水闸工程深厚软土地基处理设计与实践

2022-11-25刘人添陈彦霖谢家强

水科学与工程技术 2022年5期

刘人添，张超，刘欢，雷轰，陈彦霖，2，谢家强

（1.长江生态环保集团有限公司，湖北武汉 430062；2.重庆市三峡生态环境技术创新中心有限公司，重庆 400000）

1 软土的工程特性

软土主要指软弱黏性土，是第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的黏性土沉积物或河流冲积物，如淤泥质土、淤泥等［1］。在长江中下游地区的河流两岸和河床地层中，软弱土层广泛分布，厚度可达几米或者更深，且常常与粉质壤土、砂壤土、粉细砂等土层相互掺杂，交错分布［2］。软黏土的主要特点是天然含水量大于液限，且大部分处于饱和状态，孔隙比大于1.0，土体的抗剪强度低，压缩性高，同时渗透系数小。在水工建筑物荷载作用下，此类土质地基承载力低，沉降变形大，沉降稳定历时长，是长江中下游地区水闸建设中较为常见的需要进行处理的地基类型。

2 水闸工程深厚软土地基主要问题

水闸工程地基一般需要满足以下四项要求：①保证建筑物地基承载力； ②控制建筑物沉降值并尽量减少不均匀沉降； ③以合适的地基与基础的结合方式保证建筑物抗滑稳定； ④在合理深度范围内截断强透水层并控制渗径，确保地基渗透稳定。

软土天然地基因其抗剪强度低，承载力一般低于水闸平均基底应力，且综合摩擦系数较小，在水闸上下游水位差较大的运行工况下，难以保证闸室稳定，若软土地基厚度较大，也会有地基深层滑动隐患；在软土压缩模量小，压缩层厚度大的情况下，天然地基沉降量一般会超过《水闸设计规范》中15cm限制值，且若上部结构应力分布不均匀，沉降差也难以控制在5cm以内；虽然淤泥质土等软土本身渗透系数小，但由于深厚软土层常常夹杂砂性土等渗透系数较大的强透水层，此类天然地基若不加处理，容易形成渗透通道，影响整体地基稳定。

3 水闸工程软土地基典型处理方案及设计要点

3.1 换填垫层法

换填垫层法是指将天然地基中部分软弱土体置换为物理力学指标更优的岩土材料，再通过人工压实形成满足设计要求的分层人工地基，常见换填材料有素土、中砂、粗砂、砾砂、碎石、粉煤灰、水泥土等。填料垫层主要可以在以下几方面改善原地基土的性能：①填料层材料抗剪强度远大于原状软弱土，从而可以显著增强地基承载力；②填料压实后，回填层沉降量较小且可控，同时闸室底部应力经换填层扩散降低后，下卧层应力较小，下卧层沉降也能得到明显控制； ③砂石垫层等换填材料可有效加快换填层下部含水率高孔隙比大土层的固结排水，释放孔隙水压力，增强整体地基的稳定性［3］。

垫层法的设计计算需要确定垫层的厚度和平面尺寸，确保闸室基底应力经垫层扩散后不大于下卧地基承载力。在水闸工程中垫层厚度一般不大于3m，垫层厚度太厚则不利于施工且经济性较差。

3.2 桩基础

桩基础是水闸工程中使用较早且广泛应用的地基处理方法，以下介绍较为常见钻孔灌注桩和PHC管桩两种桩型。

钻孔灌注桩适宜于上部为较深厚的软土地基、下部为硬土层或坚硬岩层的地基条件，尤其在基底应力较大或闸室上下游水位差大（控制工况下水平推力大）的水闸工程建设中较为常用。钻孔灌注桩具有施工时环境影响小、噪音小、单桩承载力高、提升建筑物抗震性能等特点［4］。需要注意的是，采用钻孔灌注桩时，底板与地基之间应紧密接触。为避免形成渗流通道，多采用摩擦型桩，若采用端承桩形式，则应采取有效基底防渗强化措施，如加设上游防渗墙、强化止水构造等。

高强预应力混凝土管桩（PHC）是采用先张预应力离心成型工艺，并经过蒸汽养护制成的一种空心圆筒型混凝土预制构件，标准节长10m，直径范围为30～80cm，混凝土强度等级不宜小于C80。预应力混凝土管桩主要有以下优点： ①配有产品工厂流水线生产，质量稳定可靠；②桩身混凝土强度高，耐锤打性好，贯穿能力强；③单桩承载力高，价格便宜；④对不同地质条件和不同沉桩工艺适应性强；⑤运输吊装轻便，施工速度快，工期短，施工现场简洁文明。

桩基础桩的根数和桩径一般按承担底板底面以上的全部荷载由桩承担确定，桩的布置一般为矩形或三角形，钻孔灌注桩中心距一般不小于2.5倍桩径，预制桩中心距一般不小于3倍桩径。对于桩距小于6倍桩径且桩根数大于9根时的摩擦型桩基础，可将群桩范围内的桩和土视作整体，以桩底平面为界限，进行沉降计算。

3.3 深层搅拌法

深层搅拌法是利用水泥作为固化剂，通过全桩长范围内的搅拌使水泥与软土充产生充分的化学、物理反应形成具有较优强度指标的水泥土搅拌桩，再通过水泥土桩与桩间土形成的复合地基解决地基承载能力低、沉降量大的问题［5］。水泥土搅拌桩适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、素填土、黏性土等地基，处理后的地基抗剪强度得到大幅提高，也相应提高了水闸抗滑稳定安全系数。本方法具有以下优点：①最大限度地利用了原土；②搅拌时无振动、无噪音和无污染；③可根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、格栅状等加固型式；④与钢筋混凝土桩基相比较，可节约钢材并降低造价［6］。在施工过程中，此方案对施工质量的要求较高，要根据不同的地质情况选用相应的施工机具，严格控制施工质量，且在正式施工前需进行水泥土试块室内试验和现场生产性试验确定相关参数和施工工艺。

