滁州市汊河节制闸软土地基加固设计

崔 冬 郭子婧

一、工程概况

滁州市汊河节制闸为汊河集枢纽工程重要组成部分，是滁河干流上的重要节制闸，也是驷马山引江灌溉工程最下游的控制工程，其主要功能有灌溉、排洪和航运等。工程始建于1970年11月，竣工于1972年12月，该闸原设计洪水流量为1260m3/s，校核洪水流量为1550m3/s，为Ⅱ等大（2）型水闸。

汊河节制闸自建成投入运行近40年，水毁严重，虽历经多次除险加固，运行状态得到了一定改善，但受资金条件限制，仍存在较多工程安全隐患，影响工程的安全运行，对上下游两岸人民的生命财产构成了严重威胁。2009年3月，滁州市水利局组织水闸工程专家对汊河节制闸进行了安全鉴定，专家组一致认定汊河节制闸安全类别为三类闸，需进行全面除险加固。

二、地质条件分析

汊河枢纽所在地为滁河下游河段，主要为沉积细粒土层，第四系地层厚度约30m左右，下卧基岩为白垩系上统赤山组砂岩及粉砂岩。经钻孔揭示，第四系覆盖层主要由第四系全新统～晚更新统冲洪积物组成的粘性土、重～轻粉质壤土、淤泥质软土、含砾中粗砂所组成，下伏棕红色中生代赤山组泥质粉砂岩。

表1 地基加固成果表

表2 地基变形计算成果表

闸址处自上而下主要土层分布：①层素填土、②层重、中粉质壤土、③层轻粉质壤土、③1层淤泥质粉质粘土、③2层淤泥质重粉质壤土、④层粉质粘土、④1层含砾中粗砂和⑤层泥质粉砂岩等。

节制闸闸底板坐落在③层轻粉质壤土上，地质勘探报告推荐的承载力标准值为80～120kPa，由于③层土在闸室底板下厚仅0.5m，不宜作为持力层，闸室底板实际持力层为③1层淤泥质粉质粘土，该层土天然地基承载力仅为50～80kPa，承载力较低，小于闸室、岸墙及上、下游翼墙基底应力，工程建设存在隐患。因此，地基应进行加固。

三、地基加固方案的选择

该节制闸对承载力要求不高，③层轻粉质壤土的承载力可满足要求，但因该土层较薄，且其下分布着厚达十余米的淤泥质软土层，加上闸上部的交通桥的荷载要求，极易产生不均匀沉降，对建筑物的结构安全不利。根据汊河节制闸软弱土层的特性及深度，地基加固措施拟选择钉形水泥土双向搅拌桩或钻孔灌注桩进行处理。

上述两种处理方案均能提高基土承载力，满足工程安全运行要求。钉形水泥土双向搅拌桩对软弱土地基具有满堂加固作用，可与地基形成一种均匀有效的复合地基，可减少上部结构发生较大的不均匀沉降，而且设计桩长为该型经济桩长（不大于15m），但形成的复合地基仍有一定的沉降量。钻孔灌注桩与闸底板属刚性连接，其适应沉降变形的能力大于搅拌桩形成的复合地基，但是采用灌注桩加固地基后上覆荷载基本由灌注桩承担，易使桩间土和构筑物底板之间脱开架空，形成渗漏通道，不利闸基渗流稳定。汊河闸底板持力层为③1层淤泥质粉质粘土，其压缩模量仅为3.74MPa，属高压缩性土，桩间土和闸底板之间易脱开架空形成渗漏通道。另外，灌注桩造价明显偏高。汊河闸采用筏式底板，较适合采用复合地基。因此，设计中选用钉形水泥土双向搅拌桩对地基进行加固。

四、地基加固设计

地基采用钉形水泥土双向搅拌桩进行软基加固，这是一种在常规水泥土搅拌桩基础上加以改进后形成的新型地基加固处理方法。可以克服常规水泥土搅拌桩存在的以下不足：水泥土在垂直方向和水平方向都难以搅拌均匀；在土压力、孔隙水压力、喷浆压力的相互作用下，水泥浆沿钻杆上行，普遍存在地面冒浆现象，影响地基水泥浆掺入量。

