沧州渤海新区某退水闸地基处理与基坑支护协同设计

孟卫涛

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050021）

1 工程概况

沧海生态综合治理工程位于沧州市渤海新区，主要任务是将现状盐田、虾池等重新整合，对水体进行生态改造，建设人工水生态环境，改善区域小气候。退水闸位于涟洼排干与板堂河交汇处上游，右岸为沧盐提水泵站，兼顾排水和挡潮，设计流量26.6 m3/s，由沧海引渠段、铺盖、闸室和消能防冲段组成。

2 主要地质问题

退水闸地基中分布有素填土、淤泥质土、黏土和壤土等。基础位于淤泥质土层，地基承载力低，易产生压缩变形，沉降量大，抗剪强度低，易发生剪切破坏。板堂河属于平原排沥河道，水位受海水潮汐影响较大。场区内地下水为第四系孔隙潜水，水位埋深浅，主要含水层为Ⅲ单元淤泥质土，含水层富水性差，渗透性弱，地下水对混凝土具硫酸盐型强腐蚀性。退水闸开挖深度4.7～8.3m，边坡主要由Ⅰ单元填土、Ⅲ单元淤泥质黏土组成，饱和状态下边坡稳定性差。

3 地基处理

3.1 稳定及沉降计算

闸室稳定及地基沉降按《水闸设计规范》（SL265-2016）相关公式计算：

式中：Kc为沿闸室基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载，包括闸室基础底面上的扬压力在内（kN）；∑H 为作用在闸室上的全部水平向荷载（kN）；f 为闸室基底面与地基之间的摩擦系数；σmax为基底应力的最大值（kPa）；σmin为基底应力的最小值（kPa）；η为应力不均匀系数；A为闸基础底面积（m2）；∑M 为作用于闸室上全部荷载对基底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；W 为闸室基底面对该底面垂直水流方向的形心轴的抵抗矩（kN·m）；S∞为最终地基沉降量（m）；n 为地基压缩层计算深度范围内的土层数；hi为基底面以下第i层土的厚度（m）；mi为地基沉降量修正系数；e1i为基底以下第i 层土在平均自重应力作用下，由压缩曲线查的相应空隙比；e2i为基底以下第i 层土压平均自重应力和平均附加应力作用下，由压缩曲线查得的相应空隙比。

根据“沧海人工生态湖”及板堂河特征水位，按照闸内外出现的水位组合工况进行基本组合和特殊组合，退水闸闸室稳定计算成果详见表1。

退水闸基础置于淤泥质黏土层，承载力特征值60 kPa，按汉森公式进行修正后的地基土允许承载力71.2 kPa。根据稳定计算成果，各工况下的基底最大应力为102.5 kPa，平均基底应力为82.8 kPa，均不满足规范要求。各工况下的地基最大沉降量17.2 cm，最大沉降差5.6 cm，不满足规范要求。因此，需进行地基处理，提高地基承载力，减少沉降量。

表1 闸室稳定计算成果

3.2 地基处理方案

常用的地基处理方法有换填法、强夯法、振冲碎石桩法和水泥搅拌桩法复合地基等。换填法适用于浅层地基处理，通过改善地基应力分布减少沉降量，提高地基稳定性。强夯法适用于透水性较好的松软地基，对于淤泥质土层需要采取有效的排水措施。振冲碎石桩法利用振动器形成碎石桩，将桩间土挤密，提高承载力，碎石桩为桩间土提供排水通道，加速软土固结。水泥搅拌桩以水泥作为固化剂，利用深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥（浆液或粉体）强制搅拌，与桩间土组成复合地基，提高地基的承载力，减少沉降量。

场区淤泥土层较厚，淤泥质土中有机质含量0.72～1.13%，小于5%；土样的pH 值为8.62～8.98，大于4；地基土塑性指数Ip为9.1～22.3，小于25；灵敏度为2.0～4.0，为中灵敏度土。退水闸紧邻盐场提水泵站。该泵站建于1989 年，结构老化。根据工程特点及场区地质条件，为降低对泵站的影响，闸室、消力池等基坑开挖深度较大部位地基处理采用水泥搅拌桩复合地基，铺盖、护坦等部位选用抛石挤淤方案。

复合地基允许承载力按《水工挡土墙设计规范》公式计算，复合地基土层的压缩模量按《建筑地基基础设计规范》公式计算。

根据土体极限平衡理论，抛石挤淤填筑体下沉深度（D）和厚度（H）满足关系：

式中：fsp，k为复合地基承载力特征值（kPa）；m 为面积置换率；Rkd为单桩竖向允许承载力（kN）；Ap为桩的截面积（m2）；β 为桩间土承载力折减系数；fs，k为桩间土的允许承载力（kPa）；H 为填筑体厚度（m）；D 为填筑体下沉深度（m）；B 为填筑体宽度（m）；t 为淤泥深度（m）；cu为淤泥十字板抗剪强度（kPa）；γs、γg分别为淤泥、填筑体重度（kN/m3）。

经计算，水泥搅拌桩采用正方形布置，桩径0.6 m，桩长12 m，桩间距1.0 m，复合地基允许承载力133.6 kPa，地基最终沉降量11.2 cm，最大沉降差0.7 cm。抛石挤淤填筑体厚度5.0 m，下沉深度1.16 m，抛石挤淤层设计厚度取1.5 m，履带机碾压至建基面高程。处理后，承载力及沉降量均满足规范要求。

