水利工程中软土地基处理技术研究

李旻 康金桥

长江勘测规划设计研究有限责任公司 湖北 武汉 430000

1 水利工程中软土地基处理技术概述

目前，随着我国社会的发展和进步，水利工程建设的要求也在不断提升，时代所带来的发展机遇，也促使水利工程的规模呈现上升的趋势[1]。在水利工程中，软土地基的处理存在较大的难度，地基问题对于整个水利工程而言也是最基础最重要的部分，应对工程地基作好详细的地质勘察，结合土工试验成果提出场地各土层合理的物理力学性质建议值，并且进行深入的地基处理计算研究，确定技术经济可行的处理方案，以解决软土地基上的各种工程问题。

软土地基是指强度低，压缩量较高的软弱土层，多数含有一定的有机物质。由于软土强度低，沉降量大，往往给工程带来很大的危害，如处理不当，会给工程使用造成很大影响。特别是淤泥和淤泥质土，其天然含水量大，并且大多数是有一些承载能力较低的淤泥沉积物组合的土，在水利施工中对这些软土层进行处理时，具有一定的难度。因为软土种类有所不同，在进行工程设计和施工时，必须要选取科学合理的处理方案，使其能够满足工程整体的功能和安全要求[2]。在我国，软土地基的分布范围较广，尤其在沿海和平原地区。在水利工程中，大部分建筑物长期在水下运行，对软土地基的处理不当，可能会对水利工程带来严重的安全隐患[3]。

2 软土地基具有的特征

2.1 压缩性强

软土地基有极强的压缩性，其主要原因是因为这些土壤天然的含水量较大，且因为其孔隙较大，使其具有较强的压缩性。如果施工期荷载过大，忽视了软土地基的处理就会出现软土地基承载力不足的现象[4]，容易发生沉降变形，给工程造成严重影响，甚至会引发重大的安全事故。

2.2 透水性低

软土地基的组成成分较为复杂，多数软土属于淤泥质土，或者淤泥质土在软土层中含量较高，淤泥质土的渗水性能较低，土层在工程施工期排水不畅，地基不能充分预压，可能造成承载力不足或后期沉降问题[5]。

2.3 不均匀性质显著

因为软土地基中的土质种类组成较为复杂，并且软土层的容重、压缩模量、抗剪强度等特性不一，使得软土地基的均匀性较差，在进行具体施工中可能造成地基不均匀变形现象，严重的会导致建筑物不均匀沉降甚至坍塌的后果[6]。

2.4 具有触变性

对于软土地基，特别是淤泥和淤泥质土，触变性是基本特征之一[7]。软土是絮凝状的结构性沉积物，一经扰动，结构破坏，强度迅速降低或很快变成稀释状态。在软土地基上进行水利工程建设时，必须要对其进行重点关注。软土地基如果在施工期遭遇到震动或者负载过大的情况时，易产生侧向滑动、沉降及其底面两侧挤出等现象，进而导致水利工程不能正常运行[8]。

2.5 强度低

软土地基虽然组成成分不同，但都具有抗压、抗剪强度低的特点，水利工程中如果建筑物上部荷载较大，而对地基不采取正确的处理措施，会出现地基承载力不足，导致工程后期出现严重的质量安全问题，这一问题在工程设计及施工时需要重点考虑。

3 软土地基处理技术

在工程设计及建设中，需要根据工程规模、使用功能、工程地质条件，特别是软土土层的性状和参数，选取科学合理经济的地基处理方案。

3.1 换填法

在对软土地基进行处理时，特别是软土层较浅的情况下，这种方式使用得较为普遍。其方法是对建筑物地基上部软土层挖除，保留下部较坚实的土层，对挖除部分进行换填，然后压实处理。一般情况在进行换填施工中，使用填充材料，主要是以沙石和粗沙为主，这样能够确保地基的稳定性能，同时对于整体的渗透能力来说也能达到要求。换填法的优点是施工简单、工期短、造价低，缺点是处理深度较浅，不适合处理深厚软弱土层。

3.2 桩基法

在对水利工程软土地基进行处理时，遇到软土基中有深厚淤泥，可以采用桩基法对软土地基进行处理。混凝土桩基常分为预制桩以及灌注桩，预制桩通过打桩机将预制的钢筋混凝土桩打入地下；灌注桩需要现场造孔灌注混凝土，根据施工方式，又可分为钻孔灌注桩、冲孔灌注桩、人工挖孔桩。桩基处理能够提升软土基的结构稳定性，同时，对于基础的承载强度也能起到很好的提升作用。钻孔灌注桩的优点是施工无挤土、无（少）振动、无（低）噪音，环境影响小，成孔可穿过任何类型地层，缺点是造价较高，淤泥质土、流砂层易造成塌孔。预制桩的优点是质量可靠、制作方便、沉桩快捷、施工工期短，缺点是施工质量不易保证，对淤泥层，打桩易产生位移偏位和倾斜。

3.3 旋喷法

在对水利工程进行软土地基的处理时，还可以使用旋喷法，常见为高压旋喷桩。旋喷法的原理是利用射流作用切割掺搅地层，改变原地层的结构和组成，同时灌入水泥浆或复合浆形成凝结体，采用该方法能提高软土地基的强度，并且对其渗透性能也有效提升。旋喷法优点是其施工占地少、振动小、噪音较低，缺点是容易污染环境，成本较高，对于特殊的不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用。

