论船闸工程施工中混凝土桩复合地基处理技术

2022-08-06李波

科学技术创新 2022年24期

李波

（湖南省航务工程有限公司，湖南长沙 410000）

地基处理工程中，桩体复合地基应用广泛，通过在原有地基中打桩，使原有地基土体得到加固补强，部分土体被更坚硬的桩体代替，形成桩+原有地基土体的复合地基。按照加固件的方向可将复合地基分为竖向或横向复合地基，桩体复合地基属于竖向复合地基，在荷载较大的软土地基处理中得到广泛应用。相关施工技术规范为工程施工人员提供了各种桩体复合地基方案，然而工程实践中，经常会有工程设计方案通过，实际施工却无法成功实施的现象。为此，本文依托某船闸工程项目，针对其软土地基处理进行了理论分析和试验验证，结合理论与试验数据制定切实可行的水泥混凝土桩处治方案。

1 工程概况

某船闸工程地处市区东南沿河区域，管控的河流面积210.0km2。基于现场地质勘测可知闸左岸地层从上到下为素填土、粗粒砂、粉质粘土。闸底直接由包含鹅卵石的粉质粘土及砂岩层承力，承载力标准值为180kpa、450kpa；工程所在区域的地基土体性质有显著差异，不均匀沉降威胁船闸的安全运行，因此，需重点研究该船闸底部原有地基的加固处治方案，结合实际情况采用水泥混凝土桩复合地基处理，并验证该方式的可行性。

2 工程地质情况

层1-1 为种植土层（Qml4），其中揭露层底深部海拔高程20.08m，厚0.45m。外观呈黄褐色，结构湿润松散，呈可塑状，土体中有大量植物根系，且集中在靠近水体的滩涂区域。

层1-2 为杂填土层（Qml4），其中揭露层底深部海拔高程为19.04～23.68m，厚0.65～1.25mm。层土体回填时间4 年以上，土体外观颜色包括灰褐色，密度较大、水分含量较高，集中在堤坝内侧滩涂区域。

层1-3 为素填土层（Qml4），其中揭露层底深部海拔高程19.34～22.88m,厚0.65～3.95m，土体外观呈黄灰色，结构稍密，水分含量较高。基于实地勘测，层土体回填时间4 年以上，主要成分为回填黏性土以及少量碎石。集中在堤坝内外侧的滩涂区域。

层2 为淤泥质粉质黏土层（Qal4），其中揭露层底深部海拔高程14.16～16.36m,厚0.91～1.25m，土体外观呈灰黑色，具备流塑特性，水分含量较高，含腐殖质，集中在河床底部。

层3 为粉质黏土层（Qal4），其中揭露层底深部海拔高程19.30～20.23m,厚0.95～1.2m,土体外观呈黄灰色，土体松软可塑，水分含量较高，集中在外侧滩涂区域。

层4-1 为粉质黏土层（Qal4），其中揭露层底深部海拔高程8.46～18.43m,厚1.40～7.31m，土体外观呈褐色、灰黄色，具有明显的可塑特性，工程现场均有分布。

层4-2 为粉质黏土层（Qal4），其中揭露层底深部海拔高程14.91m～17.23m,厚4.2m～4.5m，土体外观呈黄褐色，土体结构松软，水分含量较高，局部可塑。零散分布于工程场地。

层5 为粉质黏土层（Qal4），其中揭露层底深部海拔高程11.43m～15.25m, 厚1.25m～6.2m，土体外观呈黄褐色，整体硬塑，含铁锰氧化物，主要分布于堤坝内侧，夹杂粉质粘土薄层。

层6 为粉质黏土层（Qal4），其中揭露层底深部海拔高程8.64m～11.63m, 厚2.81m～4.71m，土体外观呈灰褐色，可塑性强，含铁锰氧化物，主要分布于堤坝内侧，夹杂粉质粘土薄层。

层7-1 为淤泥层（Qal4），揭露层底深部海拔高程5.93～11.31m，厚0.95～6.85m，土体外观呈灰黄色，土体结构致密，水分含量较高。

层7-2 为粉质黏土层（Qal4），揭露层底深部海拔高程8.33m，厚1.69m，土体外观呈深灰色，结构松散、可塑性强，水分含量较高，中间夹杂少量粉土薄层以及砾石，零散分布于整个场地。

层8-1 为粉砂层（Qal3），揭露层底深部海拔高程5.54～6.68m，厚4.11～4.43m，土体外观呈黄灰色，结构中密，水分含量高，主体成分为石英石，夹杂少量粉质黏性土。

层8-2 为细砂层（Qal3），揭露层底深部海拔高程8.96～12.95m，厚1.23～5.15m，土体外观呈灰褐色，质地密实，水分含量高，主体成分为石英石，夹杂少量粉质黏性土。

层9 为角砾层（Qpl3），灰色，揭露层底深部海拔高程-3.29～5.41m，厚1.78～7.92m，土体较密实，水分含量高，主要成份为灰岩，粒径大小为6～16cm，其中夹杂粉质粘土、中粗砂，零散分布于整个场地。

