PHC桩及水泥搅拌桩联合技术在水闸地基处理中的应用

蒋爱辞 戴菊英

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.河南省城市水资源环境工程技术研究中心，河南 郑州 450003)

1 引 言

水闸在水利工程中有着广泛的应用，地质条件的千差万别决定了水闸地基处理的复杂多样性。地基承载力不足是水闸地基最为常见的问题之一[1]。黄河下游地貌以冲洪积平原为主，地下含水层主要为壤土、砂壤土和粉砂层，地下水类型主要为孔隙潜水，因此土层中存在可液化土层埋深大且密实度不好，地基易发生液化现象[2]。由此可见，黄河下游水闸存在承载力不足和液化现象双重问题。本文以引黄入冀补淀工程老渠村涵闸为背景，针对水闸基础存在的承载力不足和液化现象进行处理方法探讨[3]。

引黄入冀补淀工程主要任务是在保障河南、河北沿线部分地区农业用水的前提下，为白洋淀实施生态补水。工程输水线路途经河南、河北2省6市22个县市区，线路总长482km，渠首设计引水总流量为150.0m3/s，总灌溉面积465.10万亩，为Ⅰ等工程。引黄入冀补淀渠位于河南省濮阳市，渠首段采用新、老渠村闸联合供水，经明渠输水至白洋淀。由于地质条件，老渠村涵闸地基存在承载力偏低及地震液化问题，经过方案比较，最终确定采用预应力混凝土管桩(PHC桩)与水泥搅拌桩联合处理方法对老渠村涵闸基础进行地基处理[4-5]。

2 工程概况

2.1 工程布置

老渠村涵闸由上游连接段、闸前铺盖段、闸室段、涵洞段、出口消力池段和出口渐变段组成。老渠村涵闸总长182m，其中闸室部分长14m，涵洞段长168m。闸室部分总宽度31.62m。闸室共6孔，5孔灌溉，每孔净宽4.4m，1孔供水，净宽2.0m，闸孔净高4.4m，闸底板高程55.30m，闸墩顶高程65.40m，上部设启闭机房，启闭机平台高程72.30m，启闭机房净高3m。闸室采用整体式，共分两联，均为三孔一联。闸底板高程55.30m，闸墩顶高程65.40m，设计水位58.63m。老渠村涵闸上游立视图见图1。

图1 老渠村涵闸上游立视图 (单位：m)

2.2 工程地质情况

老渠村涵闸基础持力层为ⓑ层的黏土、壤土。该层承载力特征值90～110kPa，地基承载力偏低；地震动峰值加速度为0.15g(相应地震基本烈度为Ⅶ度)，地表以下深度15m范围内存在黏粒含量小于17%的土层，存在地震液化现象，因此地基不能直接作为涵闸基础持力层，需进行地基处理。

3 水闸地基应力计算

作用在闸室上的主要荷载有闸室自重、永久设备自重、水重、静水压力、扬压力、浪压力、地震力、淤沙压力、土压力等。

基底应力按材料力学偏心受压公式进行计算，当结构布置及受力情况对称时，按式(1)计算：

(1)

式中：∑G为作用在闸室上全部竖向荷载，kN；A为闸室基底面的面积,m2；∑Mx、∑My为作用在闸室上的全部竖向和水平向荷载对基础底面形心轴x、y的力矩,kN·m；Wx、Wy为闸室基底面对于该底面形心轴x、y的面积矩,m3。

闸室地基应力计算成果见表1。

表1 闸室地基应力计算成果

计算结果表明，特殊组合的地震工况为控制工况，老渠村涵闸基地震工况下最大地基应力为221.45kPa，而该层承载力特征值90～110kPa，地基承载力偏低，显然水闸地基天然基础承载力不能满足要求，需进行地基处理。

4 水闸地基处理方案

4.1 常用地基处理方案比较

结合工程地质条件和工程经验，地基处理常采用的有钢筋混凝土灌注桩、CFG灌注桩、预应力混凝土管桩、高压旋喷桩、素混凝土桩等[6-8]，采用合适的桩径和桩长都可以满足地基承载力要求。

