水泥搅拌桩在顺德靖涌水闸软土地基加固中的应用

水泥搅拌桩在顺德靖涌水闸软土地基加固中的应用

孙刘伟

（佛山市顺德区水利水电勘测设计院有限公司）

【摘要】顺德靖涌水闸地基有较厚的淤泥质土和粉砂层，设计采用了水泥搅拌桩复合地基的处理方法，有效地提高了地基承载力，解决了沉降和砂土液化问题。在对比计算沉降值与实际观测沉降值的基础上，分析了复合地基沉降计算中需要注意的问题。

【关键词】水泥搅拌桩；水闸；软土地基；加固；处理

1 工程概况

靖涌水闸位于顺德齐杏联围的防洪堤上，百安路百丈大桥东侧，内接靖涌大涌，外排顺德支流，主要承担防洪、引排水及简易通航的功能。该水闸始建于解放前，1989年曾改建前闸，其主要由前闸、船室和后闸三部分组成，闸孔净宽3.50m，底板顶高程▽-1.00m。由于建设年代久远，建筑物老化病害严重，闸体渗漏严重，闸门采用人工启闭，方式落后，可靠性低。因此，该水闸原址拆除重建。为增加水闸过流能力，重建后水闸净宽扩为5.00m，底板顶高程降为▽-1.50m。

2 工程地质

根据《佛山市顺德区齐杏联围靖涌水闸重建工程岩土工程勘察报告》（2009年4月，以下简称《勘察报告》），靖涌水闸场地岩土层从上至下依次为：①耕植土：灰黄色，为粘性土，可塑，局部软塑或坚硬，层厚1.2～ 4.1m，平均2.9m。②-1淤泥质土：深灰色，流塑，含较多粉砂，局部为淤泥、粉质粘土或粉砂，顶板埋深1.2～6.6m，顶板标高-0.94～0.71m，层厚13.1～14.4m，平均14.0m。②-2粉砂：灰白色，局部灰黄色，稍密，局部松散，饱和，石英质，粒度不均匀，局部为细砂、中砂，顶板埋深15.5～20.3m，顶板标高-14.99～-13.39m，层厚1.8～5.2m，平均4.0m。②-3圆砾：灰白色、灰黄色，密实，石英质，砾呈次圆状为主，粒径以2～8mm为主，最大粒径约20mm，粒度不均匀，局部为砾砂，顶板埋深19.1～25.5m，顶板标高-19.89～-16.77m，层厚2.4～8.8m，平均5.2m。②-4中砂：灰黄色，中密，饱和，石英质，含较多粘性土，顶板埋深22.4～30.7m，顶板标高-24.14～-20.07m，层厚1.2～3.7m，平均2.5m。②-5粉土：灰黄色，中密，湿，土质不均匀，局部为粉质粘土或粉砂，顶板埋深25.5～31.9m，顶板标高-24.99～-23.07米，层厚2.4～3.4m，平均3.1m。②-6圆砾：灰白色、灰黄色，密实，石英质，砾呈次圆状为主，粒径以2～8mm为主，最大粒径约40mm，粒度不均匀，局部为砾砂，顶板埋深28.9～34.3m，顶板标高-27.39～-26.47m，揭示厚度5.2～6.9m。

水闸基础处理设计选用的各土层主要参数见表1。

表1 水闸基础处理设计各土层主要参数

层序岩土名称(°)①耕植土18.0804.015.010.0②-1淤泥质土16.5703.05.04.0②-2粉砂19.513010.02.028.0②-3圆砾20.560050.00.045.0②-4中砂19.520020.00.032.0②-5粉土19.01505.510.012.0②-6圆砾20.560050.00.045.0 (kN/m3)fak (kPa)Es (MPa)c (kPa) γ Ф

3 基础设计

靖涌水闸上闸首完建情况时基底应力最大值132.8KPa、最小值97.3KPa、平均值115.1KPa，而闸室建基面所在的②-1淤泥质土承载力特征值仅为70KPa，土层力学性质差，承载力低，且厚度较大，不能满足强度和沉降要求。另外根据《勘察报告》水闸场地位于抗震设防烈度7度区，场地下厚度较大的软土层（②-1淤泥质土）及一定厚度的液化土层（②-2粉砂）存在软土震陷和砂土液化等地震效应。因此，该场地未经处理不宜作为水闸的基础持力层。

3.1 基础处理方案比选

水闸建基面以下有10.9～12.5m深的淤泥质土和1.8～5.2m深的液化粉砂层，厚度较大，采用全部置换处理不经济，而采用垫层部分置换处理，虽然能够提高持力层的承载力，但下卧软弱土层的沉降依然较大，影响水闸结构安全和正常运行，另外置换处理也无法解决粉砂层的液化问题。由于淤泥质土含水量大且渗透性较差，预压处理时间过长难以满足工期要求。预应力管桩基础一般能够很好地控制建筑物主体沉降，但容易底板脱空形成渗流通道，对水闸防洪安全影响较大。

该场地需要处理的②-1淤泥质土及②-2粉砂，合计在14.3～17.4m之间，平均约为15.8m，采用深层水泥搅拌桩处理，可将上述土层全部处理，利用层顶标高稳定，且承载力强的②-3圆砾作为持力层，从而达到比较理想的处理效果，而且在复合地基中水泥搅拌桩是与周边土层协同受力，不存在底板脱空风险。因此，比较可行的方法采用深层水泥搅拌桩复合地基。

