南港工业区排水闸软土地基基础处理效果分析
2012-11-25李东然
李 健，高 蛟，李东然，李 扬
（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250；2.天津市蓟县水务局，天津301900）
1 工程概况
南港工业区位于渤海湾天津市滨海新区海岸线南部，是重工业、化工产业为主的开发区和港口的综合体，于2011年8月正式开港。工业区排水枢纽位于南港工业区境内青静黄挡潮闸下游2km处，枢纽建筑物主要有两孔浆砌石闸涵、闸右侧砖砌简易泵站、及出水池西侧四孔节制闸组成。闸涵上游接工业区排水河道，下游为出水池。由于两孔浆砌石闸涵年久失修，建筑物存在诸多安全隐患，已不能满足排水及挡潮功能，于2011年12月对其进行了拆除重建。
2 地质状况
场地地处华北平原，属冲积、海积低平原，地面高程4.6m。以泥质粘土、粉质粘土为主。
2.1 表层
以素填土为主，厚度3.20～3.30m，主要由素填土组成，呈褐色，软塑状态，粉质粘土质，含砖渣、石子等，属高压缩性土。地基承载力80kPa；
2.2 淤泥质粘土
厚度12.40～12.60m，呈灰色，流塑～软塑状态，有层理，含贝壳，属高压缩性土。局部夹粉质粘土、淤泥质粉质粘土透镜体。该土层地基承载力70kPa；
2.3 粉质粘土及粉土
厚度4.50～4.60m，呈灰色，软塑状态，有层理，含贝壳，属中压缩性土。该土层地基承载力110kPa；
2.4 粉土
地质勘察未穿透此层，揭露最大厚度4.80m，呈灰黄色，密实状态，无层理，含铁质，属中（偏低）压缩性土。地基承载力150kPa。
闸室底板顺水流方向长8m，垂直水流方向宽11.3m，整体式分布。闸室地基建基高程-1.0m，坐落于淤泥质粘土上,承载力低，土质软，强度低，可压缩性高，为满足闸室基础承载力要求，减少土中自由水含量，为增加闸室防渗长度，采用了水泥搅拌桩基础。
底板及桩基布置如图1。
3 闸室稳定计算
3.1 荷载
以闸室整体为计算单元，取完建工况为计算工况，其所受荷载包括闸室结构自重、排架机架桥自重、工作闸及金属结构埋件重及启闭机重。根据闸室稳定计算结构，作用于闸室底面的荷载有：竖向力ΣG=8858.94kN，ΣM=36596.40kN。
3.2 稳定验算
采用SL265—2001《水闸设计规范》公式进行闸室基底应力计算。
式中∑Pmaxmin为闸室基底应力的最大值或最小值（kPa）；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载（kN）；A为闸室基础底面的面积（m2）；∑M为作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；W为闸室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3）。
计算成果见表1。
表1 闸室稳定计算成果
由表1可知，建成无水工况闸室地基承载力不能满足地基应力要求。考虑闸址为沿海地区，闸基土为淤泥质粘土，地基土承载力及压缩模量均较低，为满足闸室地基应力及沉降要求，决定对闸室地基进行处理，以提高闸室地基的承载能力。
沉降计算采用分层总和法，计算采用公式：
式中s为地基最终沉降量（mm）；s′为按分层总和法计算出的地基变形量；ψs为沉降计算经验系数；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p0为基础底面处的附加压力（kPa）；Es为基础底面下第i层土的压缩模量（MPa）；zi、zi-1为基础底面至第i层土、i-1层土底面的距离（m）；为基础底面计算点至第i层土、i-1层土底面范围内平均附加应力系数。
闸基础底面下地层为淤泥质粘土，粉质粘土及粉土，粉质粘土及粉土压缩模量分别采用3.3MPa、5.9MPa、18.4 MPa。压缩层计算深度按计算层面处土的附加应力与自重应力之比为0.2确定。
经计算闸室地基最大沉降量22.5cm，大于规范允许值15cm；需对闸室进行地基处理。
闸基防渗长度按式（3）进行计算：
式中L为渗径长（m）；C为渗径系数；△H为上下游水位差（m）。
现闸基实际防渗长度为20.5m，小于计算要求的防渗长度32m，不满足规范要求，需设置一道防渗墙，增加闸基的防渗长度。
