水利工程中复合地基在软弱地基中的应用

杨飞鹏

（西安市水利规划勘测设计院,陕西 西安 710054）

1 引言

水利工程是国家民生工程,是关系到人民生命财产安全的重要工程。通常情况下,水工建筑物建在环境恶劣、位置较偏远的河流地带,受工程地质和水文影响较大。尤其是遇到不良、较差的地质条件,对建筑物的基础处理提出了更高的要求,需满足地基承载力、控制沉降量、降低渗透量等相关要求。因此,为了提高其地基承载力、改善其变形性能和渗透性能等,需对地基进行处理,使其处理后满足设计要求,因此地基处理是一项非常重要的工程内容,并且要做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境。

2 地基处理常用方法

近年来,随着越来越多的水工建筑物建在地质条件较差的软弱基础上,软基地基处理技术也越来越成熟,不同的地基处理技术应用于广泛的工程当中。同时也出现了更多新的地基处理技术,其中复合地基加固技术取得了显著的成效。

表1 地基处理常用方法汇总表

复合地基就是部分土体被增强或被置换,形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基。复合地基的概念最早是由日本学者在20 世纪60 年代初提出来的,当时指砂井地基计算的数学模型,伴随着在国内外实际工程中的广泛应用,已发展至今天较为成熟的地基处理技术。常见的复合地基方式有：砂石桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩复合地基、夯实水泥土桩复合地基、水泥土搅拌桩复合地基、旋喷桩复合地基、多桩型复合地基等方式。

3 研究依托项目工程

本次研究项目依托西安市渭河以北清河流域上某工程,主要工程内容为修建一座拦河坝,坝长102 m,坝高2.5 m,主要建筑物有拦河坝铺盖、坝座、消力池、海漫、抛石防冲槽、挡土墙等,拦河坝工程等别为Ⅴ等小（2）型,拦河坝建筑物级别为5 级,防洪标准确定为20 年一遇洪水,相应洪水洪峰流量为324 m3/s。根据拦河坝坝基及建筑物荷载计算确定,拦河坝坝基及消力池基础地基承载力为140 kPa。

3.1 水文地质概况

3.1.1 水文情况

清河流域属暖温带大陆性季风气候区,四季分明,夏季炎热、多雨,冬季寒冷干燥。工程区气象特性借用三原县气象站实测资料说明,多年平均气温13.2℃,极端最高41.6℃,极端最低-20.8℃；多年平均降水量536.6 mm,最大降水829.7 mm,最小365.3 mm。降水主要集中在夏季,5月～8月降水量占全年降水量的52%；多年最大风速13.4 m/s,多年平均年最高气压994.3 hPa,相对湿度70%,最大冻土深度0.16 m,平均冰冻时间94.8 d。

3.1.2 地质概况

工程区地貌单元为清河一级阶地及河漫滩,两侧为黄土塬地貌。河流断面呈平缓“U”字型。河流主流沿坝址中部流过,河道内河槽与河滩分明,河槽较窄,宽度10.0 m左右,河床地面高程367.00 m～370.40 m,河床比降6.3‰,清河流向由西北往东南方向。

坝址区地下水水位埋深为0 m～5.2 m,在20.0 m范围内有饱和砂土及粉土层分布,依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）,勘察区地震基本烈度为Ⅷ度,场地地基土属中软土,场地类别为Ⅱ类,坝基土均处于水位以下,属饱和砂土,为易液化地基。

坝基场地位于清河河漫滩与一级阶地,坝基土由②层粉质粘土、③层粉质粘土、③1粉土、④层黄土组成。③1粉土分布于河漫滩下部,呈密实状态,可作为拦河坝的天然地基持力层。④层黄土分布于左右坝肩,可作为拦河坝的天然地基持力层。②层粉质粘土、③层粉质粘土分布于河漫滩、河床地段。

拦河坝坝基土主要由粉质粘土、黄土组成,坝基土土层分布连续、厚度较均一,且厚度远大于坝体高度,同时粉质粘土层结构层面基本于地平面平行,②层粉质粘土、③粉质粘土呈软塑状态,存在软弱下卧层。坝基抗滑稳定性差,需对地基基础进行加固处理。

图1 处理前坝基土层现状图

3.2 施工条件

地基处理施工期间,工程区河道流域降雨频繁,降雨量较往年大幅增加。同时上游水库不间断泄洪,上游围堰水位持续抬升,坝址处地下水位明显偏高。加上坝基位于某水库库尾新沉积的弱透水性饱和性粉质粘土之中,含水率较勘察期明显增大,施工现场降水效果较差,施工环境比较差。给工程施工造成了一定的困难,工程安全也有一定的隐患。因此要选择利于施工的地基处理方案,并且需要格外注重地基处理的效果。

