軟土地基是水閘工程常見的地質問題
發布時間：
2018-11-24 09:06
來源：
摘要：軟土地基是水閘工程常見的地質問題，若沒有進行有效的處理加固，則會對水閘的質量安全造成嚴重的威脅。本文結合水閘應用實例，通過介紹工程項目的地質條件，著重對鉆孔灌注樁及攪拌樁兩種方法進行多方面的對比，選擇最優的軟基基礎處理方案，以供參考。
關鍵詞：水閘工程；軟基處理；鉆孔灌注樁；攪拌樁
由于廣東位于沿海地區，水閘工程所處的地基土通常都具有含水量高、壓縮性大、承載力低、厚度不均等特點，若水利工作者沒有選擇合理的軟基處理方案，不僅會影響到水閘整體功能的發揮，甚至會給水閘日常的運作帶來嚴重的安全隱患。因此，如何選擇合適的軟基處理方案就成為水利工作者當前亟待解決的難題。本文通過對鉆孔灌注樁及攪拌樁這兩種處理方案進行探討，通過方案比選，最終選取了攪拌樁復合地基作為水閘軟基基礎處理的優選方案，并取得了較好的經濟效益。
1 工程概況
某水閘經多年運行，多次經受臺風、暴雨和海潮的襲擊，自然老化和損壞的程度嚴重，存在的問題較多。經水利局組織專家組，對水閘進行了安全鑒定，根據工程存在的實際情況，結合有關規范規程，將水閘定為4類水閘，決定對水閘進行拆除重建。
水閘的設計涉及到多個方面，本文僅就水閘地基處理設計方面進行闡述。
2 工程地質
根據地質鉆探資料，水閘地基自上而下為人工填土層、淤泥層、粉土層、中砂礫砂層、殘積土層、強風化花崗巖和弱風化花崗巖，具體分述如下：
1）人工填土：層厚為0～2.70m，灰黃色，以粉質粘土、粉土為主；
2）淤泥：層厚為1.83～24.0m，深灰色，飽和，流塑，含貝殼碎片及腐殖質，底部為淤質土；
3）粉土：層厚為0～2.50m，淺灰色，濕，軟塑，由粉粒、粉細砂混合組成，具粘性；
4）中砂、礫砂：層厚為1.8～4.1m，灰黃色，飽和，稍密～中密，含泥，部分含卵礫石；
5）殘積土：層厚為5.1～11.3m，灰綠色～灰黃色，濕，可塑～硬塑，由粘土礦物、長石、石英砂及少許暗色礦物組成，巖石風化成土狀，組織結構已破壞；
6）強風化花崗巖：層厚為0.7～2.4m，灰褐色，巖石呈半巖半土狀，原巖組織結構大部分已遭破壞，巖心為碎渣、碎塊狀，手折易斷；
7）弱風化花崗巖：淺灰白色，堅硬，巖蕊呈塊狀，短柱狀，見鐵質浸染。
3 閘基處理設計方案比較
3.1 鉆孔灌注樁方案
3.1.1 持力層的選取，樁型和樁長的確定，基樁豎向承載力的確定
分別取殘積土層、花崗巖強風化層為持力層，并取樁徑為0.80m、1.0m、1.2m進行計算。經對造價進行綜合對比，當采用殘積土層作為樁基持力層時，樁徑為0.80m、1.0m、1.2m的灌注樁造價分別為：11元/kN、12.7元/kN、13.9元/kN；采用強風化花崗巖作為樁基持力層時，樁徑為0.80m、1.0m、1.2m的灌注樁造價分別為：8.5元/kN、9.5元/kN、10.9元/kN。經比較并結合工程的實際情況，擬選用樁徑為0.8m的灌注樁，樁基持力層采用強風化花崗巖，樁長l=31.0m，經計算，取單樁承載力設計值R=1650kN。
3.1.2 基樁水平承載力的確定
代入計算得：Rh=160kN
3.1.3 樁數的確定和布置
①根據單樁水平承載力確定樁數[取荷載組合4：擋潮情況（P=2%），閘上、下游水位分別為0.45、1.71m]（中3孔）
②根據單樁豎向承載力確定樁數
綜合以上2種計算結果取n=20。
3.1.4 樁基豎向荷載驗算
作用于基樁上荷載設計值的平均值N和最大值Nmax，按下式計算并應滿足：
①按完建情況下荷載組合進行驗算
②按擋潮情況下荷載組合進行驗算
滿足要求。
③樁的負摩擦力問題
當樁基及水閘工程完建后，水閘上下游淤泥層由于沒有進行地基處理，當承受一定荷載時以及自重固結將引起沉降，而閘室下的淤泥層不承受上部結構荷載，兩者之間將產生沉降差，因而必然會對閘上下游側邊樁產生負摩擦力。取淤泥層底面作為中性點，則其上產生負摩擦，其下產生正摩擦。經計算，樁周的負摩擦力：Nf1=828.5kN，樁周正摩擦力Nf2=1666.7kN。