钉形水泥土双向搅拌桩将水泥土搅拌桩成桩机械的钻杆改进为同心双轴钻杆，即内钻杆上安装正向旋转叶片并设置喷浆口，外钻杆上安装反向旋转叶片，通过外杆上叶片反向旋转过程中的压浆作用和正反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。通过同轴双向转动的转杆以及可自动伸缩的叶片，沿深度方向将软土与固化剂（水泥浆，可掺入一定量的外加剂）就地进行强制搅拌，使土体与固化剂发生物理化学反应，形成具有一定整体性和强度的水泥土复合地基。

1.钉形水泥土双向搅拌桩设计

钉形水泥土双向搅拌桩按照江苏省工程建设推荐性技术规程《钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程》（苏JG/T024-2007，以下简称《规程》）进行设计，按复合地基要求计算，并进行地基变形验算。

根据该规程的规定，钉形水泥土双向搅拌桩的扩大头高度宜不大于桩长的1/3，下部桩径不宜小于500mm，上、下桩径比宜在1.8～2.4之间，桩间距应根据复合地基的承载力、建（构）筑物允许沉降量、土性、施工工艺等确定，宜取1.8～2.4m。钉形水泥土双向搅拌桩桩身水泥掺入比应根据单桩承载力通过室内配比确定，水泥掺入量宜为被加固湿土质量的12%～18%。水灰比可选用0.50～0.60，地基含水量高者取小值。根据土质条件可适当选用添加剂，添加剂应先进行室内配比试验。

根据上述规定，初拟闸室、翼墙和空箱岸墙基础钉形水泥土双向搅拌桩加固，桩径为0.5m、0.6m，扩大头部位桩径 1.0m、1.3m，平均桩长 14m，其中扩大头部位桩长4.0m，桩距1.8m，桩身水泥掺入比取16%。《规程》建议：在钉形水泥土双向搅拌桩与刚性基础之间应设置褥垫层，褥垫层厚度宜取0.3～0.5m。褥垫层宜选用中砂、粗砂、级配砂石或碎石等，碎石最大粒径不大于20mm。由于考虑到建筑地基防渗要求，本次设计在钉形水泥土双向搅拌桩与建筑物基础之间设置0.6～0.8m厚的水泥土褥垫层。

2.复合地基承载力计算

结合《地质报告》中各土层参数的推荐值，并根据《规程》3.3.8和3.3.9中的公式，对钉形水泥土双向搅拌桩复合地基承载力特征值及单桩承载力特征值进行估算，其估算结果和各部位地基加固成果见表1。

计算结果表明，采用钉形水泥土双向搅拌桩加固地基承载力可满足设计要求。

3.地基处理后的变形验算

地基处理后的变形计算按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）的有关规定执行。复合土层的分层与天然地基相同（在变截面处应分层计算），各复合土层的压缩模量等于该层天然地基压缩模量与桩体压缩模量按照面积置换率加权平均。

竖向承载的钉形水泥土双向搅拌桩复合地基沉降包括扩大头深度范围内复合土层平均压缩变形量S1、下部桩体深度范围内复合土层平均压缩变形量S2和桩端下部未加固土层平均压缩变形量S3。根据《规程》3.3.13中的公式，对地基处理后的变形进行验算，其计算成果见表2。

计算结果表明，加固后闸室、岸墙和翼墙沉降量满足《水闸设计规范》（SL265-2001）中有关建筑物沉降量不大于150mm、相对沉降量不大于50mm的规定。

五、结语

软土地基具有极大的危害性，如果处理不当会造成地基失稳，使构造物沉降过大或不均匀沉降，对构造物产生不同程度的危害，严重影响工程安全。钉形水泥土双向搅拌桩处理软土地基以其自身的优点，已经在铁路、高速公路、港口、码头等多个领域中得到广泛应用，加固效果显著。近年来，该加固技术已经逐渐在水利工程中得到应用，尤其对厚度在15m左右软土地基的加固处理，不仅有良好的加固效果，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资约15%～35%，经济效益也很显著