佛山市南海区桂城街道水利排灌养护站 广东佛山 528000
摘要：水泥搅拌桩是一种在水利工程中应用广泛的地基加固处理技术，具有施工速度快，可得到较高的地基复合强度，施工噪音小、污染少，并对毗邻建筑物的损坏少，影响小等特点。本文结合案例，重点分析了水泥土搅拌法在水闸工程基础加固中的方案设计及施工技术。检测结果显示，该法很好解决了水闸基础加固问题，可为类似工程的施工应用提供参考。
关键词：水闸基础；复合地基计算；水泥搅拌桩；施工；检测结果
水闸一般都是建在河道、渠道及水库、岩石成因和岩性风化等地区，这些地区大多数都是软地基，而水闸建筑物所需的基础通常需要承受相当大的上部荷载，其基础底部压力往往比淤泥软基持力层所能承载的压力要大很多，若没有进行有效的处理加固，则会对水闸的质量安全造成严重的威胁。水泥搅拌桩作为深层搅拌桩的一种，是用于加固饱和软粘土地基的新方法，它是利用水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土体发生一系列物理-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水泥加固土，是一种有效的软土地基加固方法，效果显著，处理后可很快投入使用。下面，就介绍水泥搅拌桩在水闸软基加固处理中的应用。
1 工程简介
某水闸建成于1994年，为堰流式闸室结构，采用4孔10×5m弧形闸门控制的平底水闸，采用集中驱动双吊点卷扬机启闭；右侧为检修门室，检修门为10×5.305m平板钢闸门，采用单向门机启吊；水闸底板高程为35.5m，底板厚2.0m，采用管桩基础。原设计洪水标准为20年一遇，校核洪水标准为50年一遇。河道干流经过多年的整治后，其设计防洪标准为百年一遇，原有水闸过洪能力不足，需进行扩建。
2 地质资料
2.1 地形地貌
场地原始地貌为冲积平原，现河床两边已修筑钢筋混凝土防洪堤，堤岸牢固，堤顶标高介于40～42m，河床标高介于32～35m，河床坡降较缓，水流较慢，由南往北渐低，根据地形绝对标高分类，场地地貌属于台地地貌类型。
2.2地层岩性
3 基础加固方案
3.1 设计思路
根据地质钻孔资料，淤泥层埋深浅，厚度大，变形大，承载力低，其承载能力和沉降变形均不满足设计要求，必须对地基进行加固处理。按拟建场地地震基本烈度为7度设防，水闸工程级别为1级，并结合上部结构特点，对基础进行了换填砂垫层、水泥搅拌桩、钻孔灌注桩的方案比较。如采用换填砂处理，换填厚度大，开挖量大，且施工后沉降量较大，易造成水闸与两侧引堤、翼墙产生沉降差，影响今后的运行。受开挖场地限制，大开挖还需采用支护措施。如采用钻孔灌注桩，岩层埋深达65～82m，即使采用摩擦桩，桩长也达50m，造价高，工期长。经技术、经济、工期等多方面的分析比较后，选定水泥土搅拌桩（湿法）作为地基处理方案。该方法技术可行、经济合理、施工简便，符合工程实际要求。
3.2 水泥土搅拌桩复合地基计算
该水闸工程选取最不利钻孔资料进行闸室处的承载力及沉降量计算，搅拌桩桩径为0.55m，桩长16～20m，四周按格栅布置，内部按正方形布置，桩距1.3m。
（1）水泥土搅拌桩单桩承载力Ra计算。搅拌桩单桩承载力Ra施工时应由现场载荷试验确定，设计时按《建筑地基处理技术规范》的公式计算。
按桩周土计算：
（1）.png)
按桩材计算：
Ra=ηfcuAp（2）
式中，up为桩的周长，为1.73m；Ap为桩端面积，为0.24m2；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；li为桩长范围内第i层土的厚度，m；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa；α为桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4；η为桩身强度折减系数，湿法取0.3；fcu为试块90d龄期的立方体抗压强度平均值，kPa，取1.5fcu28。
由上述主要参数计算得到Ra（水泥采用PO42.5级），选取低值作为单桩承载力Ra。经计算，由于桩身较长，单桩承载力主要由桩材控制。
（2）水泥土搅拌桩复合地基承载力计算。搅拌桩复合地基承载力设计值按规范的公式计算。
（3）.png)
式中，fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率，为0.36；β为桩间土承载力折减系数，取0.2；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa。
由于水闸底板及翼墙处最大基底应力均小于复合地基承载力特征值，因此搅拌桩处理后的复合地基承载力满足要求。
（3）水泥土搅拌桩复合地基沉降变形计算。对水闸底板中点进行沉降计算，竖向承载力搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合地基土层的平均压缩变形s1与桩端下未加固土层的压缩变形s2，s1的计算按规范的公式进行。
（4）.png)