3.1.5 樁基水平向荷載驗算
根據荷載組合4作用在中3孔上的合力為2362.9kN作用在單樁上的水平荷載：
3.1.6 樁基的內力與位移驗算
根據地質鉆探資料，在荷載組合4作用下，采用樁土橫向荷載共同作用的程序進行計算，得出結果為：
最大彎矩為Mmax=240.97kN#m，最大剪力為Qmax=120.38kN，樁頂位移為U=30mm。由于計算單樁承受水平力時考慮Kc=1.25的安全系數，故樁頂實際水平位移應小于30mm，約25mm左右。
樁身的最大應力出現在中性點，中性點壓力最大為：
樁身所受最大應力為：
故樁身的強度是足夠的。
3.1.7 沉降計算
樁基的沉降S可分為2部分，分別是樁身的壓縮變形S1和樁底強風化花崗巖的沉降S2，即S=S1+S2。
取樁身彈性模量E0=2.55×107kPa，經計算，樁身最大壓縮變形為：
樁底土的壓縮引起的沉降，強風化花崗巖的E=2×105kN/m2，L=0.25，則其產生的沉降：
故樁頂的沉降，也即閘底板的沉降為：
3.2 攪拌樁方案
3.2.1樁長樁徑的確定
根據水閘地質鉆探資料，淤泥層底高程在-19.85～-22.40m，而水閘底板底面設計高程為-3.0m。為降低地基沉降量，擬取攪拌樁樁底高程為-22.80m，即樁的持力層為相對硬層的中砂或粉土層，則樁長l=19.80m，攪拌樁的直徑取d=50cm。 3.2.2單樁豎向承載力的確定
根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-91）規定，單樁承載力標準值按下列公式計算，并取其中較小值：
將以上數據分別代入上述兩公式得：
則單樁的豎向承載力RK=min{Rk1，Rk2}=168kN，取RK=165kN。
3.2.3 復合地基的承載力計算（中三孔）
1）面積置換率
其中fs為樁間土天然承載力標準值，取fs=40kPa；B為樁間土承載力折減系數，取B=0.2；fck為復合地基承載力標準值，取fck=R設=75kPa。
代入計算，
2）樁的布置，總樁數
擬取樁的樁距為1.5m，則中三孔的樁數為n=10×19=190根，實際置換率：
3）復合地基的承載力標準值
3.2.4 樁群總豎向承載力復核
代入計算，得：
滿足要求。
3.2.5 地基沉降計算
1）處理加固土層（樁群）的沉降量
代入計算，得：
2）樁端下土層的沉降量
根據地質鉆探資料，粉土層的下臥層為中粗砂～礫砂，但下為殘積土，強風化巖低壓縮性土，故只取粉土層厚度作為總壓縮層厚度進行計算。經計算得：S2=017cm
3）地基總沉降量計算
根據以上計算方法，同時附上對水閘邊1孔、岸墩和邊墻的地基采用攪拌樁進行處理計算結果見表1。
3.2.6 考慮淤泥層震陷的地基處理方案
根據《廣東省地震烈度區劃圖》，水閘工程區地震基本烈度為Ⅷ度，閘基下淤泥層發生在Ⅷ度地震時可能產生震陷，從而導致水閘隨之產生附加的沉降及不均勻沉降，以及深層的抗滑穩定等問題。為解決上述問題，擬將原閘基攪拌樁均勻布置方案改為格柵狀布置。該方案由攪拌樁相互搭接形成封閉的格柵結構，使復合地基成為一個封閉整體，這種加固形式限制了淤泥的側向擠出，提高地基的整體抗震性能，保證復合地基在水平力作用下共同工作，同時也提高了格柵中軟土的承載力，減少總沉降量和不均勻沉降。
3.3 地基處理方法優缺點比較比較結果見表2。
4 結語
通過對水閘軟基處理方案比選的探討，筆者總結出以下幾點結論：①深層攪拌樁具有成熟的工藝技術，在軟土處理應用方面的質量較為可靠；②攪拌樁具有噪音小、無污染、對鄰近建筑物影響小和造價低廉等優點，與其他處理方案相比具有較好的優越性；③本工程采用深層攪拌樁作為軟基基礎處理方案，從工程的沉降量、單樁承載力、樁體質量的檢測結果看，各項指標達到預期的目標，取得了較好的經濟效益。
參考文獻：
[1] 陳旭斌.復雜地基水閘基礎處理設計方案的探討[J].城市建設理論研究.2012年第36期
[2] 郭鍵敏.淺談水利工程軟地基基礎處理[J].廣東科技.2012年第11期
