小洪河闸施工过程中地基处理方案的优化

（安徽省亳州市水利工程队 亳州 236800）

1 工程概况

新建小洪河闸位于安徽省亳州市华佗镇大王村和魏岗镇崔庄村交界处的小洪河上，设计排涝标准10年一遇，设计排涝流量591.9m3/s；设计泄洪标准20年一遇，设计泄洪流量728.30m3/s。小洪河闸为中型水闸，其主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。小洪河闸设计共9孔，单孔净宽7.5m，总净宽67.5m。闸室采用钢筋混凝土筏式结构，3孔一联，共3联。闸室底板顶高程31.0m，底板厚1.5m。

根据初步设计阶段地质勘察成果，勘探深度范围内分布的地层有7层，即:第（1）层为淤泥质土；第（2）层为轻粉质壤土；第（3）层为粉质粘土；第（4）层为粉质粘土；第（5）层为重粉质砂壤土；第（6）层为粉砂；第（7）层为粉质粘土。上部（1）～（2）层为第四纪新近淤积及冲积层，（3）～（7）层为第四纪晚更新世冲积层。闸基持力层位于第（1）层淤泥质土层，该层不均匀，层底高程为22.17～32.97m，平均高程为29.33m，层厚为0.60～8.50m，平均厚度为2.78m。地勘资料表明，闸室及岸翼墙范围内基础淤泥质土层分布较均匀，消力池末端淤泥质土层最后达8.5m。

初设阶段对小洪河闸基础采用换填水泥土的地基处理方案，闸室、岸墙换填深度3.5～4.0m，翼墙换填深度2.5m。

2 地基处理方案优化

该工程于2016年4月28日开始围堰填筑，2016年5月9日围堰合拢开始排水，2016年5月30日开始基坑开挖，基坑开挖后发现主河槽范围闸室下部淤泥质土深度开挖4m深后仍未见底，鉴于开挖地质成果与初设存在较大出入，决定在原有钻孔基础上，进行补充地质勘察工作。

补充地质钻孔表明，淤泥土层沿水流方向分布较为均匀，但沿垂直水流向分布不均匀，总体呈现为漏斗形分布，及两侧靠近岸边范围淤泥质土层较薄，厚约2～3m，两侧向主河槽方向淤泥质土层逐渐加厚，揭露河槽部位的淤泥土深度最大为9m左右。

2.1 软弱地基处理方式

（1）混凝土灌注桩基础具有结构可靠的优点，但是工程造价费用较高，对基础施工平台要求很高，施工工期较长。而且由于淤泥较厚，难以提供较大的水平抗力，导致桩径较大、桩数较多，工程投资大。另外，采用灌注桩基础后，闸室沉降量很小，但底板下淤泥由于自身固结而产生沉降，容易造成底板下脱空。对于此等规模的工程不够经济。

（2）换填水泥土需挖除基础底面的软弱土层或不均匀土层，换填掺入一定比例水泥的土料。从经济性角度考虑，换填土的深度一般不超过3m。该工程闸室底部最大淤泥质土深度达9m，如全部挖出换填方案需要大量粘性土，需要布设取土区，弃土和取土均需新增征地，且换填深度太大，施工难度较大，虽然施工工艺简单，但是在设计建基面高程下开挖如此大的深坑再进行回填操作，难度大，投资高。

（3）水泥土搅拌桩复合地基是以水泥作为固化剂的主要材料，通过深层搅拌机械，将固化剂和地基土强制搅拌形成竖向增强体的复合地基，处理深度可达20m。

鉴于该工程软弱地基呈漏斗形分布的特点，最终选择水泥土搅拌桩复合地基结合换填水泥土的地基处理方式。具体做法是将河道两侧淤泥层厚度较小区域划分为可实施换填的区域，此部分的工程主要内容包括岸墙、翼墙，仍采用换填水泥土的处理方式，换填深度约0.6～3.5m；对河道中部淤泥层厚度较大处的闸室段采用水泥土搅拌桩复合地基处理。

2.2 水泥土搅拌桩的设计

根据《建筑地基处理技术规范》进行计算。

2.2.1 水泥土搅拌桩单桩竖向承载力计算

水泥搅拌桩的单桩竖向承载力特征值Ra按《建筑地基处理技术规范》的下列两式计算，并取其中的较小值。

式中:fcu—水泥土试块的无侧限抗压强度平均值，参考类似工程，取为2.2 MPa；

η—桩身强度折减系数，取0.3；

qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值；

Ap—桩的截面积（m）；

up—桩周长（m）；

li—桩长范围内第i层土的厚度（m）；

qp—桩端天然地基土未经修正的承载力特征值（kPa）；

α—桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.5。

2.2.2 复合地基承载力计算

根据《建筑地基处理技术规范》的规定，复合地基的承载力标准值fspk由下式计算:

式中:m—面积置换率；

β—桩间土承载力折减系数，取0.45；

fsk—桩间天然地基土承载力特征值（kPa）。

经计算，确定闸室段水泥土搅拌桩桩径0.5m，桩中心距0.9m，单桩承载力110kN，复合地基承载力特征值150kPa。

3 沉降分析

由于岸墙和翼墙采用换填水泥土处理方式，闸室采用水泥土搅拌桩处理方式，需分析建筑物沉降的影响。岸墙和翼墙可采用多层地基计算其沉降值，闸室应采用复合地基计算其沉降值。

表1 地基沉降计算成果表

表2 单桩复合地基静载试验概况表

式中:e1i、e2i—基础底面以下第i层土在平均自重应力及平均自重应力加平均附加应力作用下，由压缩曲线查得的相应孔隙比；

hi—基础底面以下第i层土的厚度（mm）；

s—地基最终沉降量（mm）。

地基压缩层计算深度按下式计算:

式中:σ'y—地基计算层面处土的自重应力（kN/m2）；

σ"y—地基计算层面处土的附加应力（kN/m2）。

闸室地基沉降分两部分:搅拌桩复合土层的平均压缩变形s1，桩端下未加固土层的压缩变形s2。s2计算方法同岸、翼墙沉降计算。根据《建筑地基处理技术规范》搅拌桩复合土层的平均压缩变形s1可按下式计算:

式中:pz—搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa）；

pzl—搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa）；

Esp—搅拌桩复合土层的压缩模量（kPa）；

Ep—搅拌桩的压缩模量，可取（100～120）fcu（kPa）。对桩较短或桩身强度较低者可取低值，反之可取高值；

Es—桩间土的压缩模量（kPa）。

建筑物地基沉降计算成果见表1。从表1可知，建筑物最大沉降量68mm，最大沉降差14.5mm。基础的沉降量和沉降差满足规范要求。

4 工程实施

地基处理优化方案确定后，施工单位迅速组织施工力量，在得到试验桩数据后，从上下游分别开设两个工作面同时推进。水泥土搅拌桩均呈梅花型布置。搅拌桩施工完成后，建设单位安排第三方进行了检测，闸室段对单桩复合地基承载力进行了静载试验，均满足设计要求（见表2）。目前该工程已顺利完工。

5 小结

水利工程地基情况复杂，前期地质勘探无法全面精准描述地质全貌。该工程基础处理的变更起因于地质调查不明，揭示了设计前期的勘探工作对于项目顺利实施的重要性，也表明了施工详勘的必要性。针对漏斗形软弱地基，根据软弱层厚度分布特性，应合理选择地基处理方式。该工程实践证明，采用水泥搅拌桩复合地基结合换填水泥土的处理方式，可以取得预期良好的工程效果，且节约成本投入，保证施工质量和进度，实施时应注意复核不同地基处理范围之间建筑物沉降值及沉降差■