软土地区水闸的水泥搅拌桩复合地基设计与应用

江 高

(江门市新会区水利水电勘测设计有限公司，广东 江门 529000)

0 引 言

水泥搅拌桩是利用水泥和软土搅拌强化成具有一定强度和水稳性的搅拌柱体[1]，在软土地基处理实践中被广泛应用，同时具有施工简易、经济成本低，成桩质量高等优点。目前关于水泥搅拌桩复合地基的研究主要集中在地基综合强度指标率定[2]、地基承载力分析[3-4]、地基沉降控制效果[5-7]、以及软土工程中的设计应用[8-9]等方面。

以江门某河流水闸新建工程基础坐落在淤泥层中，其地基基础较为软弱，基础承载力约为40kPa。为了保证水闸工程能安全运行，对本水闸进行水泥搅拌桩复合地基基础处理，旨在提高复合地基承载力和控制深厚软土地区的水闸基础沉降变形。

1 工程概况

该水闸兴建于20世纪70年代，原设计6孔总净宽19m，由于长期受到超重型车辆通过的原因，水闸现状已出现沉降、变形、闸底板开裂，严重影响水闸的正常运行和当地人民生命财产的安全。本工程新建闸址位于河口处，水闸主要担负司前镇防洪(潮)、排涝功能，兼负引水灌溉任务和交通要求。

水闸采用开敞式整体闸室结构，水闸共设3孔，单孔净宽8m，根据平均河底高程及业主多年运行管理经验确定水闸底板高程为-2.30m并与该区前湖海堤达标加固工程(司前段)相连接，考虑基础沉降因素影响，综合确定闸顶高程为3.60m，防浪墙顶高程为4.60m。交通桥净宽7m。工程新建配套水闸左右岸连接堤450m，堤顶高程3.40m，堤顶净宽≥7m，临江侧设防浪墙，墙顶高程4.40m，新建交通道路70m，净宽5m，堤顶高程3.40m；为加强对该水闸的管理，同时考虑防汛物资的储备，本项目在水闸东南侧新建管理房一座，占地面积204m2，以满足日常管理的需要。

2 场区工程地质条件

2.1 地形地貌

勘察场地属河流冲淤积地貌类型，场地东侧为河流，南、西侧为河流，北侧为鱼塘。

2.2 岩土特征

场地在钻探深度范围内揭露上部土层为第四系堆积土、冲(淤)积土，下伏基岩为第三系泥质粉砂岩。其中第四系地层自上而下分为①粉质黏土(Qpd)、②淤泥(Qmc)、③粗砂(Qal)，水闸新建工程基础坐落在淤泥层中，层厚15.40-16.10m，呈流塑状态，属高压缩性、高灵敏度土，土质极差。进行4次原位标准贯入试验，N'=3-4击，N=2-3击(N'、N分别为杆长修正前、后的锤击数)，fak=40kPa。

2.3 水文地质条件

场地地下水埋藏较浅，地下水稳定水位分别为1.50m。场地内①层粉质黏土主要含地表滞水，②层淤泥主要含结合水，③层粗砂为场地的主要含水层，含丰富的孔隙水，具承压性，透水性强；④层强风化泥质粉砂岩主要含裂隙水。

地环境类型属Ⅱ类。根据本地区的1组水样水质分析资料，其结果显示：地下水类型为Ca2+、Mg2+—HCO3-、Cl-、SO42-型。PH值为6.51(中性水)，Mg2+含量为7.82mg/L，HCO3-含量89.36mg/L，总硬度(以CaCO3计)含量为88.51mg/L(微硬水)，侵蚀性CO2含量为18.89mg/L，矿化度含量为109.19mg/L(淡水)，地下水对基础混凝土结构腐蚀等级为微腐蚀；Cl-含量为24.86mg/L，SO42-含量为9.27mg/L，地下水对混凝土结构中钢筋及钢结构腐蚀等级为微腐蚀。

2.4 场地土的类型及建筑抗震

场地覆盖层的厚度为22.60～23.60m，土层主要为软塑-可塑的粉质黏土、流塑的淤泥、中密的粗砂；根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2001)表4.1.3和表4.1.6对照，综合评定场地土的类型为软弱土，建筑场地类别为Ⅲ类。本场地抗震设防烈度为7度；设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第一组，设计地震特征周期值为0.45s。场地内③层粗砂，呈中密状态，其标准贯入锤击数(未经杆长校正)N'大于液化判别标准贯入锤击数临界值Ncr，为不液化土。