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摘要：軟土地基是水閘工程常見的地質問題，若沒有進行有效的處理加固，則會對水閘的質量安全造成嚴重的威脅。本文結合水閘應用實例，通過介紹工程項目的地質條件，著重對鉆孔灌注樁及攪拌樁兩種方法進行多方面的對比，選擇最優的軟基基礎處理方案，以供參考。
關鍵詞：水閘工程；軟基處理；鉆孔灌注樁；攪拌樁
由于廣東位于沿海地區，水閘工程所處的地基土通常都具有含水量高、壓縮性大、承載力低、厚度不均等特點，若水利工作者沒有選擇合理的軟基處理方案，不僅會影響到水閘整體功能的發揮，甚至會給水閘日常的運作帶來嚴重的安全隱患。因此，如何選擇合適的軟基處理方案就成為水利工作者當前亟待解決的難題。本文通過對鉆孔灌注樁及攪拌樁這兩種處理方案進行探討，通過方案比選，最終選取了攪拌樁復合地基作為水閘軟基基礎處理的優選方案，并取得了較好的經濟效益。
1 工程概況
某水閘經多年運行，多次經受臺風、暴雨和海潮的襲擊，自然老化和損壞的程度嚴重，存在的問題較多。經水利局組織專家組，對水閘進行了安全鑒定，根據工程存在的實際情況，結合有關規范規程，將水閘定為4類水閘，決定對水閘進行拆除重建。
水閘的設計涉及到多個方面，本文僅就水閘地基處理設計方面進行闡述。
2 工程地質
根據地質鉆探資料，水閘地基自上而下為人工填土層、淤泥層、粉土層、中砂礫砂層、殘積土層、強風化花崗巖和弱風化花崗巖，具體分述如下：
1）人工填土：層厚為0～2.70m，灰黃色，以粉質粘土、粉土為主；
2）淤泥：層厚為1.83～24.0m，深灰色，飽和，流塑，含貝殼碎片及腐殖質，底部為淤質土；
3）粉土：層厚為0～2.50m，淺灰色，濕，軟塑，由粉粒、粉細砂混合組成，具粘性；
4）中砂、礫砂：層厚為1.8～4.1m，灰黃色，飽和，稍密～中密，含泥，部分含卵礫石；
5）殘積土：層厚為5.1～11.3m，灰綠色～灰黃色，濕，可塑～硬塑，由粘土礦物、長石、石英砂及少許暗色礦物組成，巖石風化成土狀，組織結構已破壞；
6）強風化花崗巖：層厚為0.7～2.4m，灰褐色，巖石呈半巖半土狀，原巖組織結構大部分已遭破壞，巖心為碎渣、碎塊狀，手折易斷；
7）弱風化花崗巖：淺灰白色，堅硬，巖蕊呈塊狀，短柱狀，見鐵質浸染。
3 閘基處理設計方案比較
3.1 鉆孔灌注樁方案
3.1.1 持力層的選取，樁型和樁長的確定，基樁豎向承載力的確定
分別取殘積土層、花崗巖強風化層為持力層，并取樁徑為0.80m、1.0m、1.2m進行計算。經對造價進行綜合對比，當采用殘積土層作為樁基持力層時，樁徑為0.80m、1.0m、1.2m的灌注樁造價分別為：11元/kN、12.7元/kN、13.9元/kN；采用強風化花崗巖作為樁基持力層時，樁徑為0.80m、1.0m、1.2m的灌注樁造價分別為：8.5元/kN、9.5元/kN、10.9元/kN。經比較并結合工程的實際情況，擬選用樁徑為0.8m的灌注樁，樁基持力層采用強風化花崗巖，樁長l=31.0m，經計算，取單樁承載力設計值R=1650kN。
3.1.2 基樁水平承載力的確定
代入計算得：Rh=160kN
3.1.3 樁數的確定和布置
①根據單樁水平承載力確定樁數[取荷載組合4：擋潮情況（P=2%），閘上、下游水位分別為0.45、1.71m]（中3孔）
②根據單樁豎向承載力確定樁數
綜合以上2種計算結果取n=20。
3.1.4 樁基豎向荷載驗算
作用于基樁上荷載設計值的平均值N和最大值Nmax，按下式計算并應滿足：
①按完建情況下荷載組合進行驗算
②按擋潮情況下荷載組合進行驗算
滿足要求。
③樁的負摩擦力問題
當樁基及水閘工程完建后，水閘上下游淤泥層由于沒有進行地基處理，當承受一定荷載時以及自重固結將引起沉降，而閘室下的淤泥層不承受上部結構荷載，兩者之間將產生沉降差，因而必然會對閘上下游側邊樁產生負摩擦力。取淤泥層底面作為中性點，則其上產生負摩擦，其下產生正摩擦。經計算，樁周的負摩擦力：Nf1=828.5kN，樁周正摩擦力Nf2=1666.7kN。
