水泥搅拌桩在东榆林水库库区深厚软土地基加固中的应用

2022-05-25刘蓥蓥

黑龙江水利科技 2022年4期

刘蓥蓥

(北京中水利德科技发展有限公司太原分公司，太原 030024)

0 引言

大量工程实践证明，深层水泥搅拌桩是加固软弱土基的有效技术，其主要利用水泥、石灰等材料为固化剂主剂，应用特殊的深层搅拌机械，在地基深处就地进行固化剂和软弱土体的强制搅拌，使其发生物化反应，并固结为整体稳定性、水稳性良好，且具备一定强度的复合地基，最终达到软土地基加固处理的目的。

1 工程概况

东榆林水库修建在海河流域永定河水系桑干河干流上游，水库动工兴建于1970年，但因规划设计方案重新研究等原因，中途停工12个月，此后于次年年初再度恢复建设，1978年底竣工蓄水，1983年全国范围内定期开展的“三查三定”核定后所给出的该水库评定结果为：工程规模方面能够达到1000a一遇洪水校核标准。2002年进行了该水库除险加固，施工结束后，水库达到100a一遇洪水设计标准，1000a一遇洪水校核标准。该水库属于以灌溉为主，兼顾行洪蓄水功能的中型水库，大坝坝址控制流域面积3430km2，设计灌溉面积2.4万hm2，灌溉供水保证率为50%，下游防洪保护范围425km2，设计总库容6500×104m3，校核洪水位1041.20m；兴利库容2977×104m3，正常蓄水水位1040.60m。

该水库自建库运行以来并未进行完善的防护治理，库区生态环境持续恶化，当水库在持续高水位运行状态下，水面对岸坡持续冲刷侵蚀，导致岸坡坍塌现象普遍存在；库区淤积造成水库水质下降；降雨侵蚀使水土流失问题严重。为减少水土流失，提升库区水质，丰富旅游资源，改善当地投资环境，水库管理部门于2020年实施了库区左岸生态防护、右岸副坝防护、东榆林支沟整治防护、桥梁及其他配套生态治理防护系列工程。

2 加固方案选择

2.1 方案比选

结合该水库库区地质勘查结果，项目区左岸地基土属于全新统低液限粉土，且土层厚度大，承载力不高，但地下水位较高，无形中增大了施工难度。结合类似工程软土地基加固实践经验，该水库库区深厚软基加固可以采用水泥搅拌桩和高压旋喷桩两种复合地基加固方式，从适用范围，桩径、桩长，桩身强度，地基强度，能耗，对场地的要求，对周边环境影响，经济性等角度进行两种加固方式的比较，详见表1。

通过以上比较可以看出，水泥搅拌桩加固技术能通过抑制地基中孔隙水压力升高以及桩间土液化，使地基抗液化能力显著提升，并使搅拌桩复合地基在地震荷载作用下的沉降显著减小，提升地基抗水平形变能力，可有效处理地基液化问题[1]。故该水库库区深厚软基加固应选用水泥搅拌桩复合地基方案，在该水库库区左岸悬臂式挡墙基础范围内，采用深层搅拌桩机械强制搅拌地基土和固化剂，以形成复合地基。

2.2 加固方案设计

采用水泥搅拌桩进行水库库区深厚软土地基加固的目的在于改善深厚软基压缩性，并有效控制其沉降量。为此，桩长的设计必须能保证其成功穿越整个软土层，减去路面结构层和垫层厚度后，水泥搅拌桩应从库区软土地基表面以下2.0m开始，回填土段桩长和淤泥段桩长分别按5-7m和12-14m确定，总长度控制在19-22m。

水泥搅拌桩结构是介于刚性结构和柔性结构之间的一种桩体，桩身受到荷载的作用后会表现出一定程度的压缩，使桩与桩间土同时发生下沉。故设计阶段忽略填土层所施加的侧壁摩擦力，在确定桩身长度时仅取淤泥土段长度12m。因桩身水泥土强度不够，随着摩擦桩长的增大，桩底应力将越来越小，其结构也愈加偏安全，所以设计时暂不考虑桩端反力[2]。