在深层水泥土搅拌桩的设计中，应先需根据室内试验与现场生产性试验结果分析确定单桩承载力，再结合上部结构承载力需求，确定搅拌桩的置换率和分布。

4 工程案例

4.1 工程案例项目概况

本文案例工程为安徽省某低水头径流式泄水闸，具备节制、引水、排洪3大功能，设计引水流量150m3/s，设计排洪流量600m3/s，校核排洪流量1250m3/s，结构形式为开敞式平底闸。泄水闸顺流向按引水方向各建筑物依次为上游引水渠、上游翼墙、上游防冲槽、上游海漫、上游护坦、上游消力池、闸室、两岸连接段、下游翼墙、下游护坦及下游渠道等，闸址地基为深厚淤泥质土。

4.2 地质条件

本案例工程区为软弱场地土，震动峰值加速度为0.1g，地震基本烈度为Ⅶ度。水闸建基面位于①2层砂壤土中，①2层砂壤土强度低，埋深浅，属挖除土层。建基面以下建筑物地基土层主要包括②层淤泥质重粉质壤土、②4层粉细砂、④层重粉质壤土、⑤2层中粗砂、⑥层含砾粘土及⑩层粉砂岩等。主要持力层为②层淤泥质重粉质壤土，该层厚度为6～12m，承载能力低，沉降变形大，不宜直接作为天然地基，若作为基础持力层应进行相应补强处理； ②4层粉细砂、砂壤土强度亦较低，渗透性较强，对建筑物渗透稳定不利；④层重粉质壤土强度一般，埋藏较深，可根据上部荷载情况选择作为水泥土搅拌桩桩端持力层；⑤2层中粗砂、⑥层含砾黏土及⑩层粉砂岩、砂砾岩强度均较高，但层顶埋藏较深。

孔隙潜水主要储存于人工填土及②层淤泥质土中，主要受大气降水补给，且与地表水存在一定的水力联系，具有水量小、水位变化大的特点；孔隙承压水主要储存于②4层粉细砂、⑤2层中粗砂、⑥层含砾黏土中。

4.3 主要设计思路

根据建筑物选址水位流量关系及两岸地形限制，闸室结构采用7孔3联的开敞式平底闸，中间段3孔一联，左右边联均为2孔闸室与岸墙相结合的复合结构。底板建基面以下6～12m深度范围内土层分布主要为②层淤泥质土和②4层粉细砂、砂壤土，土层分布不均匀且存在强透水层，闸室基底应力远大于淤泥质粉质壤土的允许承载力，沉降量较大，抗滑稳定及渗透稳定不满足规范要求，需要进行地基处理。经综合比较，水泥土搅拌桩方案在完整解决现有地基存在问题的同时，最大限度地利用了原土的强度，整体经济性最优，本工程闸室地基处理采用水泥土搅拌桩方案。

4.4 地基处理设计方案

本工程采用格栅点阵式水泥土搅拌桩复合地基。搅拌桩固化剂选用42.5级及以上普通硅酸盐水泥，掺量15%，桩身直径60cm。为控制整体沉降水平，桩底穿透压缩模量较小的②～④土层到达第⑤层重粉质壤土，闸室段平均桩长15m。

搅拌桩采用格栅式布置，套接长度15cm，典型格栅单元布置如图1，格栅间距由不同结构下基础处理所需的搅拌桩置换率确定，格栅桩间布有散桩。

图1 典型格栅单元布置

泄水闸闸室左右边联综合置换率为35%，中间联综合置换率为30%，闸室整体布置如图2。泄水闸上游侧布置双排套接水泥土搅拌桩作为防渗墙，防渗墙顶部覆盖沥青与闸室底板凹槽连接。

图2 闸室搅拌桩平面布置

表1 渗透坡降计算结果

搅拌桩桩顶高程为2.2m，建基面开挖时需挖除搅拌桩桩顶约40cm长的桩头，再回填30cm厚的水泥土垫层作为褥垫层，然后在结构混凝土浇筑前浇筑10cm厚的C10混凝土垫层。

4.5 主要计算结果

4.5.1 复合地基承载力计算

复合地基承载力计算公式如式（1）。

式中 fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；m为面积置换率；Ra为竖向单桩承载力（kN）；Ap为桩的截面积（m2）；β为桩间土承载力折减系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值。

单桩承载力特征值经计算并结合室内试验及现场生产性试验结果对比分析，确定为130kN。水泥土搅拌桩桩间土为②层淤泥质重粉质壤土，承载力特征值为85kPa，桩间土承载力折减系数为0.6，经计算闸室中间联复合地基承载力为173kPa，边孔联复合地基承载力为194kPa。复合地基承载力满足闸室各工况基底应力承载要求。

4.5.2 地基沉降计算

处理后的闸室地基沉降量分为两部分，一部分为搅拌桩复合地基本身的压缩变形量s1，另一部分为复合地基以下至基岩顶面之间的壤土层的压缩变形量s2，总沉降量s=s1+s2。计算采用的附加应力从闸室基础底面算起。

复合地基层变形量s1计算公式如式（2）～式（3）。