Esp=mEp+（1－m）Es（5）
式中，pz为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值；pzl为搅拌桩复合土层底面的附加压力值，kPa；Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量，kPa；Ep为搅拌桩的压缩模量，kPa，取240000kPa；Es为桩间土的压缩模量，kPa。
桩端下未加固土层的压缩变形s2按《建筑地基基础设计规范》的公式进行计算。
（6）.png)
除14涌西闸桩端以下未加固土层为粉质黏土外，另2座水闸的未加固土层均有淤泥或淤泥质土（砂），分层计算桩端下未加固的土层压缩变形s2，采用水泥土搅拌桩处理后的地基沉降量较大，上部结构物应考虑沉降的影响。
3 .3 设计方案
通过计算，搅拌桩桩径0.55m，桩长16～20m，满足承载力及沉降变形要求。故对闸室及两端引堤部分、翼墙、管理楼处的基础进行地基处理，选取水泥土搅拌桩处理方案。由于桩端以下仍有较大厚度的淤泥质土层，沉降变形量较大，考虑施工期间可以完成部分沉降，故预留工后沉降量10～20cm。结合上部荷载分布，将翼墙处搅拌桩兼作支护桩，并考虑垂直防渗、抗震等要求，对闸室基础四周及闸墩、水闸中部采用双排格栅布置，桩距0.45m。翼墙四周及沿翼墙长度方向每5～7m采用单排格栅布置，桩距0.45m。格栅内部、闸室两端引堤部分、管理楼，均采用正方形柱桩布置，桩距1.3m。闸室及翼墙处搅拌桩布置详见图1。
图1 闸室及翼墙段基础布置（单位：m）.png)
3.4 现场施工
搅拌桩施工前，先进行试桩，通过试桩取得水泥土的重度、相对密实度、无侧限抗压强度、抗剪强度和变形模量等指标，以及钻机转速、提升速度和喷浆压力等施工参数，并最终确定每延米桩长水泥用量。各组水泥用量分别为60～70kg/m，对应的水泥掺入量15%～20%。抽芯检测桩身28d龄期无侧限抗压强度fcu28，并推算90d龄期无侧限抗压强度fcu90。要求fcu28≥1.0～1.2MPa，fcu90≥1.5～1.8MPa。水泥采用PO42.5级，水灰比为0.45～0.5，掺入3%石膏粉作为减水剂。
（1）施工时，由于场地淤泥含水量高达50%～70%，先采用2m厚的中粗砂进行挤淤，置换表层软弱淤泥，加速下部淤泥的排水固结，同时作为打桩平台。
（2）施工前确定搅拌机的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数；通过成桩试验，确定搅拌桩的配比等各项参数和施工工艺。用流量泵控制输浆速度，使注浆泵出口压力保持在0.4～0.6MPa，并使搅拌提升速度与输浆速度同步。
（3）通过复喷复搅的方法达到桩身强度为变参数的目的。搅拌桩上部6m桩长采用3次喷浆6次搅拌，以下采用2次喷浆4次搅拌，且最后1次提升搅拌宜采用慢速提升。当喷浆口到达桩顶标高时，停止提升，搅拌数秒，以保证桩头均匀密实。
3.5 检测成果
（1）成桩3d后，对水泥搅拌桩进行轻型动力触探N10检测。检测至桩下3.90m深度，桩体检测段水泥土为水泥与淤泥质砂搅拌胶结，水泥土完整连续；3d龄期检测段平均N10=28～46击，检测桩桩体匀质性良好，桩下0～3.9m，N10击数随深度呈逐步递减规律。
（2）成桩28d后，进行水泥搅拌桩取芯检测。取芯桩桩体水泥土连续完整，搅拌较均匀，胶结良好；取芯桩水泥土芯样28d龄期无侧限抗压强度为1.01～1.52MPa。在施工期间，水泥掺入量均为65kg/m，fcu28呈现一定规律，随桩深度方向逐步降低。
（3）成桩28d后，进行水泥搅拌桩单桩及单桩复合地基载荷试验检测。现场单桩载荷试验按照设计单桩承载力为150kN考虑，荷载不小于2倍设计承载力，其承载力特征值Ra≥150kN。现场单桩复合地基荷载试验按照复合地基承载力特征值为160kPa考虑，其荷载均不小于2倍设计承载力，其承载力特征值fspk≥160kPa，均满足设计要求。
4 结语
总之，地基基础加固处理方案是水闸工程技术人员长期面临的一个课题。实践证明，上述技术方法可行，经济合理，取得了较佳的加固效果，具有广阔的应用前景，是水闸基础加固有效的方法之一，值得在今后类似工程中进行推广。但在其应用过程中，施工环节多、技术复杂，施工质量始终是个比较难控制的问题。这种情况下，我们要在施工中要紧抓施工环节，进行准确科学的计算，采取有针对性的处理加固设计方案，控制好水泥搅拌桩桩体质量，达到提高水闸基础强度的目的。
参考文献：
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[2]程晓航.沿海水闸软土地基基础的处理方法[J].中国水运（下半月）.2012（05）
[3]魏志忠；李会娟.水利工程中水泥搅拌桩处理软基础及其应用分析[J].大科技.2013（34）
论文作者:吴少棠
论文发表刊物:《基层建设》2015年29期
论文发表时间:2016/9/19
标签：水闸论文; 水泥论文; 承载力论文; 地基论文; 土层论文; 特征值论文; 基础论文; 《基层建设》2015年29期论文;