某防洪闸水泥土搅拌桩复合地基计算分析

张利滨;王伟

(1.河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008；2.河南省特殊岩土环境控制工程技术中心，河南 郑州 450008)

0 引言

水闸地基常存在新近沉积的淤泥、淤泥质土、软弱粘性土、松散液化砂土等不良地质条件，常常会导致闸基出现沉降变形过大、不均匀沉降，闸室、翼墙出现拉裂、倾斜、甚至断裂，如不采取地基处理，将影响水闸功能正常发挥。水泥土搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、软弱粘性土、松散～中密砂土，因其具有可以最大限度利用原土，搅拌时震动小、噪声低，对周围既有建筑物影响较小，造价相对便宜，施工方便，技术成熟等优点，在水工建筑物地基处理中得到广泛应用。以水沟防洪闸为例，通过计算分析，论述水泥土搅拌桩在其地基处理中的应用。

1 工程概况

水沟防洪闸为建在伊洛河支沟水沟上的沟口控制闸，设计防洪闸由进口连接段、闸室段、消力池段、海漫段组成，全长69.40 m。闸室段总长17.00 m，共设2孔，单孔净宽6.00 m，整体式“山”型结构，底板为C25钢筋混凝土结构。

2 地质概况

2.1 地形地貌

伊洛河河道顺邙山山谷顺流而下，多蜿蜒曲折，两岸受黄土丘陵、岗地束缚，滩地狭窄，最窄处约650 m。水沟为伊洛河左岸支沟，发源于巩义市康店镇西北部黄土丘陵，属山丘区河道。入伊洛河口处附近地面高程110.10～111.80 m，闸址附近水沟宽约10～14 m，沟底高程107.30～108.90 m，沟深约2.00～2.60 m。

2.2 地层岩性

水沟防洪闸场区地质结构为粘、砂、砾多层结构，由第四系全新统冲积成因的粉质壤土、细砂、卵石组成，现由老至新分述如下。

卵石(第⑦层)：稍密～中密状，砂质充填，厚度3.20～5.30 m(未揭穿)；重粉质壤土(第⑥层)：可塑状，厚度2.10～15.00m；细砂(第⑤层)：稍密状为主，局部松散状，厚度2.10 m左右；重粉质壤土(第④层)：可塑状，岩性不均，夹轻粉质壤土薄层理或透镜体，厚度1.90～2.10 m；细砂(第③层)：松散～稍密状，层间可见重粉质壤土和卵石透镜体，厚度4.90～6.00 m；灰色重粉质壤土(第③-1层)：软塑状，略有腥臭味，厚度1.00～5.50 m；中粉质壤土(第②层)：软塑～可塑状，厚度2.90～3.60 m；轻粉质壤土(第①层)：软塑～可塑状，厚度4.30～5.40 m；细砂(第①-1层)：松散～稍密状，在临河漫滩分布，厚度9.50 m；此外，在现状沟底分布有厚度0.70 m左右的淤泥。

2.3 地质参数建议

结合土工试验、原位测试成果，并经工程类比分析，提出闸基持力层参数建议值见表1。

表1 闸基持力层力学参数建议值表(单位：kPa)

3 地基处理计算分析

3.1 稳定计算

水沟防洪闸为2级建筑物，稳定计算工况如下。

工况一：完建期；工况二：闸前排涝水位112.10 m，闸后河道防洪水位116.05 m，闸门关闭挡水防洪；工况三：闸前排涝水位112.10 m，闸后河道水位112.05 m，闸门开启；工况四：闸前、闸后水位108.60 m(正常水位)，地震工况。

将上述计算工况分为基本工况和特殊工况，相应的荷载组合分为基本组合和特殊组合，荷载组合表详见表2。

表2 稳定计算荷载组合表

闸室抗滑稳定安全系数按式(1)计算:

(1)

式(1)中：∑G——作用在基底上的全部竖向荷载；σ——基底压力(kN/m2)；A——基底面积(m2)；e——偏心距(m)(x向，y向)；B——基底宽度(m)(x向，y向)。

基底压力不均匀系数按式(2)计算:

η=σmax/σmin

(2)

式(2)中：η——不均匀系数；σmax，σmin——最大及最小压力值(kPa)。

水沟防洪闸稳定计算工况计算结果见表3。

表3 水沟防洪闸稳定计算成果汇总表

从计算结果看，水沟防洪闸抗滑稳定安全系数和基底压力不均匀系数均满足规范要求。闸基主要持力层第①～③层承载力标准值90～110 kPa，闸室基础最大应力为144.81 kPa，地基承载力强度不足，需采取地基加固处理。

