摘要：松散粉细砂基上建造构筑物，一般是存在地基承载力不足、沉降量过大及地基液化的问题。结合工程实例案例，针对下卧深厚软弱粘性土层的粉细砂基上新建泵闸工程的地基处理方案进行分析计算，并且通过施工现场检查结果验证得出堆载预压能有效的消除地基残余沉降，振动沉管挤密砂桩能消除地基液化，提高地基承载力，并且经济性比较优越。
关键词：堆载预压；沙土液化；工后沉降
一般在南水北调中，工程中的水利枢纽是位于境内的，而工程也是地处广阔的冲积平原。而沿海中的地基属于密状粉细砂，存在承载力低、沉降量大，容易发生渗透变形等问题。
1 工程概况
某市东部沿海某河口及综合开发项目，工程内容包括7.85km圈围海堤、4.11km围区吹填、围区排涝工程及河口改道治理等。其中围区排涝工程设海泵闸，在遭遇大暴雨内涝且外海潮位比较高时将围区涝水抽排出海，设计排海涝流量24.0m/S，安装三台单泵流量8.0M/S立式轴流泵。主体工程由主泵房、穿堤涵闸等组成，泵房采用整体式结构，底板顺水流方向长25m，垂直水流向宽25m，底板底面高程约-6.5m，穿堤涵闸为三孔钢筋混凝土箱涵结构，闸室长25m，宽19m，底板底面高程-3.2m。
2 出海泵闸地质情况
工程区地处该市东南部滩涂及浅海地带，所处地貌单元为韩江三角洲地带，属于河口、沙嘴、沙岛近潮相地貌类型。地层为第四系以陆相为主的海陆交互冲击的泻湖平原及以海相为主的海陆混合沉积层等松散沉积。出海泵闸工程场区地形比较平坦，滩面高程约为-2.0一3.0m。
泵闸主体基础大多是落在②层粉细砂上，该图层基础之下厚度约为4.0-47.0m，呈松散-稍密状，压缩系数为控制的范围，标准贯入击数4-14击，平均值为8击，下伏软弱③层淤泥质土夹砂，呈流塑状，压缩系数为平均值的一半，具高压缩性强，抗剪强度低，厚度达到25m，中部夹层为0.0.25m不等。
工程场区地震基本烈度为三级以上，属于强震区，地表下20m深度内分布的饱和和砂土层主要有②层粉细砂、③层中砂。在根据水利水电工程地质 勘察规范中，可以看出上述土层初判为可液化土。采用标准贯入试验法进行复判，液化指数为10.72-34.1，平均液化指数20.36，液化土层②层粉细砂，综合判定为严重液化场地。
3 地基处理方案比较
3.1 基底应力及沉降计算
主泵房和穿堤涵闸基底应力年计算结果可以表示为：从部分上看，可以分为主泵房和穿堤涵闸。主泵的工况分为完建期、运行期、地震。完建期最大值为130.22、最小为83.53、平均为106.88，系数是1.56。运行期最大值为91.29、最小值为64.57、平均为77.93、系数为1.41。地震最大值为113.46、最小值为47.09、平均值为80.28、系数为2.41。穿堤涵闸的工况可以威股份完建期、运行期、地震。完建期最大值为104.20、最小值为104.00、平均为104.10、系数为1.00。运行期为100.90、最小值94.00、平均值97.45、系数为1.07。地震最大值为97.00、最小值为80.10、平均数值为88.55、系数为1.21。
天然地基下主泵房最终沉降量112cm，涵闸最终沉降量125cm，沉降主要发生在深厚的③层淤泥质粘土夹砂层。那么在根据结果中来计算，主泵房和涵闸最大地基应力为130.00kPa。②层粉细砂承载力特征值100kPa，有多工况下承载力不满足要求，天然地基沉降量很大，为工程结构运用所不允许，需要进行地基处理。
3.2 地基处理方案比较