素混凝土桩：在结构设计中没有考虑配筋问题，采用混凝土直接浇筑而成，承载力比较低，容易开裂，抗弯性能差，延性低，主要用于承载力要求较低的中小型工程。

钢筋混凝土灌注桩：本工程为穿堤涵闸，地质条件为壤土，工期紧，采用钢筋混凝土灌注桩处理存在投资过高、工期过长等问题，本工程不予考虑。

CFG桩(即水泥粉煤灰碎石桩)：适用于处理黏性土、粉土、砂土和已完成自重固结的素填土等地基。但CFG桩施工工艺要求高、受地下水影响因素大、质量不可靠，本工程不予考虑。

高压喷射注浆法：主要用于加固地基，可提高土的抗剪强度，改善地基的变形性质，也可组成闭合的帷幕，可用于截阻地下水流和治理流砂。适用于砂类土、黏性土、湿陷性黄土、淤泥和人工填土等多种土类，对于砾石粒径过大，含腐殖质过多的土壤加固效果较差；对地下水流较大及有严重腐蚀的地基土也不宜采用。

预应力混凝土管桩(PHC管桩)有以下优点：

a.桩承载力高：混凝土强度等级不小于C80，承载力高，抗弯性能好，比其他桩高2～5倍[9]。由于PHC管桩桩身混凝土强度高，可打入密实的砂层和强风化岩层，PHC管桩承载力设计值要比同样直径的沉管灌注桩、钻孔灌注桩和人工挖孔桩高。

b.应用范围广：PHC管桩是由侧阻力和端阻力共同承受上部荷载，可选择强风化岩层、全风化岩层、坚硬的黏土层或密实的砂层等多种土质作为持力层，且对持力层起伏变化大的地质条件适应性强，广泛应用于高层建筑以及工业与民用建筑低承台桩基础，铁路、公路与桥梁、港口、水利、市政、码头等工程基础[10]。

c.沉桩质量可靠：PHC管桩是工厂化、专业化、标准化生产，桩身质量可靠，在生产过程中可有效控制桩体质量；运输吊装方便，接桩快捷；机械化施工程度高，易控制；在承载力、抗弯性能、抗拔性能上均易得到保证。

d.工程造价低：PHC管桩的单位承载力造价在诸多桩型中较低。

e.工期短：PHC管桩施工速度快、工效高、工期短，经济效益好。

经过以上对比分析，本工程考虑采用素混凝土桩、高压旋喷桩、预应力混凝土管桩等对涵闸地基基础进行处理，各方案投资对比见表2。

表2 地基基础处理方案投资对比

经分析，素混凝土灌注桩存在投资大、钻孔护壁困难、施工工期长等缺点；钢筋混凝土灌注桩处理存在投资过高、工期过长等问题；CFG桩施工工艺要求高、受地下水影响因素大，质量不可靠；高压旋喷桩也存在投资大、施工质量难以保证等缺点。预制混凝土管桩具有施工速度快、质量与工期均能得到保证以及投资最少等优点，因此老渠村涵闸地基采用预制混凝土管桩复合地基处理方案。

4.2 地基处理方案设计

4.2.1 承载力计算

PHC桩复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，设计时可按式(2)初步估算：

(2)

式中：fspk为复合地基承载力特征值,kPa；λ为单桩承载力发挥系数，可按地区经验取值，一般取0.8～1.0；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值,kN；Ap为桩的截面积,m2；β为桩间土承载力发挥系数，可取0.75～0.95；fsk为处理后桩间土承载力特征值,kPa，无经验时可取桩间土天然地基承载力特征值。

单桩竖向承载力特征值Ra，当无单桩载荷试验资料时，可按式(3)估算：

(3)

式中：up为桩的周长,m；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi为桩周第i层土的侧阻力,kPa；li为桩长范围第i层土的厚度,m；αp为桩端阻力发挥系数；qp为桩端阻力特征值,kPa。