3 水闸复合地基设计

工程基础坐落在淤泥层中，故对水闸地基的稳定性和基底应力进行复核，以对复合地基处理进行研判。

3.1 闸底稳定性及应力计算复核

按照《水闸设计规范》(SL265-2001)，根据河流水闸的实际运行情况，采用不同荷载组合，进行抗滑稳定计算、闸室基底应力计算。水闸应力稳定计算工况及荷载组合表，见表1。

表1 水闸应力稳定计算工况及荷载组合表

其中抗滑稳定采用以下公式计算：

(1)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑G为作用于闸室上全部竖向荷载；∑H为作用于闸室上全部水平向荷载；f为闸室基底面与地基之间的摩擦系数，参考《水闸设计规范》表7.3.10，取0.20。

闸室基底应力计算公式采用：

(2)

水闸断面，见图1。

水闸稳定计算成果表，见表2。

表2 水闸稳定计算成果表

由表2可知，水闸在各种荷载组合工况下均满足抗滑稳定要求，基底应力不均匀系数均满足规范允许值要求，最大基底平均应力53.32kPa，不满足地基承载力(40kPa)要求，最大基底应力54.30kPa不满足1.2倍地基承载力(48kPa)要求。所以需对本工程进行基础处理。

3.2 地基处理方案

根据前一节计算成果，为了保证水闸工程能安全运行，考虑对本水闸进行基础处理，处理方法采用水泥搅拌桩处理方式，桩径0.5m，单桩长12.3m，间距1.2m×1.2m，根据水闸结构设计，搅拌桩覆盖面积1600m2，合计1123根，桩顶高程-3.20m。水闸基础设计断面图，见图2。

3.3 桩基设计计算

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)，增强体单桩竖向承载力特征值Ra采用以下公式进行计算：

(3)

式中：qsi为第i土层桩侧摩阻力特征值；淤泥层qs1=4kPa；淤泥层qs2=35kPa；qp为桩端持力层端阻力特征值；u为桩身截面周长；Li为搅拌桩在第i土层中的长度。

水泥搅拌桩复合地基承载力特征值fspk采用以下公式：

(4)

式中：Ap为桩身截面面积；α为桩间土承载力折减系数，可取0.4～0.6。

水泥土搅拌桩设计参数表，见表3。

表3 水泥土搅拌桩设计参数表

根据上述计算可知复合地基承载力特征值fspk=72kPa，最大基底平均应力53.32Pa满足地基承载力(72kPa)要求，最大基底应力54.30kPa满足1.2倍地基承载力(86.4kPa)要求，故搅拌桩基础设计基底应力及不均匀系数满足规范要求。

3.4 地基沉降计算

根据《水闸设计规范》(SL265-2001)，水闸土质地基沉降可只计算最终沉降量，并应选择有代表性的计算点进行计算，水闸结构为现浇整体式混凝土结构，本次计算选择水闸内外涌底板底中心点为计算点，水闸土质地基最终沉降量的计算公式为：

(5)

式中：S为最终沉降量，mm；n为压缩层范围内的土层数；e1i为第i土层在平均自重应力作用下的孔隙比；e2i为第i土层在平均自重应力和平均附加应力共同作用下的孔隙比；hi为第i土层的厚度，mm；m为地基沉降量修正系数，可采用1.0～1.6，本项目取1.3。

经计算水闸临江侧计算点最终沉降量0.278m，内涌侧计算点最终沉降量0.277m，为减少基础沉降对工程带来的不利影响，本工程水闸设计预留沉降量0.2m，即取闸顶高程3.60m。水闸地基沉降计算表，见表4。

表4 水闸地基沉降计算表

续表4 水闸地基沉降计算表

4 复合地基试桩试验

水泥搅拌桩一般分为粉喷(干法)和浆喷(湿法)两种，在珠三角地区特别是在中山市的水泥搅拌桩应用过程中，工程实践表明干法加固的地基存在施工质量波动较大的问题，容易产生水泥干粉搅拌不均匀，水泥土强度不稳定，甚至出现断桩现象。严重影响单桩的整体承载力和整个复合的地基承载力。所以现阶段很多工程的地基加固处理方式采用湿法(浆喷法)施工。

