水泥土搅拌桩地基围封处理等相关技术的研究

夏成亮 袁 鹏 王艾艾

在我国水利工程领域，水泥土搅拌桩技术具有施工工艺简单、施工工期短、施工成本低等方面的优点，被普遍应用于水利枢纽的地基处理、截水帷幕、堤坝加固及基坑支护等岩土工程。目前在中小型水利工程中利用水泥土搅拌桩处理地基越来越普遍，然而水利行业的规范对水泥土搅拌桩规定却较为匮乏，设计、施工、检测一般参照其他行业规范的相关内容执行。但是建筑类或其他行业规范一般没有考虑到水利行业的特点，缺乏针对性，导致水泥土搅拌桩复合地基的理论远落后于实践，限制了水泥搅拌桩在水利工程实践中的应用。本文通过对安徽省五河分洪闸地基中水泥搅拌桩处理液化土层方法，尤其是水泥土搅拌桩桩底入土深度的探讨，为水闸地基处理中水泥搅拌桩的应用提供参考。

一、工程概况

1.工程简介

五河分洪闸工程位于宿城区仓集镇，黄河故道桩号K60+500，为五河分洪道首部控制性建筑物承担分洪任务。五河分洪闸采用平底板宽顶堰开敞式结构型式，上下游翼墙均采用钢筋混凝土扶臂式挡土墙。闸孔为5孔，单孔净宽6.00m；闸室顺水流向长12.00m，垂直水流向宽35.60m；闸室底板顶高程17.80m（废黄河高程系，下同），上、下游河道底宽50m，两侧河槽边坡为1∶3，根据分洪道行洪的要求，五河分洪闸的正常蓄水位为20.00m，相应下游水位为17.80m。设计20年一遇排涝流量为113m3/s，50年一遇校核流量为120m3/s。水闸最大流量为120m3/s，根据《水闸设计规范》（SL265-2001），同时结合该段黄河故道堤防级别（2级堤防），确定主要建筑物级别为2级，次要建筑物为3级。地震烈度7度。

2.工程地质

据勘察可知，在勘探孔揭露深度范围内，该区场地内土层可分为4大层及一个亚层，基本是黄河泛滥时冲积形成的土层，兹自上而下分述如下：

①素填土（Q4al）：大部分为堤身填土，主要为粉土，灰黄色，稍湿，松散。局部可见植物根茎，土质不均匀。

③轻粉质砂壤土（Q4al）：灰黄色～浅灰色，稍湿，稍密～中密，夹有粉砂，局部地段夹有粉质粘土，干强度中等，中等压缩性，水平层理发育，摇震反应一般，土质不均匀。

④粉砂夹粉土（Q4al）：灰黄色～浅灰色，稍湿，稍密～中密，水平层理发育，局部夹有淤泥质粘土；中等压缩性，摇震反应一般，粉砂颗粒呈亚圆形或次棱角状，颗粒级配一般，颗粒的矿物组成主要为石英、长石以及少量铁质氧化物和云母碎片等，土质不均匀。

⑦粉质粘土夹粉土（Q4al）：灰黄色，局部浅灰色，可塑，局部呈软塑状，稍有光泽，摇震反应无，干强度中等，中等韧性，中等压缩性，土质不均匀。

⑧-1粉质粘土夹粉砂（Q3al）：灰黄色，可塑～硬塑，稍有光泽，摇震反应无，干强度中等，中等韧性，中等压缩性，土质不均匀，夹有粉砂，局部可见砂姜及铁锰质结核。

地基土的物理力学性质指标见表1。

表1 排水沟和排涝沟流量计算表

3.地基处理

闸室底板底高程为16.80m，一级悬臂挡墙底板底高程为16.40～17.30m，其持力层为第③层轻粉质砂壤土，根据地质报告中资料显示，第④层粉砂夹粉土为中等液化土层，液化可造成喷水冒砂，建筑物上浮，地基下沉与失效，侧向扩展与流滑等危害，应采取抗液化措施处理地基。

在水利工程建设中，设计上可采用目前常用的地基液化处理方法有换土垫层法、强夯法、振动砂石桩等。其中振动砂石桩法因处理效果好、施工简便、造价低廉而被广泛采用；但振冲法会对周围建筑物和环境造成损害，在一些情况不适用。水泥土搅拌法主要在淤泥质土、淤泥、粉土、饱和黄土、素填土、无流动地下水饱和松散砂地基、粘性土地基中最大限度地利用原土，在平面上布置成柱状、壁状、格栅对液化土形成围封消除液化。具有施工效率高、施工工期短、施工过程振动小、噪音低、地面不隆起、不用挤土排污、环保经济等优点，而且加固后土体容重基本不变，不会增加附加沉降。