4 基坑支护

4.1 基坑支护方案

基坑开挖常用的施工方法有放坡开挖和不放坡开挖。受提水泵站、引水渠等影响，闸室基坑不具备放坡开挖条件，须采取有效的支护措施确保施工安全。根据沧州沿海地区的经验及工程地质条件，结合工程特点，比较适合的支护方案包括深层搅拌水泥土围护墙、钢筋混凝土灌注桩和钢板桩支护。深层搅拌水泥土围护墙采用深层搅拌机械就地将土和输入的水泥浆强行搅拌，形成连续搭接的柱状水泥土加固挡墙，墙体兼具挡土和止水功能，依靠加固墙体自身刚度保护基坑土壁安全，适用于深度小于6 m的基坑，墙体强度受地下水影响较大。钢筋混凝土灌注桩和钢板桩均通过桩体连续搭接形成支挡结构连续墙，适用于深度小于6 m 的基坑或沟槽，但钢板桩支护在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施，支护结构刚度小，开挖后变形较大。

退水闸基坑呈沟槽状，地下水位高，且难以排水。水泥土围护墙受地下水影响，强度难以较长时间保持，有坍塌隐患。钢筋混凝土灌注桩支护效果好，但施工期长，投资高。钢板桩支护可重复利用，但易产生变形，支护效果较差。考虑基坑支护轻微变形对施工影响不大，同时支护规模较小，经综合考虑，选用钢板桩支护方案。受地质条件影响，单排钢板桩难以形成稳定支挡结构，选用双排钢板桩支护方案。钢板桩选用拉森SP-Ⅳ型，规格400 mm×170 mm×15.5 mm（宽×高×厚），延米钢板桩参数A=242.5 cm2，W=2 200 cm3，[δ]=215 MPa，桩长15.0 m，两排桩间距5.0 m，顶部设冠梁，采用拉杆连接，冠梁、拉杆均采用15#工字钢，闸室段基坑支护如图1所示。

图1 闸室段基坑支护结构（单位：m）

4.2 基坑支护计算

4.2.1 整体稳定性计算

按照《建筑基坑支护技术规程》，双排桩支挡结构采用滑弧滑动条分法进行分析，整体稳定性可按下式进行稳定性验算，悬臂式支挡结构的嵌固深度应符合嵌固稳定性要求。

式中：Ks为圆弧滑动整体稳定安全系数；Ks，i为第i个滑动圆弧的抗滑力矩与滑动力矩的比值；cj、φj分别为第j 土条滑弧面处土的粘聚力（kPa）、内摩擦角（°）；bj为第j 土条的宽度（m）；θj为第j 土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角（°）；lj为第j土条的滑弧段长度（m）；qj为作用在第j 土条上的附加分布荷载标准值（kPa）；ΔGj为第j土条的自重（kN）；uj为第j土条在滑弧面上的孔隙水压力（kPa）；Kem为嵌固稳定安全系数；Eak、Epk为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力合力的标准值（kN）；Za1、Zp1分别为基坑外侧主动土压力、内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离（m）。

基坑支护稳定性根据设计方案，按弹性支点杆系有限元法计算，被动土压力按弹性地基梁考虑，其水平抗力系数采用m 法。排桩为临时围护结构，按作用在弹性地基上的弹性地基梁来计算，土层对墙体的作用采用一系列弹簧进行模拟。围护结构在施工阶段按照荷载“增量法”原理模拟施工全过程进行内力及位移分析计算。基坑支护体系稳定计算结果，详见表2。

表2 退水闸基坑支护体系稳定计算成果

4.2.2 支护结构承载力计算

双排钢板桩围堰设计根据《基坑工程手册》，采用下列方法计算。

（1）视内外板桩为嵌固于基坑面以下0.5～1.0 m的悬臂梁，且内外板桩顶端拉杆处位移相等，计算拉杆拉力和板桩最大弯矩。

（2）视内外板桩分别为各自独立的单排板桩，按单排板桩计算拉杆拉力和板桩最大弯矩。

本工程承载力计算视内外板桩为各自独立的单排板桩，按单排板桩计算，成果详见表3。

表3 退水闸基坑支护结构承载力计算成果

钢板桩及拉杆抗弯强度验算均满足要求，闸室段和消力池段钢板桩变形分别达到126、184 mm，考虑施工周期不长，基坑支护时顾及作业空间要求，支护范围较建筑物外轮廓线向两侧均外扩了1.0 m，施工期间通过加强监测，及时对变形较大部位进行补强，未对工程施工造成较大影响。

5 结论

水泥搅拌桩复合地基处理通过强制搅拌使水泥与软土固结，不仅提高了地基承载力，减小了沉降量，同时改善了土体结构，提高了边坡稳定性，为场区基坑支护提供了有利条件。

工程区位于河北省黄骅市的冀东沿海一带，地下水埋深浅，基坑深度范围淤泥质土富水性差，但排水难度大。为避免产生流砂、管涌、坑底突涌，防止坑壁坍塌，保证施工安全、减少开挖对周围环境的影响，基坑开挖前应采取有效的排水措施和可靠的隔水措施。

双排钢板桩作为整体门式钢架结构，大大提高了支护结构整体稳定性和抗倾覆能力，由于桩间土的存在，前后排桩之间产生弹性约束，有效降低了桩身内力。方案简单易行，在华北沿海地区有很好的借鉴性。