面向小型水利工程的水泥土搅拌桩复合地基应用效果分析

王冶志

(东港市水资源服务中心，辽宁 东港 118300)

小型水利工程对于农田灌溉、农村饮水、水资源管理和生态环境保护等方面都发挥着关键作用。水泥土搅拌桩复合地基通过将水泥和土壤进行混合搅拌，形成桩体与周围土壤相互复合的地基体系，具有较高的强度和刚度，能够显著提高地基的承载能力，水泥土搅拌桩与周围土壤形成复合体系，增加了桩与土壤之间的摩擦力和桩体的抗浮托能力，提高了地基的整体稳定性和抗震性能。进行面向小型水利工程的水泥土搅拌桩复合地基应用效果分析需要收集大量的实际工程数据，包括地基的承载性能、变形情况、抗震性能等。然而，小型水利工程的监测和数据采集相对困难，数据的获取可能受限于工程规模、监测设备的可用性和成本等因素。目前常用的实验室实验、工程案例分析等方法受限于硬件条件的限制，始终存在局限性。通过概况分析，可以全面了解小型水利工程地基情况，包括地质条件、工程需求等，为后续分析和评估提供基础数据和背景信息。通过地基承载力和沉降计算，可以评估水泥土搅拌桩复合地基的承载性能和变形情况，为工程设计和施工提供依据。搅拌桩质量检测能够对水泥土搅拌桩的质量进行检测，确保施工质量，提高工程的可靠性和持久性。有鉴于此，研究在对小型水利工程中的水泥土搅拌桩复合地基力学分析基础上，建立了面向小型水利工程的水泥土搅拌桩复合地基应用效果分析方法，以期为小型水利工程的设计和施工提供可行的技术参考。

1 水泥土搅拌桩复合地基应用效果分析方法

1.1 水泥土搅拌桩力学分析方法

水利工程在进行建设时通常需要对所座落的基岩进行处理，水泥土搅拌桩复合地基因优秀的施工效率成为常用的地基处理方法。水泥土搅拌桩在施工时将水泥作为固化剂使用，在地基深处使用特殊搅拌机械进行固化剂和软土的强制搅拌，软土和固化剂发生反应后硬结成为具有强度和整体性的地基。在反应过程中，水泥的掺量仅占被加固土重的五分之一以下，所以土体的物理力学性质和化学性质对加固土质起最主要的影响作用。水泥的水解和水化反应主要产生水化硅酸钙、水化铁酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙等化合物，水化物生成后，其中一部分与附近具有活性的粘土颗粒发生凝硬反应和碳酸化，影响到水泥土的结构强度。进行水泥土搅拌桩的地基承载力计算时，竖向承载地基的承载力特征值由现场地基荷载进行确定。单桩竖向承载力特征值计算如式(1)所示。

=η·fcu·Ap

(1)

式中，Ra—单桩竖向承载力特征值，kN；μp—桩周长，m；n—在桩长范围内划分的土层数量；qsi—桩周围第i层土的侧阻力特征值，kPa；li—桩长范围第i层土层的厚度，m；α—天然地基土在桩端的承载力折减系数值；qp—地基土在未经过修正时的承载力特征值，kPa；Ap—桩的横截面积，m2；η—强度折减系数；fcu—相同配方的室内加固土试块在90日标准养护后的抗压强度平均值kPa。

进行地基沉降计算时，需对复合土层的压缩变形和未加固土层的压缩变形进行分别计算，如式(2)所示。

(2)

进行抗滑稳定计算时采用圆弧分析法进行稳定性分析，如图1所示。

图1 圆弧分析法

由图1可见，圆弧分析法在计算时设置一个圆弧滑动面，滑动面穿过土层加固区和未加固区，在滑动面上对总滑动力矩和总滑抗力进行计算，再得到总滑动力矩除以总滑抗力的商作为滑动面的安全系数。取不同滑动面对安全系数进行计算，取最小的安全系数进行参考，进而判断抗滑稳定性。