根据地质条件来说，地基处理需要考虑地基承载力、基础沉降和表层粉细砂液化三方面的问题。根据建筑地基处理技术规范来说，此种地基加固的方法主要有换填法。预压法、深层搅拌法、桩基础、砂石桩法等。
①换填法：由于地基表层粉细砂层比较厚，换填法工程量比较大，不是很经济，下不又为深厚的高压缩性淤泥质粘土层，不可能将其全部挖除换填，所以无法解决地基沉降量过大的问题。
②预压加固法：由于本工程表层细砂层和淤泥质土下不的中粗砂层均为良好的排水层，都能有效的促进淤泥质土层的固结，预压法能有效地减小地基的总沉降值及不均匀沉降值，但是预压加固后表层砂的贯入还是不能够达到临贯入度以上，还需要另外进行地基液化处理。
③桩基础：桩基础由于桩基穿透细砂层和淤泥质黏土层，将中粗砂层作为持力层，因此能够同时解决地基沉降、承载力和沙土液化问题，但投资比较高，且软土地基容易出现与底板脱空现象，但一般可以通过设置与底板刚性连接的防渗板桩或预留注浆管进行充填灌浆的措施解决。
由于本工程涵闸穿越大堤，所在工程区域滩地比较低，后期填土和堤防填土高度均比较高，所以出海泵闸基础受到比较大边荷载的影响，同时也将会产生很大的附加沉降，但是如果采用桩基础将产生 比较大的负摩擦力，这样对基础非常不利，经过计算来看，天然地基同时考虑边荷载作用的条件下，涵闸的最终沉降量达到1.3m左右，就是采用桩基础最终沉降量也达到40cm以上。
一般在研究结果中可以看出来，过大的边荷载能引起箱涵一倍以上的附加沉降量。所以，如果不采取措施消除出海泵闸建筑物大面积堆载产生的附加沉降，其实就是采用桩基出仍然难以满足沉降要求，甚至因负摩阻的影响而难以满足承载力的要求。
④深层搅拌法：从处理解决地基承载力和基础沉降角度分析来看，水泥搅拌桩一般能够达到要求，出海泵站后期周边回填土高度比较大，如果不进行前期的预压沉降处理，仅仅只是采用水泥搅拌桩进行地基处理很难满足规范对建筑物沉降的要求，除非置换率很高，造成经济上的浪费。从消除液化的机理上分析，由于水泥搅拌桩置换了一定的砂体，应该可以消除部分液化，但是无法从现行的各类规范还是从专业文献分析，目前还没有关于采用水泥搅拌桩能完全消除液化的有力证据，因此，如采用水泥搅拌桩进行液化处理，目前没有可靠的依据。
⑤砂石桩：砂石桩处理液化沙土一般采用振动沉管挤密成桩，在振动机的震动作用下，将套管沉入土体，将周围土体挤密或振密，并在套管中加灌砂石料，然后边拔管边振动排砂于土体中振动密实成桩，与土体形成复合地基。砂石桩对松砂地基的加固作用主要体现在挤密或振密、排水减压以及对砂土的预震效应中。对于下卧的软弱粘性土，由于侧限比较小，挤密效果不是很明显，加固机理主要体现在土体置换和加速排水固结方面。砂是桩处理深度一般在15-20m，由于出海泵闸下卧淤泥粘土层厚度达到25m，要解决建筑物沉降量过大问题，处理深度25-30m，现有常用的施工机具一般达不到。
从以上分析可以看出来，本工程出海泵闸首要要解决工后沉降过大的问题，其次要采取措施消除表层松散粉细砂的地震液化。本工程出海泵闸需要采用围堰挡水进行干地施工，当地砂料丰富，砂质好，围内回填土方用量比较大，如果结合围内回填，进行堆载预压，工程投资相对比较省。所以，对建筑物地基先结合施工围堰先采用插打塑料排水板堆载预压，解决工后沉降过大的问题，再采用振动沉管挤密砂桩消除粉细砂液化，是可行经济的方法。
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4 堆载预压设计
