层强度要求相对较高，同时还要具有较好的变形能力、抗渗能力、施工便捷等特点，因此褥垫层强度、变形模量、渗透系数等指标较为重要。我们通过对不同材料性能的研究、材料配合比试验、褥垫层厚度分析等，提出了改良塑性混凝土复合地基褥垫层材料及配比范围、褥垫层厚度指标等。

改良后的塑性混凝土褥垫层弹性较好、强度适中，可调整刚性桩、柔性及桩间土的受力，发挥复合地基整体作用。褥垫层顶面与建筑物基础紧密结合，褥垫层底面与土体不脱离，通过计算分析，褥垫层本身不会发生冲切破坏，能满足基桩抗冲切要求，具有较好的变形性能，垫层底部与地基紧密接触，保证了桩、土的共同承担荷载。因此当地基土呈层土层砂状，其水平渗透系数远大于垂直渗透系数，洪水来、退时过闸水重比浮托力变化快，土体发生沉、浮变化时，褥垫层可有效调节刚性桩与土体共同受力，从而避免了造成对闸基渗流、抗滑稳定及闸室构件强度均不利情况。

(3)提出水泥搅拌桩浅层截渗墙组合布置限制上部软土地基水平变形。在水压力、基坑边荷载作用下，软土中的管桩作为挤土桩，水平位移往往容易受软流塑土的影响增大，进而易发生管桩挤斜或者剪断破坏等情况，因此，在闸室上、下游各布置3排密打水泥搅拌桩浅层截渗墙，主要限制上部软土地基水平变形，同时还具有降低施工期基坑承压水头影响、防止闸室局部地基土与褥垫层接触渗流破坏等作用。

该关键技术点在本工程取得的效果如表1所列。

表1 关键技术点及取得的效果表

3 结束语

针对水利工程实践中深厚软土地基处理的问题，本文提出了管桩长短桩、水泥搅拌桩浅层截渗墙、改良褥垫层等管桩组合新型复合地基综合处理技术通过逐步完善和优化可应用于大型泵站、水闸、涵闸等多个水利工程项目，与桩基相比，工程措施成本较低，施工方便，取得了良好的社会经济和生态环境效益。