1.2 水泥土搅拌桩复合地基应用特点分析

研究以辽宁东港灌区改造工程作为分析对象，东港灌区位于辽宁省东南部，北部主要为丘陵山地地形，中部为丘陵间彭迪或低丘漫岗地形，南部为退海平原和沿海诸河冲积平原，土质主要由淤泥质土、粉土和沙土类型。东港灌区改造内容包含1项三级标准拦河坝型灌溉水源工程，16项三级标准泵站改建工程，61项输配水工程，和20项三级标准排水工程骨干配套建筑物，其中泵站工程为水泥土搅拌桩复合地基的主要使用部分。泵房沿基础底面的抗滑稳定安全系数依照GB 50265—2022《泵站设计规范》进行设计，16项泵站工程为拆除改建工程。竖向承载水泥土搅拌桩复合地基一般需要在桩与基础间设置厚200到300mm最大粒径不超过20mm的褥垫层。褥垫层能够将上部结构的荷载向下均匀分配在搅拌桩顶部的土层上，同时能够减少应力集中，防止搅拌桩对基础产生冲切破坏。在小型水利工程中，褥垫层反而会导致水流在高水位时发生渗漏，需要额外设置防渗结构，在对刚性基础和柔性基础进行研究后，设计小型水利工程水泥土搅拌桩施工时取消褥垫层结构的应用方法。在软基上，提防上穿堤涵闸一般有两种建设情况，如图2所示。

图2 穿堤涵闸建设情况

由图2可见，穿堤涵闸建设时存在提防先建设、涵闸后建设以及提防和涵闸同时建设的情况。在提防先建设、涵闸后建设的情况中，提防一般都属于已建成多年的结构，可以视作软土地基已完成固结，提防的基底应力大于涵闸底部的应力，进行地基处理时主要减少建筑的沉降量，不需要对承载力进行额外考虑。在提防和涵闸同时建设的情况中，进行地基处理需要对沉降和承载力进行考虑，且需要在水闸附近范围内进行地基处理过渡。进行穿堤涵闸沉降计算时，可以使用土的静弹性模量对图回弹量进行计算，使用基底反力对附加压力进行替代。当软土地基使用水泥土搅拌桩进行处理后，进行下卧层附加应力分析时将复合层视作硬壳层，再使用双层方法进行分析。对提防地基在进行水泥土搅拌桩处理后的稳定分析如图3所示。

图3 提防地基稳定分析

由图3可见，提防受到渗流力、垂直荷载和水压力等力的作用，垂直载荷和抗滑力矩的范围皆存在区别，提防荷载为三角形荷载和均布荷载组成，抗滑力矩由地基土和提防本身的地基土共同提供。进行提防地基稳定分析时需综合考虑不同工况的稳定系数。在进行软基上进行新堤修建时需先进行沉降计算，使用水泥土搅拌桩符合土层的变形量和桩端下未加固土层的变形量进行综合分析。水泥土搅拌桩一般有格构式和柱式两种，格构式布桩将软土限制在基底范围中，减少基础沉降，在软土和粉砂地中有良好性能表现。在实际应用中，水泥土搅拌桩通常会与管桩进行混合使用，且不同建筑物的地基反力具有较大差异，为了保证不同建筑连接位置不出现沉降差，在泵房和防洪闸位置设置涵管筒结构，并在涵管分缝外加入混凝土套环防止沉降差出现。进行涵管沉降计算时仅对堤身下方的涵管中心沉降量进行计算，进行防洪闸沉降计算时，矩形桩基中点的最终沉降量如式(3)所示。

(3)

式中，s—矩形桩基中点的最终沉降量，m；ψ—桩基沉降计算经验系数；ψe—桩基等效沉降系数；p0—准永久组合荷载效应下的承台平均附加压力，kPa。

在沉降量计算的基础上，对搅拌桩进行合理布置优化，最终得到水泥土搅拌桩复合地基的应用方案。完成施工后使用钻孔取芯样、轻型动力触探检测和雷达波检测方法进行水泥土搅拌桩质量检测，确定工程的性能有效性。

2 东港灌区水泥土搅拌桩复合地基应用效果分析

针对东港灌区泵站改建工程中的泵站进行水泥土搅拌桩复合地基应用效果分析。对加固后土层的强度指标进行测试，见表1。

表1 土层强度指标测试

由表1可见，在泵站所处环境中，淤泥的天然容重是15.7kN/m3，饱和容重是16.0kN/m3；素填土的天然容重是18kN/m3，饱和容重是19.7kN/m3；粉质粘土的天然容重是18.0kN/m3，饱和容重是18.5kN/m3；粉砂的天然容重是19.0kN/m3，饱和容重是19.7kN/m3；复合地基土的天然容重是16.8kN/m3，饱和容重是17.0kN/m3。复合地基土的天然容重和饱和容重较小，说明孔隙度较高，且具有良好的排水能力。淤泥的内摩擦角较大，且凝聚力达到39.32kPa，远高于淤泥、素填土、粉质粘土和粉砂，说明水泥土搅拌桩复合地基土具有更好的抗剪强度和抗滑移能力，应用在泵站改建能够提供好的地基稳定性。对某泵站的沉降进行计算测试，如图4所示。