3.1.5 樁基水平向荷載驗算
根據荷載組合4作用在中3孔上的合力為2362.9kN作用在單樁上的水平荷載：
3.1.6 樁基的內力與位移驗算
根據地質鉆探資料，在荷載組合4作用下，采用樁土橫向荷載共同作用的程序進行計算，得出結果為：
最大彎矩為Mmax=240.97kN#m，最大剪力為Qmax=120.38kN，樁頂位移為U=30mm。由于計算單樁承受水平力時考慮Kc=1.25的安全系數，故樁頂實際水平位移應小于30mm，約25mm左右。
樁身的最大應力出現在中性點，中性點壓力最大為：
樁身所受最大應力為：
故樁身的強度是足夠的。
3.1.7 沉降計算
樁基的沉降S可分為2部分，分別是樁身的壓縮變形S1和樁底強風化花崗巖的沉降S2，即S=S1+S2。
取樁身彈性模量E0=2.55×107kPa，經計算，樁身最大壓縮變形為：
樁底土的壓縮引起的沉降，強風化花崗巖的E=2×105kN/m2，L=0.25，則其產生的沉降：
故樁頂的沉降，也即閘底板的沉降為：
3.2 攪拌樁方案
3.2.1樁長樁徑的確定
根據水閘地質鉆探資料，淤泥層底高程在-19.85～-22.40m，而水閘底板底面設計高程為-3.0m。為降低地基沉降量，擬取攪拌樁樁底高程為-22.80m，即樁的持力層為相對硬層的中砂或粉土層，則樁長l=19.80m，攪拌樁的直徑取d=50cm。 3.2.2單樁豎向承載力的確定
根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-91）規定，單樁承載力標準值按下列公式計算，并取其中較小值：
將以上數據分別代入上述兩公式得：
則單樁的豎向承載力RK=min{Rk1，Rk2}=168kN，取RK=165kN。
3.2.3 復合地基的承載力計算（中三孔）
1）面積置換率
其中fs為樁間土天然承載力標準值，取fs=40kPa；B為樁間土承載力折減系數，取B=0.2；fck為復合地基承載力標準值，取fck=R設=75kPa。
代入計算，
2）樁的布置，總樁數
擬取樁的樁距為1.5m，則中三孔的樁數為n=10×19=190根，實際置換率：
3）復合地基的承載力標準值
3.2.4 樁群總豎向承載力復核
代入計算，得：
滿足要求。
3.2.5 地基沉降計算
1）處理加固土層（樁群）的沉降量
代入計算，得：
2）樁端下土層的沉降量
根據地質鉆探資料，粉土層的下臥層為中粗砂～礫砂，但下為殘積土，強風化巖低壓縮性土，故只取粉土層厚度作為總壓縮層厚度進行計算。經計算得：S2=017cm
3）地基總沉降量計算
根據以上計算方法，同時附上對水閘邊1孔、岸墩和邊墻的地基采用攪拌樁進行處理計算結果見表1。
3.2.6 考慮淤泥層震陷的地基處理方案
根據《廣東省地震烈度區劃圖》，水閘工程區地震基本烈度為Ⅷ度，閘基下淤泥層發生在Ⅷ度地震時可能產生震陷，從而導致水閘隨之產生附加的沉降及不均勻沉降，以及深層的抗滑穩定等問題。為解決上述問題，擬將原閘基攪拌樁均勻布置方案改為格柵狀布置。該方案由攪拌樁相互搭接形成封閉的格柵結構，使復合地基成為一個封閉整體，這種加固形式限制了淤泥的側向擠出，提高地基的整體抗震性能，保證復合地基在水平力作用下共同工作，同時也提高了格柵中軟土的承載力，減少總沉降量和不均勻沉降。
3.3 地基處理方法優缺點比較比較結果見表2。
4 結語
通過對水閘軟基處理方案比選的探討，筆者總結出以下幾點結論：①深層攪拌樁具有成熟的工藝技術，在軟土處理應用方面的質量較為可靠；②攪拌樁具有噪音小、無污染、對鄰近建筑物影響小和造價低廉等優點，與其他處理方案相比具有較好的優越性；③本工程采用深層攪拌樁作為軟基基礎處理方案，從工程的沉降量、單樁承載力、樁體質量的檢測結果看，各項指標達到預期的目標，取得了較好的經濟效益。
參考文獻：
[1] 陳旭斌.復雜地基水閘基礎處理設計方案的探討[J].城市建設理論研究.2012年第36期
[2] 郭鍵敏.淺談水利工程軟地基基礎處理[J].廣東科技.2012年第11期