4 地基处理方案
本工程进行地基处理的目的为增加闸室地基的承载能力及减小沉降量。地基处理常用方法有换填垫层法、强夯法、砂石桩法、混凝土灌注桩及水泥土搅拌桩法。
4.1 换填垫层法
适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。其主要作用是提高地基承载力，减少沉降量，加速软弱土层的排水固结，防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。
本工程压缩性较高的软土层厚12.40m，垫层的换填厚度不宜超过3m，换填后地基处理效果不明显。因此工程未采用换填垫层法的地基处理方式。
4.2 强夯法
适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。强夯置换法适用于高饱和度的粉土，软—流塑的粘性土等地基上对变形控制不严的工程，在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。
本工程基础软土透水性较差，采用强夯法处理地基容易形成橡皮土，反而达不到地基处理的目的。因此，强夯法不适合应用于工程的地基处理。
4.3 砂石桩法
为采用类似沉管灌注桩的机械和方法，通过冲击和振动，把砂挤入土中而形成桩基的方法。挤密砂桩的主要作用是将地基挤实排水固结，从而提高地基的整体抗剪强度与承载力，减少地基的沉降量和不均匀沉降。但这种方法一般能较好地适用于砂性土。
本工程为淤泥及淤泥质土，因此砂石桩法不适合于工程的地基处理。
4.4 混凝土灌注桩
直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼灌注混凝土而成。灌注桩能适应各种地层，无需接桩，施工时无振动、无挤土、噪音小，宜在建筑物密集地区使用。但其施工费用较高，操作要求严格，施工后需较长的养护期方可承受荷载，成孔时有大量土渣或泥浆排出。
本工程由于工期较短，灌注桩成孔时会对周围环境会造成不利影响，且会使工程整体费用上升，未采用混凝土灌注桩法。
4.5 水泥土搅拌法
分为浆液深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）。
水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、饱和黄土、素填土及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。其加固机理是：水泥浆（粉）与地基土在外力作用下（桩头搅拌力及水泥浆（粉）压入压力）均匀搅拌，进行水化反应并形成具有一定强度的水泥土桩（即所谓半刚性桩）。部分水泥浆（粉）在灌浆压力作用下发生水化反应并渗入桩体周边的土体中形成桩体，增大了桩体与桩间土的摩擦系数，提高了桩体承载力，并与桩间土共同形成良好的复合地基。根据地质资料，本工程地基主要为淤泥及淤泥质土，含水量较高，采用水泥搅拌法时由于水泥的水化作用，在一定程度上减少了地基土中自由水的含量，桩间土产生一定的固结作用，使桩间土本身强度有所提高，从而导致复合地基承载力的提高。
综上，根据各个地基处理方案的适用条件及地基情况，确定采用水泥土搅拌法。
5 桩基设计
5.1 桩基布置
程水泥搅拌桩采用矩形布置，桩直径0.6m，除防渗墙外，搅拌桩横向和纵向桩间距均为1.2m，闸室底板轮廓线范围内的搅拌桩数按63根计。根据地质资料，在干湿交替及无干湿交替作用时，地下水对混凝土结构有中等腐蚀性，腐蚀介质为SO2-4，因此水泥土搅拌桩固化剂采用强度等级为32.5的抗硫酸盐水泥；桩长假定8m，搅拌桩位于淤泥质粘土层。
5.2 承载力验算
根据闸室底板所受外部荷载、土体力学指标、基础尺寸，采用相关规范公式分别计算水泥搅拌桩单桩承载力和复核地基承载力，计算成果见表2。
表2 单桩承载力及复核地基承载力计算成果
由表2可知，该桩基布置方案满足闸室单桩承载力和复合地基承载力的要求。
5.3 沉降验算
桩基最终沉降量计算公式采用《建筑地基基础设计规范》（5.5.6）中的公式，方法为等效作用分层总和法。附加应力取底板附加应力70kPa，沉降计算经验系数ψ取0.9；等效沉降系数ψ取0.9；等效沉降系数ψc取0.52。