层10 为卵石层（Qpl3），揭露层底深部海拔高程-0.48～3.6m，厚1.10～6.43m，土体颜色混杂，质地较密，水分含量高，主体成分为粒径20～40mm 的灰岩，最大可达60mm，形状为椭圆形，钻进速度慢，易跳钻，其中夹杂大量粉质粘土、中粗砂。

层11 为粉质黏土层（Qel3），揭露层底深部海拔高程0.56～2.59m，厚3.71～5.05m，土体外观呈黄褐色，质地坚硬，硬塑，主体成分为钙质结核，零散分布于整个场地。

层12-1 为强风化砾岩层(K2z)，揭露层底深部海拔高程-16.26～7.46m，厚3.22～16.71m，土体外观呈棕色，质地密室，为风化碎石状，主体成分为灰岩，磨圆度差，难以拣选，砾石粒径为10～30mm，其中夹杂强风化岩体，局部强风化泥质砂岩。

层12-2 为中风化砾岩层(K2z)，揭露层底深部海拔高程-22.89～3.71m，厚2.31～22.51m，土体外观呈棕色，多层砾石状构造，砾石的主要成分为灰岩，磨圆度差，难以拣选，砾石粒径为10～30mm，含量约60%，岩芯主要为柱状，部分为块状，风化不均匀，节理裂隙发育，其中夹杂泥质软砂岩。

层13-1 为全风化泥质砂岩层(K2z)，揭露层底深部海拔高程-6.98，厚10.51m，土体外观呈棕色，强风化，硬塑黏性土状，其中夹杂少量块状、碎块状灰岩。

层13-2 为强风化泥质砂岩层(K2z)，揭露层底深部海拔高程-20.26～-2.34，厚4.81～14.31m，土体外观呈棕色，多层砾石结构，砾石主要成分为灰岩，难以磨圆度差和拣选，砾石粒径为10～30mm，含量60%左右，岩芯主要为柱状，部分为块状，风化不均匀，节理裂隙发育，其中夹杂泥质软砂岩。

层13-3 为中风化泥质砂岩层(K2z)，揭露层底深部海拔高程-54.49～-2.01m，厚2.60～32.71m，土体外观呈棕色，为多层泥砂结构，岩芯主要为柱状，部分为块状，风化不均匀，节理裂隙发育，岩性为极软岩，风化不匀，局部强风化泥质砂岩。水泥混凝土桩基部位的岩土设计参数如表1 所示。

表1 桩基岩土层设计参数情况表

3 设计水位组合

导航墙的设计水位组合情况如表2 所示。

表2 各工况下墙前及墙后水位组合情况

4 复合地基设计

以该船闸工程下游导航墙为设计对象，墙体高度为12m，采用C30 钢混土扶壁设计，总长98.66m，顶高程25.68m，船闸底板顶高程▽13.68m，宽度7.9m，厚度0.9m，船闸立板厚度为0.75m,肋板厚度0.59m，过道板宽度1.99m，墙后填土顶高程21.99m，构造段主段长度15.3m。

河流水位较低时，根据安全航行要求，导航墙后水位需超出安全航行水位1m 以上；河流水位较高时，根据安全航行要求，导航墙后水位不应低于最高安全航行水位。按照《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001)中的要求，结合上述两种设计工况分析计算船闸工程水泥混凝土桩复合地基承载力，验算结果如表3 所示。

表3 各工况地基反力验算结论表

该船闸工程的导航墙底部高程处于层7- 粉土层，根据表1 数据可以看出，层7- 粉土层的现有地基承载力允许值f=160kPa，未达到地基最大反力要求，因此需对该层地基进行加固补强。初步方案是利用直径45cm的预应力高强混凝桩@200cm 梅花型布设，PHC 桩刚度较大，因此，基于相关规范取合适的参数，求得桩长度均值3.9m，桩底部打至层10- 卵石层或层12-1- 强风化砾岩持力层，单根PHC 桩得承载力Rα=546kN，具体如图1所示。

图1 导航墙及复合地基断面图

此时船闸导航墙桩复合地基端阻力大小为79kN，侧阻力大小为468kN，总侧阻力的作用占单桩承载力的比例为468/546=85%，由此可见，按照规范“14.1.3”的要求，复合地基中的刚性PHC 桩需满足摩擦型桩的性能要求。

5 现场施工及变更

2020 年8 月开始导航墙施工，施工方在导航墙周边开展试桩静压试验施工，桩端部设置钢制桩靴。试桩施工情况:试桩区域土体地层为粉质砂土层、PHC 桩顶标高+7.66m、桩长度均值为3.9m,设计单根桩承载力180kPa；实际施工中，桩底打入该地层+7.6m 位置时，桩机压力为225t，保持该压力5min，PHC 桩端部高程无明显变化。

结合试桩施工结果、施工实际要求可知，该桩体无法满足标高要求，且桩底持力地层高程变化较大，导致施工成本增加，同时将形成大量截桩；设计要求桩底打入持力层，桩长变化幅度大，施工难度较大。因此，导航墙基底换用直径50cm 的C30 素混凝土桩，桩底打入持力层1.2m，测算得到的施工成本及工程量如表4 所示。