格栅状水泥搅拌桩在水电站粉细砂地基处理中的应用

2015-04-07牟春来刘嫦娥程淑艳展巍巍长江勘测规划设计研究院枢纽处湖北武汉430010

水利水电快报 2015年3期

牟春来刘嫦娥程淑艳展巍巍(长江勘测规划设计研究院枢纽处，湖北武汉 430010)

牟春来刘嫦娥程淑艳展巍巍(长江勘测规划设计研究院枢纽处，湖北武汉 430010)

天然地基一般无法满足水电站厂房建基要求，为此，结合汉江兴隆水电站厂房粉细砂地基处理，提出了采用格栅状水泥搅拌桩处理水电站厂房地基的方法。介绍了搅拌桩格栅状布置的特点，以及高压旋喷桩作为格栅节点桩与水泥搅拌桩组合使用的新技术。工程实践表明，这一创新地基处理方案解决了粉细砂地层水电站厂房地基承载力、沉降、渗透稳定问题,可为类似工程借鉴。

水电站厂房；地基处理；粉细砂；格栅状水泥搅拌桩；高压旋喷桩

1 概述

水电站厂房应尽量建在岩基上，但在冲积平原地区的水电站厂房一般都建设于粉细砂、粉土、砂卵石等软基上。这种天然地基一般无法满足水电站厂房建基要求，存在承载力不够、沉降变形和地基液化问题，需进行地基处理。

南水北调中线一期工程汉江兴隆水电站位于汉江中游的江汉平原上，是建基于全粉细砂地基上的水电站厂房。电站位于右岸漫滩与河槽的交接部位，厂房安装4台贯流式机组，总装机容量40 MW，机组装机高程22.7 m，水轮机直径6.15 m。电站厂房轴线与坝轴线平行，沿轴线方向前缘总长112 m，电站厂房建基面高程10.20 m，持力层为全新统下段粉细砂层，底部高程5.0 m左右，其下为厚约31.7 m的砂砾(卵)石层，顶板高程-25.7 m，下伏基岩为砂质粘土岩，埋深达53.7 m。

地震基本烈度为Ⅵ度，地基粉细砂粘粒(D<0.005 mm)含量6.3%～7.8%，主要为细砂和粉细砂组成，属于饱和状态下对震动液化敏感的土层，从液化性能判别存在地震液化问题。

以往水电站工程在进行局部破碎岩体或软基处理时，曾用到换填法[1]、固结灌浆法[2]、灌注桩法[3]、振冲碎石桩法[4]等。这些方法在大规模粉细砂软基处理中存在以下不足。

(1) 换填法需大规模开挖至新鲜基岩后回填混凝土。在粉细砂层、砂砾石层较厚时，工程造价高，且相应基坑降水工程量大。

(2) 固结灌浆法适用于提高破碎基岩的完整性，对粉细砂软弱地基承载力提高效果有限。

(3) 灌注桩法等无法解决砂土地基的抗振动液化问题。

湿法施工的水泥土搅拌桩是通过搅拌机械在土层深处将软土和水泥浆强制搅拌，使软土硬结成具有一定强度的柔性桩，适用于淤泥、粉土、饱和松散砂土、素填土等地层。其施工机械体型较大，移动缓慢，但桩的布置灵活，可设计成柱状、壁状、块状及格栅状，造价较低。

兴隆水电站在初设阶段，对水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、预制桩等3种地基处理方案进行了详细的技术经济比较，考虑到套接格栅状水泥搅拌桩防粉细砂液化能力强、工程投资较低等因素，采用水泥搅拌桩处理方案。