工程试验桩数量为3根，试验桩位置见试验桩平面布置图。根据珠三角地区水泥搅拌桩粉喷(干法)和浆喷(湿法)施工的成桩质量的经验，和《广东省地基处理技术规范》(DBJ 15-38-2005)规定，综合考虑决定试验桩采用浆喷(湿法)施工，采用4搅2喷。

结合水闸工程的实际情况，3根试验桩的桩径按原设计，桩长按原设计桩端底部高程控制，试验桩桩顶高程定为0.5m，桩端底部高程为-15.5m(淤泥和粗砂分界面的平均高程为-15.0m，桩底部伸进粗砂层0.5m)，则试验桩桩长为16.0m。成桩后应将桩顶部在施工平台素填土中的0.5m桩头截除，实际桩长为15.5m。按以上要求，水泥掺量3根桩分别取50kg/m，60kg/m，70kg/m进行试验。水泥掺入比分别为14.5%～15.5%、17.3%～18.4%、20.1%～21.3%。试验桩平面布置图，见图3。

4.1 试桩目的和试验要求

对水闸工程，试桩试验应达到3个目的：

1)取得水泥土抗压强度的现场试验值。

2)复核单桩承载力特征值是否满足设计要求。

3)抽芯试验测定试验桩的完整性。

从而确保水泥土抗压强度现场试验值和单桩承载力特征值试验值的确凿可靠。以上3点也是本次试桩试验成果要求的主要内容。

采用钻芯法对本次3根试验桩应全部进行抽芯试验。试桩单位应提供的具体结论内容，包括：①检验拌和体的深度、检测桩长是否满足设计要求；②检测桩身水泥土的强度；③检测桩身的成桩均匀性和搭接情况，判定桩身的完整性；④检测桩底端的着底情况。

根据规范要求，试验桩应进行水泥土抗压强度试验。对每根桩抽取上部、中部、下部各3个芯样，本次3根试验桩共9个芯样，应进行室内抗压强度试验。选取3个芯样的平均水泥土抗压强度试验值最接近设计值fcu(1.56MPa)的单桩，进行单桩竖向承载力试验。采用竖向抗压静载试验的方法，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)要求，试验用最大载荷量为单桩或复合地基设计荷载的2倍。

4.2 试桩结果及分析

通过钻孔取芯获取全水泥搅拌桩桩长范围内的芯样，评价水泥搅拌桩的连续性和搅拌均匀性，对截取的芯样进行室内无侧限抗压强度试验，推算指定28d龄期桩体强度是否满足设计要求。水泥搅拌桩钻芯检测情况表，见表5。

由表5可知，水泥搅拌桩28d无侧限抗压强度在1.54～1.95MPa之间，3根试验桩共9个芯样1#-9#试桩均满足设计要求，而且水泥掺量越高，水泥搅拌桩的无侧限抗压强度越高。

表5 水泥搅拌桩钻芯检测情况表

水泥搅拌桩钻芯检测情况表，见表6。

表6 水泥搅拌桩钻芯检测情况表

通过水泥搅拌桩单桩竖向静载抗压试验，试验桩的抗压承载力检测值分别为85kN、97kN、102kN，均满足设计要求，同时在水泥掺入比越高的情况下，水泥搅拌桩单桩竖向抗压承载力越高。

5 结 论

文章以江门某水闸新建工程为研究背景，针对基础坐落在深厚淤泥层中，地基基础软弱，基础承载力低的情况，采取水泥搅拌桩复合地基基础处理。结果显示，在未进行地基处理前水闸在各种荷载组合工况下均满足抗滑稳定要求，基底应力不均匀系数均满足规范允许值要求，最大基底平均应力和最大基底应力不满足规范要求。采用桩径0.5m，单桩长12.3m，间距1.2m×1.2m的水泥搅拌桩处理后，复合地基承载力特征值fspk=72kPa，最大基底应力54.30kPa，搅拌桩基础设计基底应力及不均匀系数满足规范要求。

后续选用3根工程桩进行试桩试验，结果显示，水泥搅拌桩28d无侧限抗压强度在1.54-1.95MPa之间，桩的抗压承载力检测值分别为85kN、97kN、102kN，均满足设计要求，同时水泥掺入比越高，试验桩芯样无侧限抗压强度和单桩抗压承载力越高。

本次针对该软土地区水闸地基进行水泥搅拌桩的地基设计和试桩试验研究，研究显示进行水泥搅拌桩处理后地基承载力有显著提升，可为质量评定提供参考，后续试桩检测应补充桩体搅拌均匀性和桩身长度等检测以研判合理性。