振冲碎石桩复合地基处理技术在某水闸加固设计中的应用

李书博

(辽宁省水利水电科学研究院有限责任公司沈阳分公司，辽宁 沈阳 110003)

复合地基是指在地基处理过程中，加固或更换自然地基中的部分土壤，或在天然基础上安装加固材料，加固区由天然地基土或改良天然地基土及加固材料组成。由天然地基土或改进的天然地基土和增强体承担负载。对于欠固结土、湿陷性黄土、液化土等特殊土体，必须选择适当的加固施工工艺。以此来消除欠固结、湿陷性和液化现象，形成复合地基。

振冲碎石桩采用的是振动水冲法的施工工艺，用碎石桩取代原有的地基土，使砂砾体对原有地基土起到加固作用。在由石头制成的桩基础上，桩和原始土壤形成复合地基，提高基础承载力。目标是减少地基的压缩性，消除液化的破坏。

1 概况

辽阳县墙缝大闸建成于1978年，为涵洞式水闸，属穿堤建筑物。工程位于浑河左岸大堤上，防洪标准50a一遇，由进水段、涵闸体和出水段3个部分组成，总长度为125.30m。原来的建筑项目三级水平，和工程Ⅲ类水平。该闸门设计排涝流量为110.00m3/s，标准为20a一遇。工程至今已运行近40a，水闸金属结构老化严重从而导致水闸的安全及功能下降。由于长期缺乏稳定投入机制，墙缝大闸的运行管理及工程维修养护费用严重不足，难以进行必要的维修工作，水闸操作、观察等设施相对较陈旧，管理模式相对滞后，严重制约了水闸的日常管理，根据安全评价，水闸为Ⅳ类，需拆除重建。

墙缝大闸除险加固工程在原址进行拆除重建，设计闸体全长161.10m，闸室总宽15.90m，每孔过水尺寸为3.0m×3.0m，在闸室内设检修工作桥、排架及启闭平台。

2 工程地质

根据地质勘察报告对闸址地基描述，该工程基础共分为6层，其中②层粉质黏土呈软塑性-流体塑性状态。当压缩率高时，承载能力的特征值为80kPa。当承载能力较低，稳定性差，可能会产生不均匀沉降，该层基础地面与闸基土间摩擦系数建议值为0.21；③层细砂层呈松散状态承载力特征值为90kPa，承载能力较低，稳定性差，在7度地震烈度下将发生轻微—中等液化。④层细砂层呈稍—中密状态，其承载能力特征值为140kPa，承载能力相对较高，透水性适中，存在渗漏和渗流稳定性问题；⑤层细砂层呈中—密实状态，其承载能力特征值为200kPa，具有相对较高的承载能力，透水性适中，存在渗漏和渗流稳定性问题；⑥层粉质黏土层为塑性状态，压缩性适中，其承载能力特征值为180kPa，具有相对较高的承载能力，稳定性好，透水性微小，渗漏稳定性问题不严重;⑦层细砂层呈密实状态，环承载能力特征值为230kPa，具有相对较高的承载能力，渗透率中等，存在渗漏和渗流稳定性问题；闸基主要受力层②层粉质黏土及③层细砂层承载力偏低，为主要软弱下卧层，有可能出现不均匀沉降。为了防止在地震液化和基础的不均匀沉降，提高承载力的基础上，同时为避免闸室、涵洞及进出口翼墙产生滑移破坏，拟对闸室、涵洞及进出口翼墙地基进行基础处理，以满足建筑物对地基的要求。

3 地基处理设计方案比选

根据辽宁省已建成的大中型水闸枢纽工程成功案例，软基处理常用的方式有振冲碎石桩及钢筋混凝土灌注桩2种处理方式[1]，处理部位为闸室、涵洞及进出口翼墙处地基。

根据本工程地质资料，闸下基础各层岩土的分区及阻力标准值见表1。

表1 闸基各土层桩基参数一览表

3.1 钢筋混凝土灌注桩处理方案

3.1.1钢筋混凝土灌注桩处理原理

钢筋混凝土现浇桩是一种承重层，通过桩将结构的全部荷载传递到基础下部，确保结构的安全性和稳定性，该方案的使用可以有效地提高地基承载能力[2]，并且对降低地基沉降具有显著的效果[3]。桩基础采用泥浆护壁灌注桩，桩身直径d=0.80m。不考虑桩间土的影响，桩基应充分承受上部荷载，其计算公式为：

荷载效应标准组合：

(1)

地震作用和荷载效应标准组合：

(2)

单桩竖向承载力特征值Ra计算公式：

(3)

单桩极限承载力标准值计算公式为：

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(4)

式中，NEk—在地震效应和荷载效应的标准组合下，基桩或复合基桩的平均竖向力;G—底板底部上方的垂直荷载，kN；n—桩基础中的桩数;Rα—基础桩的竖向承载力特征值;K—安全系数，K=2;Quk—单桩垂直极限承载力的标准值；Qsk—总极限侧阻力的标准值；Qpk—端阻力的标准值[4]；u—桩周长，m;qsik—估算桩身周围第i层土的极限侧阻力；li—桩身周围第i层土的厚度，m;qpk—极限端阻力的标准值；Ap—桩端截面面积，m2。