2 水泥搅拌桩复合地基设计

2.1 天然地基承载力和变形

工程设计中，天然地基承载力特征值修正的公式主要有：《泵站设计规范》[5]限制塑性变形区开展深度公式、汉森公式、《建筑地基基础设计规范》[6]推荐公式等。其中，《泵站设计规范》限制塑性变形区开展深度公式适用于天然土质地基上最大允许沉陷量不宜超过15 cm、相邻部分的最大沉陷差不宜超过5 cm的水闸、泵站类建筑物；汉森公式可应用于土质地基上一般水工结构物承载力的修正计算；《建筑地基基础设计规范》推荐公式对基础宽度做出限制，反映了对塑性变形区的最大开展深度的控制，适应近二十几年来大量兴建的高层建筑、高速交通等建设项目限制沉陷的要求，对严格控制沉降变形的发电厂房类建筑物是相对适合的。

经计算，厂房机组段天然地基沉降变形为35 cm，安装场段天然地基沉降变形为47.3 cm，不满足规范要求。承载力计算中，选用3种公式计算的小值，其修正后的天然地基承载力特征值445 kPa，小于机组段基础平均应力460.5 kPa和安装场基础平均应力503.5 kPa，需进行地基处理。

2.2 复合地基置换率

按复合地基承载力特征值公式计算复合地基置换率：

(1)

式中Ra为单桩承载力特征值，取337 kN；m为搅拌桩置换率；Ap为搅拌桩截面面积，桩径为800 mm；β为桩间土承载力折减系数，取0.3；fsk为天然地基土承载力特征值,取170 kPa。

经计算，复合地基置换率68%以上可满足厂房建筑物对地基承载力的要求。

通常在类似地层对泵站、水闸等建筑物的地基进行处理时，水泥土搅拌桩复合地基置换率在20%左右。由于厂房自身重量大，该工程计算的置换率要求达到68%以上。从施工可行性及经济性考虑，开展了现场复合地基载荷试验，以验证承载能力和优化置换率。结合现场进行的高置换率格栅状搅拌桩复合地基载荷试验和数值模拟等方法，进一步优化复合地基置换率，结果为机组段和安装场段采用置换率47.9%以上能满足承载力要求。对应置换率下机组段和安装场沉降变形为8 cm左右(完建工况)，满足规范要求。

2.3 格栅状与散点状水泥土搅拌桩比选

在工程实践中，搅拌桩复合地基多以独立单桩型式和地基土构成，称为散点状搅拌桩复合地基；而搅拌桩纵横相互搭接成格栅状或条栅状连续墙，格栅墙和被格栅墙分割的土柱一起组成的复合地基，称为栅状搅拌桩复合地基。

散点状搅拌桩常用于淤泥、淤泥质土等承载力不大于120 kPa的软粘土或粉土等地基，以解决承载力、稳定性和变形问题为主要目的[7]；而栅状搅拌桩用于以上地层，更易满足荷载水平高、沉降要求严等工程对地基的要求[8]。除此外，国内外还经常将栅状搅拌桩用于松散-稍密砂土或粉土地基，解决液化与防渗问题。

与散点状搅拌桩复合地基相比，栅状搅拌桩复合地基可采用相同的施工机械与施工工艺,并可采用相同固化材料形成物理力学性质相似的搅拌桩体与地基土共同承担荷载。不同之处在于，栅状搅拌桩复合地基中搅拌桩是纵横相互搭接成栅状连续墙，即使采用相同的固化材料、配合比、水灰比和搅拌工艺，也会因搭接处重复搅拌与喷浆或喷粉，格栅墙体强度更高，又会因格栅墙形成围封结构，约束地基剪切变形，达到提高抗液化性能的效果。因此，套接格栅状布置较散点状布置有较大优越性。

综合比较，在同时满足承载力、稳定、变形、抗液化及可靠性等方面，兴隆水电站厂房地基处理采用栅状搅拌桩复合地基有综合优势。

2.4 设计方案

(1) 布桩范围。结构底板下伏粉细砂层地基内，并向上下游及左右两侧外延3 m，布桩平面为矩形，尺寸118.00 m×80.00 m。

(2) 桩长。根据具体地质条件，搅拌桩由厂房建基面穿过粉细砂层至砂砾石层0.5 m深，主厂房平均桩长6.6 m，安装场平均桩长10.5 m。

(3) 结构形式。厂房段采用口字形格栅式布置，连体桩中心距为3.92 m，实际置换率51%。每“口”边长由6根连环桩组成，桩径800 mm。安装场段采用矩形格栅式布置，连体桩中心距长边为3.92 m，短边为2.8 m，实际置换率55%。各边十字交点中心设1根节点桩。每个格栅内布置有分布桩以均匀网格中间土的承载力。