1)单桩竖向承载力：

(1)

式中：Ra为水泥搅拌桩单桩承载力，kN；up为水泥搅拌桩周长，m；qsi为桩周第i层土侧阻力，kPa，淤泥、淤泥质土、软塑状黏土及可塑状黏土分别取5.0kPa、8.0kPa、12.0kPa和18.0kPa；li不桩长范围内第i层土体平均厚度，m，淤泥质土、软塑状黏性土及可塑状黏性土分别取1.0m、4.5m和1.5m；qp为桩端地基土承载力未修正值，kPa，取80kPa；α为桩端天然地基土承载力折减系数，取0.5；Ap为水泥搅拌桩截面积，m2。

2)复合地基承载力：

(2)

式中，fspk为复合地基承载力，kPa；λ为单桩承载力系数，取0.9；m为面积置换率，%；β为桩间土承载力洗漱，取0.5；sk为加固后桩间土承载力，kPa，主要根据静载荷实验结果确定；也可根据天然地基承载力特征值取值，取50kPa；其余参数含义同前。

该水库库区深厚软土地基加固用水泥搅拌桩设计桩长为7m，桩径0.5m，桩间距1.1m，并按正方形布桩，面积置换率0.162%，所得到的单桩竖向承载力为147.6kN，复合地基承载力130.5kPa，均满足相关规范对地基承载力和结构稳定性方面的要求。

3 加固施工及检测

3.1 施工工艺

该水库库区深厚软基加固所用水泥搅拌桩设计桩长较长，在所在地区较为少见，故施工单位将设计转速60r/min、功率30kW的GZB-500型单轴搅拌机改进后使其施工桩长达到20m，为确保全部桩均扎打至硬土层，必须将桩长超出20m的桩地面土层厚度剥除1-2m。采用二喷四搅法施工的过程中，先试搅拌，检测结果显示的淤泥质土段桩身水泥土均匀性未达到设计要求，且试样强度和室内相同配比试块的试验结果存在较大差距，经项目组研究后决定增大钻头叶片，并将喷浆提升速度减缓至0.65-0.80m/min，并增大复搅次数，使试样强度显著改善。

水泥搅拌桩加固施工过程中，局部桩位处上部回填土靠近表面2.0cm厚处存在较大石块，经处理后的搅拌头能穿越该层，但会增大施工机械磨损，降低工效。为此，将石块层挖除后再换填素土，工程量无较大增加，但使机械磨损和工效降低问题得以有效缓解。

3.2 水泥土配合比

水泥土强度主要受固化剂类型及掺量、待加固土体性质、加固龄期等因素影响，本工程水泥搅拌桩设计计算时采用室内配合比强度，确定采用P.O52.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.5∶1，石膏、水泥及减水剂比为2∶100∶0.2。该水库库区深厚软基加固水泥搅拌桩桩身应力上大下小，且回填土含水量、孔隙比均比淤泥质土小，在掺入比相同的情况下，上部回填土强度自然较大，为减小深部土的压缩性，对水泥土强度也有相关要求。为简化分析，该工程水泥搅拌桩水泥掺量应沿整个桩长保持不变。

3.3 成桩检测

该水库库区深厚软基水泥搅拌桩成桩10-12d后采用标贯带钻头抽芯成块后按照2.0m间隔进行标贯试验，以检测成桩质量，共检测了14根桩，在成桩总数中占比1.0%。检测结果详见表2。从表中检测结果可以看出，回填土段水泥质量均满足设计要求，淤泥质土黏土段满足施工质量要求的水泥桩强度与室内试验结果较为接近，且其标贯击数达到天然地基的3-5倍，比规范要求值多出至少1倍[3]。

表2 成桩质量检测结果

取两根水泥搅拌桩进行单桩竖向静载试验，最大试验荷载按照单桩竖向承载力设计标准值的两倍选取，试验所得荷载-位移关系曲线详见图1所示，其中1#试桩龄期42d，2#试桩龄期22d，曲线显示的试验荷载下两根水泥搅拌桩沉降量最大值分别为7.86mm和12.36mm，位移情况均处于正常状态，且单桩承载力≥140kN，复合设计要求。