3.4 水泥搅拌法

水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基，其加固深度通常可达15m以上。水泥土搅拌桩的优点是最大限度利用原土，搅拌时无振动、无噪音，对周围原有建筑物影响很小，缺点是对含有氯化物的黏土，有机质含量高，PH值较低的黏土处理效果较差。

3.5 加载预压法

加载预压法是指在饱和软土地基上施加荷载后，孔隙水被缓慢排出，孔隙体积随之缩小，地基发生固结变形，地基土强度逐渐增长，达到预定标准后再卸载，使地基土压实、沉降、固结的方法。加载预压处理的地基上建造建（构）筑物，不仅地基承载力提高，而且施工后沉降小。根据土层实际性状，可以配合使用塑料排水板，增加排水通道，加快软土层的排水固结。优点是成本较低，缺点是技术要求比较复杂。

3.6 加筋加固法

加筋加固法的基本原理是在土中加入条带、纤维或网格等抗拉材料，依靠它改善土的力学性能，提高土的强度和稳定性的方法。该方法可以通过在土层中埋设强度较高的土工材料，来提高地基承载力，减小沉降，维持建(构)筑物或土坡稳定。加筋加固法的优点是成本较底，缺点是对于自重较大的建筑物处理效果不佳。

4 某小型闸站的软土地基处理技术方案

某小型闸站采用河床式布置，建筑物级别为4级，闸站泵房与闸室集中布置。河道左侧布置泵站，泵房为湿室式墩墙结构，内设2台潜水轴流泵，单机流量均为0.5m3/s。河道右侧布置水闸，水闸闸室为单孔开敞式宽顶堰型式，设平板工作门，设计流量为3.0m3/s。闸站上游为引水渠，设混凝土护坦及护坡，泵站下游设出水池，兼做水闸消力池。

图1 闸站结构剖面图

根据地质资料显示，站址地表多为杂填土，下部依次为第四系上更新统积层（Q3al）浅黄色粘土层，厚约4.1～8.0m，粉质粘土层，厚约0～2.4m，以及粉砂层。根据工程布置，闸站建在粘土层上，其承载力特征值为100KPa，压缩模量为4.0MPa，下部粉质粘土层承载力特征值为210KPa，压缩模量为8.2MPa。建筑物稳定应力分析结果显示，建筑物基底平均应力为94KPa，基底最大应力为121.0KPa，原软土地基不满足承载力及应力不均匀系数要求，需进行处理。

根据本工程规模和特点、闸站结构布置型式，工程区地质条件等，考虑到水泥土搅拌法较适用于该地基土层，且能充分利用桩间土的强度，造价也较经济，采用水泥土搅拌桩对地基进行处理。

根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012，水泥土搅拌桩复合地基应按下式计算：

式中：

λ—单桩承载力发挥系数，设计取λ=0.8；

m—面积置换率；

Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）；

Ap——桩的截面积（m2）；

β——桩间土承载力发挥系数，考虑设置褥垫层，设计取0.9；

上式中，单桩竖向承载力特征值Ra可按下式估算：

式中：

qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa），按实际土层参数取值；

li—桩长范围内第i层土的厚度（m）；

Ap—桩端端阻力发挥系数，一般取0.4～0.6；

qp—桩端端阻力特征值（kPa），按实际土层参数取值。

经计算，水泥土搅拌桩直径0.6m，处理深度10m，基础四周采用单排连排桩围封，中间采用1.2 m×1.2m 格栅状布置，置换率为22.7%，单桩承载力为70.7kN，复合地基承载力为251.1kPa，地基最大沉降值为4.40cm，处理后地基可满足工程要求。

5 处理软土地基时应注意的问题

5.1 选取合理的处理方案

在工程建设前，应重视地基处理方案的选取，特别是在软土地基部位相关工程施工前，为确保工程质量，必须对工程建设内容、现场地形、地质条件等因素进行深入的了解和研究，结合项目具体情况，选择科学合理经济的处理方案。例如在一些大型的水利工程中，采用置换的方式对软土地基的处理可能导致开挖及换填的方量较大，需投入的人力和机械设备较多，从工程造价上不太经济。因此在进行软土地基处理时，要选择合理的处理方案，保证工程安全经济。

5.2 施工准备阶段

在水利工程施工准备阶段对软土地基进行正式施工之前，对使用的设备要进行必要的检查和维护，这样能保证在施工时设备能正常运行，减少不必要得工程延期的情况。此外，对进场建筑材料也要进行必要的检查，对其严格把关，保证入场的材料能符合要求，才能保证建筑的整体质量达到标准。

5.3 实施过程中

在进行软土地基的施工时，应提前制定科学的施工方案，按照相关工序逐一进行，且严格按照图纸和相关规范，保证相关要求有效落实，施工中注重操作和管理的规范化，对于工程所涉及的安全隐患问题要做好防护，保证安全工作实际到位，确保施工质量和安全。

6 结束语

总之，在对水利工程的软土地基进行处理时，要了解工程基本情况，根据不同地基处理方式的优缺点和适用范围，选择科学合理的处理措施，解决软土地基带来的各种工程问题，避免因不良地基条件导致工程出现质量问题。这需要技术人员结合地形、地质条件，综合考虑工程投资、工期、施工过程中的安全问题等，选择技术上可行，经济上合理的处理方案。