地基处理后，经计算，闸室的最终沉降量为11cm，小于规范中规定的闸室最大沉降量的要求。
5.4 渗流稳定验算
由于水泥土搅拌桩桩体连接成壁后有隔水帷幕的作用，为增加闸室的防渗长度，在闸室靠近下游侧采用水泥土搅拌桩套打的方式，形成一道垂直防渗墙。经计算闸基防渗长度36.5m，大于计算要求的防渗长度32m，满足规范要求。
6 质量检验
6.1 施工期
6.1.1 材料
现场使用的固化剂和外掺剂必须通过现场加固土的强度试验，进行材料质量检验，合格后方可使用。
6.1.2 桩位
桩位布置满足设计要求，施工前在桩中心插桩位标，施工后将桩位标复原，以便验收。
6.1.3 桩身垂直度
每根桩施工时均应用水准尺或其他方法检查导向架和搅拌轴的垂直度，间接测定桩身垂直度。
6.1.4 桩身水泥掺量
按设计要求检查每根桩的水泥掺用量。
6.1.5 水泥标号、水泥品种
对无质保书或有质保书的小水泥厂产品，应先做试块强度试验，试验合格后方可使用。对有质保书（非乡办企业）的水泥产品，可在搅拌施工时，进行抽查试验。
6.1.6 搅拌头上提喷浆速度
一般均在上提时喷浆，提升速度不超过0.5m/min，通常采用二次喷浆。当第二次喷浆时不允许出现搅拌头未到桩顶而浆液已拌完的现象。有剩余时可在桩身上部再次喷浆。
6.1.7 浆液水灰比
通常为0.4～0.5，不宜超过0.5。浆液拌和时应按水灰比定量加水。
6.1.8 水泥浆液搅拌均匀性
应注意贮浆桶内浆液的均匀性和连续性，喷浆搅拌时不允许出现输浆管道堵塞或爆裂的现象。
6.2 竣工后
6.2.1 搅拌桩的施工
（1）成桩7d后，采用浅部开挖桩头（深度宜超过停浆面下0.5m），目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径。检查量为总桩数的5%。
（2）成桩后3d内，可用轻型动力触探（N10）检查每延米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1%，且不少于3根。
6.2.2 水泥搅拌桩地基竣工验收
承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。载荷试验必须在桩身强度满足试验荷载条件时，并宜在成桩后28d后进行。检验数量为桩总数的0.5%～1%，且每项单体工程不应少于3点。
经触探和载荷试验检验后，对桩身质量有怀疑时，应在成桩28d后，用双管单动取样器钻取芯样作抗压强度检验，检验数量为施工总桩数的0.5%，且不少于3根。
6.2.3 工程桩质量评定
及时检查施工记录，根据预定的施工工艺对工程桩质量进行质量评定。对于不合工艺要求的工程桩需根据其所在的位置、数量等具体情况，通过质量分析，提出补桩或加强附近工程桩等措施。
6 结语
（1）水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土，固化的桩与原地基土构成复合地基，改善了地基的承载力和变形模量。
（2）水泥搅拌桩是加固处理软弱地基土的一种行之有效的方法，使用前应尽可能通过试验确定加固设计参数，特别是找出最佳的水泥掺入量和最佳桩长，从而降低加固费用，以充分发挥水泥搅拌桩的优势。
［1］SL265—2001，水闸设计规范［S］.
［2］JTJ—2008，建筑桩基技术规范［S］.
［3］GB50007—2002，建筑地基基础设计规范［S］.
［4］JGJ79—2002，建筑地基处理技术规范［S］.
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［6］龚晓南.地基处理手册（第三版）［K］.北京：中国建筑工业出版社，2008.
［7］SL 191—2008，水工混凝土结构设计规范［S］.
［8］DL 5077—1997，水工建筑物荷载设计规范［S］.
［9］史佩栋.桩基工程手册（桩和桩基础手册）［K］.北京：人民交通出版社，2008.
［10］JTJ94—2008，建筑桩基技术规范［S］.
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