为了加快③层淤泥粘土混砂层固结速度，在泵闸基础下及基础底板轮廓外边线往外10m范围布设排水板，间距1.0,*1.0m，排水板穿透淤泥粘土混砂层，并进入中粗砂50cm以上。由于表层为粉细砂，是良好的天然排水层，因此排水板顶部不需要设置排水砂垫层，地基打排水板后在围堰内回填中粗砂至5.4m高程进行堆载预压，加载量约为150kPa。经过计算可以看出来③层淤泥质粘土混砂固结度是一样的。
在结果中可以看出来，超载预压四个月后地基土的固结度可以达到90%以上。拟定预压时间为四个月，转换成泵闸的实际荷载后，地基基本能保持稳定，消除沉降和边荷载的影响。采用堆载咿呀进行地基处理后出海泵闸承载力和沉降都可以满足要求。
本工程区域抗震设防烈度为8度，建筑物需要做抗震设计，应该采取措施有效消除液化对建筑物和相邻堤防的影响。预压处理后能适当提高地基土的抗液化能力。但是根据可地质勘测报告可以看出来，由于本场地表层细砂不同深度的贯入度差异比较大，土层密实度离散性比较大，采用堆载咿呀很难有效消除液化，完全消除液化，一般需要振动密实，静载加压消除液化的效果有限，所以，预压结束后需要再采用振动沉管挤密砂桩进行处理。
5 砂石桩设计
①桩间距确定
根据消除地基液化的要求，处理后地基土的标贯击数N大于临界N值，桩径取500mm，正方形布置，粉细砂土天然孔隙比取值为1.10，砂土地基桩间距根据挤密后要求达到的孔隙比来进行确定。
②桩体材料
桩体材料采用渗透性大的优质中粗砂，粒径大于0.5mm以上颗粒重量大于50%，含泥量不得大于5%，含水量控制在8%左右。
③设计灌砂量
桩身灌砂量按体积和重量双重控制，施工中灌砂量不少于设计用量的95%，否则要采取复打法重新进行灌料。
④平面布桩
砂桩平面补骨脂采用间距1.3m，正方形布置，建筑物底板下满堂布桩，宽度长底板外轮廓3-5排。
⑤桩长
砂石庄处理深度一般在15-20m以内，对于处理表层松散粉细砂液化一般可以达到消除地基液化的目的。本工程粉细砂厚度4.0-7.0m，砂石桩桩长根据下卧层承载力计算，取桩长12m，穿透粉细砂层，进入软弱粘土层5-8m。
⑥质量检测要求
成桩7d后，采用标准贯入试验进行桩身和桩间土检测，各项的检测数量不应该少于桩孔总数的2%，且不能少于3根。桩身相对密实度大于总数，桩间土质量的检测位置应该在相邻桩体构成的正方形中心。经挤密的粉细砂层不同深度处标贯击数不应该小于一定的数值。
6 现场实施情况及处理效果分析
排水板插打过程中出现大部分排水板到③层中砂插入到困难的情况，分析原因主要是③层厚度分布不均，标准贯入度比较高，插板机穿透该层难度比较大，造成排水板插打成功率比较低。
由于本工程堆载预压处理在各类地基处理方案中相对比较经济，因此，现场实施过程中还是要建议采用堆载预压处理方案，但是排水板根据现场土质情况进行插打，在③层中砂层以上比分均按照设计施工完成，中砂层以下部分因插板成功率比较低，设计不考虑其作用，待堆载完成后检验现场堆载预压效果
加载至设计高程后实施了井点降水增加压载量，累计堆载约为四个月的时间。根据监测数据来看，由沉降数据推算的表层和深层评价固结度分别在95%-100%之间。
现场监测结果可以发现，在完成的加载条件下，地基就基本完成了固结沉降，泵站区域的沉降值达到915mm，涵闸位置沉降量在924mm，远远大于计算中砂层以上部分沉降值，表明中砂层以下土层也得到了压缩，固结度指标达到了设计要求。分析原因是下不淤泥质粘土层下的中粗砂排水性好，利于软土层的固结。
通过对标贯试验复判粉细砂砂层液化，标贯击数10-16击，比较原天然地基有所提高，但小于临界值中的范围，表层粉细砂仍为严重的液化，需要进一步采用振动挤密砂桩进行处理，目前砂桩暂时没有进行施工，根相关资料显示，振动挤密砂桩处理后标贯击数可以增加70%-90%，可以预见良好的处理效果。