水泥土搅拌桩之所以可以消除地基液化，主要是水泥土搅拌桩将液化地基形成了围封，水泥土搅拌桩在顶部与底板相连，底部与液化土层之下低压缩性、低渗透性土层下形成密闭空间，将可液化土围在其中。被围土体在透水与剪应变方面受到限制，因而不可能产生液化。因为土在液化时需要的剪应变为2%（平均值），如果完全不允许土产生剪应变，则土不会液化。同时水泥土搅拌桩在一定程度上改善了液化地基的动力性质。

综合考虑地层状况、成本、工期等因素，确定该工程使用水泥土搅拌桩进行抗液化和防渗处理，其主要设计技术参数为：搅拌桩直径为500mm，中心距400mm（100mm重叠）。水泥土搅拌桩采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为15%，无侧限抗压强度不小于1.6MPa，桩体渗透系数不大于10-6级，试桩数量为0.5%且不少于3根；搅拌桩施工及测试按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）执行。根据基础下土层分布情况，并结合防渗要求布置搅拌桩，处理深度为进入第⑧-1层土，桩底高程为12.00m。根据规范要求，搅拌桩沿闸室、一级悬臂式挡土墙底板轮廓线布置，平面布置见图1。水泥土搅拌桩围封大样图见图 2、图 3。

图1 水泥土搅拌桩布置平面图

图2 双排围封桩图

图3 单排围封桩图

二、问题探究

1.存在的问题

2015年12月五河分洪闸建设过程中，下游右侧翼墙部位的施工遇到问题：现场部分水泥土搅拌桩桩底搅拌至高程13.25m左右，难以继续往下施工至设计桩底标高12.0m。

2.地质补勘

为查明该闸闸址下游右侧翼墙部位各土层的分布情况，并提供各土层的物理力学性质指标和地基各土层的承载力特征值的建议值，对下游右侧翼墙进行补勘。根据场地在钻探深度范围内所揭示的土层，结合区域地质资料分析对比，按其成因类型及土的性状自上而下可分为下列土层：

表2 下游右侧翼墙补勘地基土物理力学性质指标表

3.结果分析

补勘结果表明：由于⑧-1层为硬塑状态的粘性土，含砂礓，局部砂礓含量较高，且标贯击数（SPT）较高，压缩性低。因此根据土层实际情况及施工设备能力，水泥土搅拌桩难以向下施工至设计桩底标高12.0m处。拟建的下游右侧翼墙部位分布③层松散砂壤土，该层为可液化土层，易产生渗透变形破坏，基础施工时需进行抗液化措施处理和防渗处理。

采用水泥土搅拌桩围封法消除在地震作用下饱和砂土或粉土的液化性，可以形象地表达为将液化土层放到一个密闭的箱体之中，保证在地震发生时箱体内的土不产生剪应变。密闭的箱体应有三部分组成：围封墙体、围封的箱底和围封箱盖。闸室地板、挡墙地板作为围封箱盖。水泥土搅拌桩在平面上布置成格栅式，对可液化土有可靠的围遮与限制剪应变的作用，可以作为围封墙体。作为围封墙体的水泥土格栅必须穿透液化层，打入下面的低压缩性、低渗透性土层中，也就是说围封的箱底必须是低压缩性、低渗透性的非液化土层。

有关水泥土搅拌桩桩底深度在水闸设计规范中并无定论，其他行业规范的相关规定也少之又少，作为围封墙体的水泥土搅拌桩桩底深入非液化土层的深度如何确定值得探讨。以单排围封桩为例进行分析，如图3，桩径500mm，咬合100mm。鉴于被围封的是封闭体，四周压力应基本相等，侧向咬合处是最薄弱的情况，桩底插入非液化土层应不小于最薄弱情况；当单排围封桩作为防渗体，《深层搅拌法技术规范》（DL/T5425-2009）中规定：封闭式、半封闭式水泥土防渗墙，墙体应进入不透水或相对不透水层0.5～1.0m。该工程地基处理主要是为了满足抗液化及防渗要求，并无增强地基承载力及其他需求，桩底深入非液化土层的深度不小于桩径即可认为满足要求。因此结合原勘测资料、补勘资料及现场施工实际情况，确定五河分洪闸水泥土搅拌桩围封桩底高程至少深入至非液化土层（⑦粉质粘土夹粉土）0.5m。

三、结语

采用水泥土搅拌桩处理水闸地基液化土层，施工进度快，工艺简单、便捷，造价低，基本无环境影响。合理地确定水泥土搅拌桩桩底深度具有重要意义，桩太长不仅会提高工程建设成本，造成浪费，而且可能会对施工造成困难；桩太短又会造成“浮桩”埋下隐患。通过对水泥土搅拌桩桩底深度的探讨，结合原勘测资料、补勘资料及现场施工实际情况，确定五河分洪闸围封桩桩底高程深入非液化土层不少于0.5m