3.3 施工概况

拦河坝坝基及消力池基础地基承载力为140 kPa,而由于坝基位于②层粉质粘土层上,地勘报告中承载力标准值仅为80 kPa,经现场实际查勘,②层粉质粘土深8 m～10 m,成软塑状,工程性能差,需对其进行处理才能作为拦河坝基础。

经过多方案比选,采用水泥土搅拌桩和沉管碎石挤密桩的多桩型复合地基方式处理此次软弱地基。设计水泥土搅拌桩布置方式为矩形布置,桩长为8 m～10 m,设计桩径为0.5 m,沿水流净距为1.5 m,垂直水流方向净距为1.0 m,共1650 根。设计沉管碎石挤密桩布置方式为等腰三角形,腰长（中心到中心）0.625 m,底边长0.75 m,桩长平均为8 m～10 m,以到持力层为准,共4502 根。

图2 地基处理布桩平面图

根据《建筑地基处理规范》（JGJ 79-2012）中7.9 条多桩型复合地基规定,对具有粘接强度的桩和散体材料桩组合形成的复合地基承载力特征值：

式中：m1、m2分别为桩1、桩2的面积置换率；（将具有粘结强度的水泥土搅拌桩作为桩1,将散体材料的沉管碎石挤密桩作为桩2）

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）中知：

式中：d为桩身平均直径,m；de为根桩分担的处理地基面积的等效圆直径,等边三角形布桩de=1.05s,正方形布桩de=1.13s,矩形布桩；S、S1、S2分别为桩间距、纵向间距和横向间距（桩与桩中心点距离）。

桩1的面积置换率：矩形布置,S1=1.5 m, S2=1.0 m。

桩2的面积置换率：等腰三角形布置S1=0.75 m, S2=0.625 m,按照等边三角形计算,选择较大边长保守计算,de=1.05s=1.05×0.75=0.79 m

式中：1为为桩1的单桩承载力发挥系数；应由单桩复合地基试验按等变形准则或多桩复合地基静载荷试验确定,有地区经验时也可按地区经验确定；设计取0.8；Ra1为桩1的单桩承载力特征值；考虑现状水泥土搅拌桩成桩效果较差,取检测结果113 kPa；Ap1为桩1的截面面积；β为仅由散体材料桩加固处理形成的复合地基承载力发挥系数,根据经验查取相关文献一般取0.8～1.0,取为0.8；n为仅由散体材料桩加固处理形成的复合地基的桩土应力比；宜采用实测值确定,如无实测资料时,对于黏性土可取2～4,对于砂土、粉土可取1.5～3,本次取为3；fsk为仅由散体材料桩加固处理后桩间土承载力特征值；本次取天然地基承载力特征值（kPa）80kPa。

同时,设置褥垫层厚0.8 m,采用10 mm～80 mm的级配碎石,压实后相对密度不小于0.7,夯填度不大于0.9。

施工时,先进行水泥土搅拌桩施工,待到桩成型后再进行沉管碎石挤密桩施工,这样避免破坏水泥土搅拌桩发挥效果。同时,施工沉管碎石挤密桩可有效增加工程区排水效果,减少液化,加速水泥土搅拌桩成桩。

经理论计算,水泥土搅拌桩和沉管碎石挤密桩形成的多桩型复合地基承载力特征值：fspk=165.2 kPa。

根据对拦河坝工程坝基、消力池复合地基检测,结果显示,该种布置方式复合地基承载力载荷试验值达到为160 kPa,与理论计算结果较为符合,满足要求。

4 结论

（1）地基处理工程施工完成后,持续对坝基进行了近半年的沉降观测,未发生明显沉降或裂缝。

（2）拦河坝主体建成后,已经开始蓄水,目前已运行状况良好,未发生沉降。

（3）本次地基处理加固方案为以后在类似的工程中,提供了重要的参考意义,对周边同等地质条件下修建拦河坝具有显著的参考价值。

综上所述,多桩型复合地基在处理软弱地基过程中具有显著的效果, 在水利工程中采用该方式加固地基,既能发挥水泥土搅拌桩提高承载力的作用,又能发挥碎石桩处理液化土层的作用,同时施工进度快,提高了地基稳定性,保证地基处理效果,确保了工程安全。