7 确定主要设计参数
7.1 平面布置
①水泥土深层搅拌采用柱状加固时，平面布置形式一般为正方形和梅花桩。但是此次采用的矩形，在相同的桩距情况下梅花桩布置比较密，置换率比较高，两者置换率之比为1.13:1.05，其实就是1.06。对于需要比较高的承载力情况下，水泥土深层搅拌桩采用梅花形布置比较好。
②建筑物在仅仅承受垂直荷载的时候，水泥深层搅拌可以当做一种刚性桩且其承载性能与刚性桩相似、可以布置在基础范围内。闸室、上下游挡土墙不仅要承受上部荷载以及自重等竖向荷载作用，还要承受水压力、上压力等水平荷载作用，水泥土复合地基在承受水平荷载时主要还是依靠桩和桩间土共同承担的作用，而水泥土的抗剪强度是天然土的10倍到20倍，在外围设桩能提高复合地基的水平抗剪能力。此时，符合地基加固的宽度应该要满足应力扩散的要求，因此本次闸底板和上下游墙底板下地基处理时超出基地外缘0.5m宽度。
7.2 水泥掺量，置换率及桩长
①水泥掺入量实际应力为掺入比，就是为掺加水泥重量与被加固土体的天然重量百分比。水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增加而增加，掺入比过低水泥与土固化程度比较低，过高就不经济。本闸选用强度等级为32.5级普通硅酸盐水泥，掺入量为18%。
②置换率，规范中对置换率范围没有明确，应该根据建筑物基底荷载对复合地基承载力要求来进行确定，采用的方法是：先根据经验确定桩距、桩径，计算出置换率，然后复核复合地基承载力是否满足要求。面积置换率其实就是单截面积的间距距离。
7.3 复合地基承载力计算
复合地基承载力特征值，其实就是按照建筑地基处理技术规范进行的，这样是有利于将基础传递下来的荷载均匀地分配到深搅桩顶部和桩间土的面层上，所调整桩土荷载来进行比较，充分发挥桩间土的作用，减少对基础底面的应力集中，那么本工程就采用在基础和桩之间设置厚度为200mm的垫层。
对于单桩复合地基静载荷试验来说，该闸一共检测了3个试验点的复合地基，所监测到的单桩复合地基极限承载力可以分为一定的范围内，该场地的复合地基承载力特征值可以满足对设计的要求。
单桩静载荷试验，一般在该闸中一共检测了3根单桩，所监测到的基桩的单桩竖向极限承载力可以分为200kn，那么该场地的承载力特征值可以取为100kn，以此来满足设计的要求。
结束语
以上所述，插塑料排水板进行堆载预压处理深厚软弱粘性土，能有效消除地基残余沉降，解决构筑物沉降过大的问题。一般在超载预压下，没有打设排水板的深层淤泥质粘土在排水条件好的情况下也能有比较好的固结，在预压堆载通过静力压密了表层粉细砂层标贯击数，但是很难彻底消除砂层的液化，在一定程度上采用振动挤密砂桩进行处理。最后一个方面，对于下卧深厚软土粘性土层的粉细砂基上新建筑物的地基处理方案，先堆载预压解决后沉降过大的问题，再采用振动沉管挤密砂桩处理液化，这样是一种可行的经济性优化方案。
参考文献
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论文作者:倪心衎
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第2期
论文发表时间:2018/6/15
标签：地基论文; 细砂论文; 预压论文; 荷载论文; 涵闸论文; 工程论文; 承载力论文; 《建筑学研究前沿》2018年第2期论文;