3.2 基础处理设计

靖涌水闸深层水泥搅拌桩复合地基采用桩径Φ500mm的搅拌桩，桩端持力层为②-3圆砾层，桩顶高程嵌入底板垫层50mm，水泥采用42.5R级普通硅酸盐水泥，要求桩体90d龄期设计强度不小于1.5MPa，根据《勘察报告》②-1淤泥质土的水泥土试块抗压强度（见表2），水泥用量暂定为65kg/m。

表2 水泥土试块强度数据（单位：MPa）

土层水泥掺入量7天龄期fcu790天龄期fcu90范围值范围值统计组数平均值②-1淤泥质土15%0.45～0.9850.601.42～2.23 18%0.49～0.9950.711.68～2.64 21%0.55～1.0950.791.87～2.94

为了保证重要建筑物的安全，前闸室采用“连续墙+散桩（矩形）”的布置型式，其余均采用散桩（矩形）的布置型式。另外，考虑前闸室两侧防洪堤高填土作用下地基压缩沉降容易形成角渗问题，防洪堤范围（外江U型槽、前闸室及船室上游渐变段）的建筑物两侧布置了三排搅拌桩。桩基础平面布置详见图1。

3.3 地基沉降计算

表3 水闸各主要部位复合地基布置及沉降计算值

地基沉降计算值(mm)外江U型槽62.71100×110072.626.01前闸室115.1850×850127.415.72船室上渐变段55.41100×110072.626.01船室平直段28.91200×120067.418.89船室下渐变段28.91200×120067.418.89后闸室73.41000×100094.016.54内江U型槽44.11200×120067.418.89部位基底应力平均值(KPa)水泥搅拌桩间距(mm)处理后地基承载力(KPa)

图1 靖涌水闸桩基础平面布置图(单位：mm）

根据桩基础布置和有关地层参数，按有关规范以分层总和法计算，水闸各部位沉降值在15.3～18.9mm之间，满足相关规范要求。水闸各主要部位沉降计算值具体见表3。

4 施工过程中的调整及修改

水泥搅拌桩正式施工前，施工单位对②-1淤泥质土再次取样进行水泥土搅拌浆配合比设计试验，试验水泥为宝鹰牌42.5R普通硅酸盐水泥，水灰比0.50，水泥掺量分别为60、65、70kg/m，7d抗压强度分别为0.20、0.40、0.60MPa，按90d龄期水泥土抗压强度公式fcu90= (2.37～3.73)fcu7计算，仅在水泥掺量70kg/m时能够满足“桩体90d龄期设计强度不小于1.5MPa”的要求。因此，正式施工的水泥搅拌桩的水泥用量由65kg/m修改为70kg/m，水灰比0.5。另外根据现场试桩情况，确定收钻电流70A（3档），以保证桩端到达②-3圆砾层。

水闸后闸室位于旧闸前闸室位置，开挖过程中发现旧闸的木桩基础，与施工中的搅拌桩基础存在部分重合，无法在未经处理条件下进行施工。若保留原有木桩基础，根据设计下闸首底板底高程，需将原木桩基础截去0.8m左右，木桩剩余的长度仅保留3m，难以满足闸室承载力要求，也容易与相邻建筑形成较大的沉降差，因此对于搅拌桩加固处理范围内的木桩基础予以开挖清除并换填中砂的办法处理，换填完成后再进行搅拌桩加固处理。

水闸桩基础施工全部完成后，开挖出的水泥搅拌桩桩头成形较好，后续的轻便触探检测结果为289.5～334.5KPa，抽芯检测结果为1.5～6.7MPa，满足设计要求，桩基础施工完成效果较好。

5 沉降观测及分析

为监测沉降情况，水闸主要建筑物各布设了4个观测点，每个观测点均于底板浇筑完成后开始临时观测，待侧墙或边墩浇筑完成后引点至永久观测点，观测日期自2009年11月28日起，至2011年5月8日止。

经统计，最大沉降发生在外江U型槽，沉降值为34mm，最大沉降差位于外江U型槽与前闸室间，沉降差为21mm，两者均在规范的允许范围内。根据观测数据可以看出各主要建筑物沉降已趋于稳定，地基处理已达到设计效果。水闸各主要部位沉降观测值见表4。

6 结语

⑴深层水泥搅拌桩复合地基对于一定厚度的软弱土层处理效果较好，能够解决软土承载力弱小和压缩性大等问题，尤其是桩端以下没有软弱下垫层的情况，可以有效地控制建筑物沉降。

⑵水泥搅拌桩浆液配合比试验差异性较大，施工前应尽可能多采集试样进行试验，以保证成桩效果，这对于以水泥搅拌桩主要承担荷载的地基尤为关键。

⑶根据现有观测数据前闸室与外江U型槽之间存在21mm的沉降差，初步判断可能是前闸室下连续桩分担了散体桩的荷载，从而减少了沉降。因此水泥搅拌桩复合地基沉降计算应将连续桩的影响考虑进来，以准确协调各建筑物的沉降量，减少沉降差。●

【参考文献】

[1]GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].

[2]JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范[S]

[3]SL 265-2001，水闸设计规范[S].

表4 水闸各主要部位复合地基沉降观测值（单位：mm）

部位地基沉降外江U型槽26.01前闸室15.72船室上渐变段26.01船室平直段18.89船室下渐变段后闸室16.54内江U型槽18.89计算值观测点编号2016年6月15日2011年5月8日1 2326 2 2326 3 3334 4 3334 5 1313 6 1113 7 9 12 8 1315 9 1718 101820 111416 121517 132425 142225 151416 161417 171213 181315 191012 20912 211113 22911 231213 241013 251114 26812 2789 28810 18.89