图4 泵站沉降计算

由图4可见，在桩端距离为2.3m时，土层的压缩模量为54.52MPa；在桩端距离为7.2m时，土层的压缩模量为39.36MPa；在桩端距离为10m时，土层的压缩模量为79.9MPa；在桩端距离为12.6m时，土层的压缩模量为50.00MPa；在桩端距离为17.2m时，土层的压缩模量为20.00MPa；在桩端距离为27.1m时，土层的压缩模量为40.00MPa。说明各土层的湿度、有机质含量、结构具有较为明显区别，在距离桩端17.2m位置的土层土质压缩性最高，最为松软，在距离桩端10m位置的土层土质压缩性最低，最为紧实。在自身荷载作用下，桩端距离为2.3m的土层的沉降位移为5.66mm；桩端距离为7.2m的土层的沉降位移为13.72mm；桩端距离为10m的土层的沉降位移为2.68mm；桩端距离为12.6m的土层的沉降位移为3.65mm；桩端距离为17.2m的土层的沉降位移为9.00mm；桩端距离为27.1m的土层的沉降位移为6.58mm。在假想荷载大面积荷载作用下，桩端距离为2.3m的土层的沉降位移为2.19mm；桩端距离为7.2m的土层的沉降位移为5.96mm；桩端距离为10m的土层的沉降位移为1.33mm；桩端距离为12.6mm的土层的沉降位移为1.66mm；桩端距离为17.2m的土层的沉降位移为6.33mm；桩端距离为27.1m的土层的沉降位移为4.51mm。在扣除的荷载面积载荷作用下，桩端距离为2.3m的土层的沉降位移为2.18mm；桩端距离为7.2m的土层的沉降位移为5.55mm；桩端距离为10m的土层的沉降位移为1.03mm；桩端距离为12.6m的土层的沉降位移为1.41mm；桩端距离为17.2m的土层的沉降位移为3.47mm；桩端距离为27.1m的土层的沉降位移为2.54mm。取沉降经验系数为1.0时，计算得到水涵管最大沉降量为53.62mm。说明研究设计方法能够有效对水泥土搅拌桩复合地基的沉降情况进行计算，为水泥土搅拌桩复合地基的设计和施工提供理论数据参考。对泵站的实际高度差变化进行观测，最大沉降观测点结果如图5所示。

图5 泵站实际高度差

由图5可见，泵站最大沉降观测点在第2日时的高度差上升到48mm；在第3日时的高度差上升到79mm；在第4日时的高度差上升到102mm；在第5日时的高度差上升到120mm；在第6日时的高度差上升到128mm；在第7日时的高度差上升到136mm；在第8日时的高度差上升到141mm；在第9日时的高度差上升到142mm；在第10日时的高度差上升到144mm；在第11日时的高度差上升到150mm；在第12日时的高度差上升到151mm；在第13日时的高度差上升到152mm。泵站沉降高度差呈前期较快上升，后期逐渐减缓上升趋于稳定的形态，符合双曲线规律，后期收敛，数据可靠，最终认为152mm为最大沉降高度差。泵站152mm的最大沉降高度差保持在设计理想范围内，说明水泥土搅拌桩复合地基在东港灌区能够有效改良工程的地基稳定性。

3 结语

水泥土搅拌桩复合地基在小型水利工程中有广泛的应用范围。研究在对水泥土搅拌桩的特点分析基础上，建立了复合地基的应用效果分析方法。过程中首先对水泥土搅拌桩复合地基的受力情况进行了计算，而后使用圆弧分析法构建了稳定性分析方法，并构建了应用效果分析方法。实验结果中，复合地基土的饱和容重为17.0kN/m3；泵站地基中距桩端17.2m位置的土层土质压缩性最高。说明研究方法可以有效在小型水利工程中对复合地基的相关性能进行分析，能够为水泥土搅拌桩复合地基建筑提供有效的参数参考。但研究方法仅在一种地质环境中进行实验测试，后续还需增加实验样本以对方法的有效性进行确定。