3.1.2地基处理计算结果

(1)闸室地基处理计算结果。根据闸室地基地质情况，分别拟定⑤层细砂层和⑦层细砂层作为桩端持力层，进入承重层的深度应不小于桩径的2～3倍，桩径为0.8m。闸底板尺寸为15.9m×12.0m。经计算，水闸底板下方灌注桩矩形布置，桩径0.8m，桩长30m，桩纵横向间距均为2.4m，桩数33根。

(2)进出口翼墙地基处理计算结果。根据进出口翼墙地基地质情况，拟定⑦层桩端采用细砂层作为承载层，进入承载层的深度不应小于桩身直径的2～3倍。桩径为0.8m。选取消力池单块翼墙5.6m×10.0m作为典型设计。经计算，消力池翼墙单块5.6m×10.0m下方灌注桩矩形布置，桩径0.8m，桩长6.5m，桩纵横向间距均为2.4m，桩数58根。进口翼墙下方灌注桩参照消力池设计，矩形布置，桩径0.8m，桩长6.5m，桩纵横向间距均为2.4m，桩数28根。

(3)涵洞段地基处理结果。根据涵洞地基地质情况，拟定⑦层桩端采用细砂层作为承载层，进入承载层的深度不应小于桩身直径的2～3倍，桩径为0.8m。选取上方覆土厚的中间一段涵洞作为典型设计。经计算，涵洞基础灌注桩矩形布置，桩径0.8m，桩长30m，桩纵横向间距均为2.4m，桩数86根。综上计算内容，钢筋混凝土现浇桩基础处理，桩总长度4129m，投资估算460万元。

3.2 振冲碎石桩处理方案

根据基础面承载力要求，本工程设计主要技术重点是减小地基沉降量、处理地基③层细砂液化层。

3.2.1复合地基处理计算结果

计算公式如下：

fspk=[1+m(n-1)]fsk

(5)

(6)

de=1.05s

(7)

式中,fspk—复合地基的承载力，kPa；fsk—桩间土承载力，kPa；n—复合地基装土应力比(计算取3)；m—复合地基面积置换率；d—桩身平均直径，m；de—一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m；s—桩间横纵间距，m，取1.8m。

经计算，复合地基处理后承载力特征值为124.79kPa，根据闸体各部位稳定计算结果，平均应力均小于124.79kPa，计算最大应力均小于124.79×1.2=149.75kPa，满足结构对地基处理的要求。整个闸体共布置振冲碎石桩871根，桩长7m，投资估算为148.80万元。

3.2.2基础处理后液化判别计算结果

基础处理后液化判别计算公式为

N1=Np+100ρ(1-e-0.3Np)

(8)

(9)

式中，N1—打桩后的标准贯入锤击数；ρ—打入式预制桩的面积置换率；NP—根据地勘结果，打桩前的标准贯入锤击数为6.5；Ncr—液化标准贯入击锤数的临界值;N0—液化标准贯入锤击数的基准值；ds—根据地勘结果，饱和土标准贯入点深度为11.22m；dw—根据地勘结果，地下水位为0.3m；ρc—黏粒含量百分率，本次计算取3；β—设计地震第一、二及三组的调整系数分别0.8，0.95和1.05。

复合地基处理后，计算结果详见表2。在地面下20m深度范围内，计算结果详见表3。

表2 桩间土标准贯入锤击数计算成果

表3 液化判别标准贯入锤击数临界值计算成果

根据表2—3的计算结果，可判定本次复合地基处理后满足结构对地基不液化的需要。[5-7]

3.2.3基础处理后沉降计算结果

本次复合地基沉降采用理正岩土5.11版软件计算，结果见表4。

表4 地基沉降计算结果 单位：mm

从上述的计算结果可以得出：闸室部位沉降量为25.21mm，小于规范允许值150mm，满足要求。

3.3 施工难易程度比较

混凝土灌注桩施工主要流程为:施工工序为平整场地→桩位放样→埋设护筒→钻机就位→钻进;⑥清孔→安设钢筋笼→安设导管→灌注水下混凝土→混凝土养生→拔除护筒→钻机移位→破桩头→基桩声测。

振冲碎石桩：振冲碎石桩一般采用“由内向外”的施工顺序[8]，或“从一侧到另一侧”的施工顺序[9]。施工流程如下：造孔→清孔→振冲密实→桩体顶部处理。

从上述施工流程的对比以及实际操作效果来看，振冲碎石桩施工难易程度远小于钻孔灌注桩施工。

3.4 比选结果

根据上述分析，对于辽阳县墙缝大闸除险加固工程中地基处理部分，混凝土灌注桩与振冲碎石桩均能达到提高闸室、涵洞及进出口翼墙部位基础承载力、消除地基地震液化破环的设计目的；从经济角度分析，振冲碎石桩设计方案远比混凝土灌注桩经济，节约了钢筋、水泥等建筑材料，节约投资67.7%；从施工难易程度上，振冲碎石桩也要比混凝土灌注桩易于施工[10]。综上分析，本次辽阳县墙缝大闸除险加固工程中地基处理采用振冲碎石桩处理方法。

4 结语

本次辽阳县墙缝大闸除险加固工程中地基处理采用振冲碎石桩处理方法，合理科学且经济实用，不仅提高了地基承载力，而且消除了地基地震液化的可能性。还满足基础沉降要求，因地制宜，费用低廉，得到省内专家好评，为下一步工程实施打下坚实基础，提供了经济合理的理论依据。