(4) 施工工艺。采用4搅4喷施工方法，掺灰比15%～19%，水灰比1.0～1.2。

另外，通过在厂房基础上游侧及厂房左侧下游布置塑性混凝土防渗墙，厂房基础下游布置5 m长的混凝土板防渗层，尾水渠底板底部铺设50 cm厚反滤层的综合防渗排水措施，解决厂房地基施工期和运行期的渗透稳定问题。具体布置见图1。

如此布置，厂房机组段的实际置换率为51%，安装场段的实际置换率为55%，均大于现场试验确定的47.9%置换率。

3 格栅状水泥搅拌桩及其节点技术

3.1 问题的提出

由于格栅状水泥搅拌桩施工时，桩与桩需要搭接成连续桩墙，而允许搭接时间较短，约为24 h。当水泥搅拌格栅桩施工到接头部位时，为了保证施工顺利进行，在一个格栅节点处最多需要同时在3个方向进行搅拌施工，不仅机械布置困难，而且施工难度大，当置换率高时此问题更为突出。因此快速、可靠地进行格栅状搅拌桩的节点搭接处理是重点和难点。

3.2 组合桩型

高压旋喷桩具备搅拌桩的几乎所有适应性和效果，施工机械体型小，移位方便，有更好的布置适应性，适合在狭小场地内布桩、补桩,同时可较好地解决其他桩型易产生的挤土效应问题，避免对已施工格栅桩造成破坏。

如果将水泥土搅拌桩和高压旋喷桩两种桩型组合起来使用，充分发挥各自的优点，先施工格栅的非节点搅拌桩，至两桩、三桩、四桩等节点交汇处时，再用高压旋喷桩施工格栅的节点桩，可以在超过水泥搅拌格栅桩允许搭接时间之后施工，施工机械布置更加灵活，将施工机械数量控制在合理的范围内，既解决了水泥搅拌桩施工允许的搭接时间短问题，又解决了受厂房基坑场地限制的问题，减少设备投入，节省费用，施工简便易行。

3.3 组合桩型实施方法

具体实施步骤如下，流程见图2。

(1) 同时进行多个水泥搅拌格栅桩的施工，形成除节点桩以外的格栅网；

(2) 每个网格中间进行分布桩的施工，即进行水泥搅拌分布桩或高压旋喷分布桩的施工；

(3) 在纵向和横向的水泥搅拌格栅桩相交处进行高压旋喷节点桩的施工；

(4) 在土层中进行塑性混凝土防渗墙的施工,在土层中挖掘连续槽孔，以泥浆固壁，向孔内灌注混凝土形成塑性混凝土防渗墙。

3.4 组合桩型优点

(1) 水泥搅拌格栅桩作为改善地基承载力和控制沉降量的措施，具有造价低的特点，其格栅间距、桩径根据要求的地基承载力所需的置换率确定。同时，在格栅网内根据满足地基承载力所需的置换率增设水泥搅拌分布桩，在格栅网较密的地方则增设高压旋喷分布桩。

(2) 水泥搅拌格栅桩采用交叉套接可以减少搅拌桩因发生断桩等情况时对承载能力的影响，能满足水电站厂房地基应力高的要求，地基的整体性更好。

(3) 水泥搅拌格栅桩能防止粉细砂等土层的振动液化。

(4) 节点桩以外的格栅桩和分布桩施工完毕后，在纵向和横向的水泥搅拌格栅桩相交处进行高压旋喷接头桩的施工，该接头桩可以避免在施工中处理冷接头所带来的施工困难、造价高等问题。