3.2 适用性分析

水泥土搅拌桩是利用水泥等材料作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使土体硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量。适用于处理淤泥、淤泥质土、素填土、粘性土(软塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉细砂(松散、稍密、中密)等覆盖层地基处理，不适用于含大孤石或障碍物较多且不易清除的杂填土、欠固结的淤泥和淤泥质土、硬塑及坚硬的粘性土、密实的砂类土，以及PH<4的酸性土。勘察表明场区地层由软塑～可塑状粉质壤土以及松散～稍密状细砂组成，PH值7.41～7.93，因此，场地地质条件适合采用水泥土搅拌桩复合地基进行加固处理。

3.3 复合地基承载力计算分析

复合地基承载力与桩长、桩径、桩间距和布桩型式密切关联。

桩长、桩径选择：水泥土搅拌桩复合地基处理目的一是提高承载力，二是减小变形。对于较软的地基，在满足强度的前提下，水泥土搅拌桩穿透较软土层，达到强度相对较高土层，避免产生“悬浮”桩型，可有效减少沉降。因此，桩长设计时，首先应根据场区地质条件，选择强度较高地层作为桩端持力层。结合本场区地质条件，上部第①～⑥层壤土、细砂承载力标准值为90～120 kPa，下部第⑦层卵石承载力标准值400 kPa，强度明显高于上部，选择该层作为桩端持力层，有效桩长12.50 m。

水泥土搅拌法最早起源于美国，国内从1978年第一台SSJB-1型双轴搅拌桩机研制成功以来，目前已发展为单轴、双轴、三轴和多轴等多种成孔工艺，成桩直径范围一般500～700 mm。此次选择桩径500 mm。

单桩承载力确定：《水工建筑物地基处理设计规范》《建筑地基处理技术规范》石浩男均提出，水泥土搅拌桩单桩承载力特征值按式(3)(4)进行计算，采用二者计算小值作为搅拌桩单桩竖向承载力特征值。

(3)

Ra=ηfcuAp

(4)

式(3)(4)中：Ra—单桩竖向承载力特征值，kN；Up—桩身周长，m；n—地基土层数；qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa，见表1；li—桩长范围内第i层土的厚度，m；a—桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.40；qp—桩端地基土未经修正的承载力特征值，见表1；η—桩身强度折减系数，取0.25；fcu—标准养护条件下28 d龄期的立方体抗压强度平均值，刘香君等提出水泥土搅拌桩28 d龄期经验值2.50 MPa，胡师远通过室内试验得出综合含水率40%～55%、水泥参量10%～18%时28 d龄期抗压强度1.03 ～4.38 MPa(平均2.53 MPa)，计算取值2.50 MPa。

式(3)计算Ra=314.80 kN，式(4)计算Ra=122.70 kN，按规定取Ra=122.70 kN作为单桩竖向承载力特征值进行复合地基承载力计算。

桩间距和布桩型式选择：假定桩间距1.00 m、1.25 m、1.50 m时采用式(5)分别试算正方形布桩和梅花形布桩复合地基承载力特征值，比较是否满足最大基础应力，计算结果见表4。

表4 复合地基承载力试算表

(5)

式(5)中：fspk—复合地基承载力特征值，kPa；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—桩间土承载力折减系数，按经验取0.75；fsk—处理后桩间土承载力特征值，取天然地基承载力特征值，100 kPa。

从表4可以看出：采用桩间距1.25 m、梅花形布桩和桩间距1.00 m、梅花形及正方形布桩时，处理后的复合地基承载力特征值均大于闸室基础最大应力，处理后复合地基承载力满足设计要求。本着处理后的复合地基既能满足上部荷载要求，又尽量减少处理工程量的角度出发，建议桩间距采用1.25 m、布桩型式采用梅花形布置。

4 结论

水泥土搅拌桩具有经济环保、施工方便、技术成熟等优势，可用于加固淤泥、淤泥质土、素填土、粘性土(软塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉细砂(松散、稍密、中密)等覆盖层地基。文章结合水沟防洪闸水泥土搅拌桩复合地基处理，提出水泥土搅拌桩设计既要满足承载力要求，又要尽量减小处理后复合地基变形量，桩端应置于强度相对较高地层。基本设计流程分为三步：①根据场区地层选择强度较高地层作为桩端持力层，②根据桩长和桩身强度确定单桩竖向承载力特征值，③采用不同桩间距和布桩型式进行试算，选择与上部荷载最接近的方案作为地基处理方案。文章提出水泥土搅拌桩设计流程可为同类工程设计提供借鉴。