4.2.2 地基处理措施

综合考虑老渠村涵闸的施工质量、进度及投资等因素，结合项目地质条件、周围环境及工期目标，经反复讨论论证，涵闸基础处理采用预应力混凝土管桩加双排水泥土搅拌桩联合支护形式。先施工预应力混凝土管桩，之后再施工水泥搅拌桩围封。受地下水位影响，施工过程对基坑进行降排水。地基处理方法如下：

a.闸基承载力不足的基础处理。针对闸基础承载力不足问题，老渠村涵闸闸室段采用(PHC桩)刚性桩复合地基方案：预应力混凝土管桩为AB型，壁厚0.125m，桩径0.5m，桩长25m，正三角形布置，桩间距2.0m，桩顶设0.3m厚水泥土垫层。预应力混凝土管桩施工程序为：清理并平整场地→测量定位→桩机就位→锤击沉桩→再锤击→收锤。闸基地基处理方案平面设计布置见图2。

图2 水闸地基处理方案平面设计布置图 (单位：m)

b.水闸地基地震液化处理。针对在地表15m深度范围内，地基土中壤土(黏粒含量小于17%)、砂壤土存在地震液化问题，考虑到工程为穿堤涵闸，不宜采用碎石桩、砂桩等常用的抗液化地基处理方案，应选择与土结合紧密防渗性能好的方案，因此可选择水泥搅拌桩或高压旋喷桩等大面积处理或围封方案，经分析比较采用造价较低施工可靠的水泥搅拌桩围封方案。水泥搅拌桩桩径0.6m，桩间距0.4m，深度10m，双排壁状布置。施工工艺为：测量放线→桩机就位→下钻喷浆→水泥浆制备→提升喷浆搅拌→重复下钻喷浆→提升喷浆搅拌→搅拌机清洗移位。

c.基坑降排水。由于老渠村闸闸室基础高程为54.29m，开挖最低高程至53.79m，地下水位为59.1m，为使土方开挖、基础处理及后续混凝土浇筑在干地施工，施工过程采用人工方法降低地下水位。根据地质资料，闸室基础为砂壤土，渗透系数K为1×10-4cm/s，地下水位需要降低6m，根据各类井点排水适用的范围，本工程基坑降水采用轻型井点法。采用以上布置方案对进行基础加固处理，对复合地基载承载力进行复核，水闸地基的容许承载力值可从100kPa提高至245.0kPa，大于基底应力最大值221.45kPa，可满足涵闸对地基承载力的要求，同时采用水泥搅拌桩围封方案有效解决了水闸地基地震液化问题。

老渠村闸建成后，对闸室进行基础沉降观测，观测数据显示，采用预制混凝土管桩基础加双排水泥土搅拌桩联合支护处理后，左右联涵闸基础沉降均匀，后期沉降趋于稳定，效果良好。

5 结 语

水闸地质条件是水闸建设成败的一项重要因素。设计中应根据水闸地基的特点，考虑不同受力条件及各种工况，遵循安全、经济、合理的原则，通过对地质条件深入分析及方案比较，最终选定最优的处理方案。冬季施工或跨季施工，温差较大，应采取冬季施工措施，水泥土搅拌桩施工过程应对拌和水加温处理，并保证搅拌泵出机温度和喷浆口温度，对成品桩采取阻燃草垫防冻保温等措施。PHC桩施工过程应控制接头焊接质量，必须经常检查桩机钢丝绳的强度，对机械设备采取防冻防寒等措施。

本文以引黄入冀补淀工程老渠村涵闸地基处理为实例，对地基处理常用的处理方法进行比较，最终选定预应力混凝土管桩，预应力混凝土管桩(PHC桩)具有强度高、安全可靠、经济实用、施工便捷等优点。

预应力混凝土管桩与水泥土搅拌桩两种处理方法相互结合，可以发挥各自优势，有效节约工程投资。预应力混凝土管桩与水泥土搅拌桩围封方案在引黄入冀补淀工程老渠村涵闸地基处理中的成功应用，较好地解决了目前黄河下游涵闸建设过程中存在的地基承载力不足、地基轻微液化等问题，大幅度提高了工程施工质量和安全稳定性，有效降低了工程施工材料成本支出和施工周期，为不同地质条件下闸基地质问题处理方案的选定提供了参考，具有较高的推广价值。