水泥攪拌樁在水閘軟土地基加固中的應(yīng)用
2015-03-20
我省降雨非常明顯，存在較多軟弱地基，而水閘建筑物所需的基礎(chǔ)通常需要承受相當大的上部荷載，其基礎(chǔ)底部壓力往往比淤泥軟基持力層所能承載的壓力要大很多。因此，在這種淤泥質(zhì)軟基上修筑水閘建筑物，必須采取合理有效的加固處理措施，否則就可能造成軟基出現(xiàn)局部沉降破壞，甚至構(gòu)建物整體滑動等地基失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，水閘軟土地基的加固處理方案的選擇十分關(guān)鍵。而水泥土攪拌就是一種有效的軟土地基加固方法，效果顯著，處理后可很快投入使用。下面，就介紹水泥攪拌樁在水閘軟基加固處理中的應(yīng)用。
1閘室穩(wěn)定計算
1.1荷載
以閘室整體為計算單元，取完建工況為計算工況，其所受荷載包括閘室結(jié)構(gòu)自重、排架機架橋自重、工作閘及金屬結(jié)構(gòu)埋件重及啟閉機重。根據(jù)閘室穩(wěn)定計算結(jié)構(gòu)，作用于閘室底面的荷載有：豎向力ΣG=8858.94kN，ΣM=36596.40kN。
1.2穩(wěn)定驗算
采用SL265—2001《水閘設(shè)計規(guī)范》公式進行閘室基底應(yīng)力計算。
式中Σ=為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值(kPa)；ΣG為作用在閘室上的全部豎向荷載(kN)；A為閘室基礎(chǔ)底面的面積(m2)；ΣM為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m)；W為閘室基礎(chǔ)底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩(m3)。
建成無水工況閘室地基承載力不能滿足地基應(yīng)力要求?？紤]閘址為沿海地區(qū)，閘基土為淤泥質(zhì)粘土，地基土承載力及壓縮模量均較低，為滿足閘室地基應(yīng)力及沉降要求，決定對閘室地基進行處理，以提高閘室地基的承載能力。
沉降計算采用分層總和法，計算采用公式：
式中s為地基最終沉降量(mm)；s′為按分層總和法計算出的地基變形量；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；n為地基變形計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0為基礎(chǔ)底面處的附加壓力(kPa)；Es為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量(MPa)；zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、i-1層土底面的距離(m)；、為基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。
閘基礎(chǔ)底面下地層為淤泥質(zhì)粘土，粉質(zhì)粘土及粉土，粉質(zhì)粘土及粉土壓縮模量分別采用3.3MPa、5.9MPa、18.4MPa。壓縮層計算深度按計算層面處土的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為0.2確定。
經(jīng)計算閘室地基最大沉降量22.5cm，大于規(guī)范允許值15cm；需對閘室進行地基處理。閘基防滲長度按式(3)進行計算：
L=C·△H(3)
式中L為滲徑長(m)；C為滲徑系數(shù)；△H為上下游水位差(m)。
現(xiàn)閘基實際防滲長度為20.5m，小于計算要求的防滲長度32m，不滿足規(guī)范要求，需設(shè)置一道防滲墻，增加閘基的防滲長度。
2地基處理方案
本工程進行地基處理的目的為增加閘室地基的承載能力及減小沉降量。地基處理常用方法有換填墊層法、強夯法、砂石樁法、混凝土灌注樁及水泥土攪拌樁法。
2.1換填墊層法
適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。其主要作用是提高地基承載力，減少沉降量，加速軟弱土層的排水固結(jié)，防止凍脹和消除膨脹土的脹縮。
本工程壓縮性較高的軟土層厚12.40m，墊層的換填厚度不宜超過3m，換填后地基處理效果不明顯。因此工程未采用換填墊層法的地基處理方式。
2.2強夯法
適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強夯置換法適用于高飽和度的粉土，軟—流塑的粘性土等地基上對變形控制不嚴的工程，在設(shè)計前必須通過現(xiàn)場試驗確定其適用性和處理效果。
本工程基礎(chǔ)軟土透水性較差，采用強夯法處理地基容易形成橡皮土，反而達不到地基處理的目的。因此，強夯法不適合應(yīng)用于工程的地基處理。
2.3砂石樁法
為采用類似沉管灌注樁的機械和方法，通過沖擊和振動，把砂擠入土中而形成樁基的方法。擠密砂樁的主要作用是將地基擠實排水固結(jié)，從而提高地基的整體抗剪強度與承載力，減少地基的沉降量和不均勻沉降。但這種方法一般能較好地適用于砂性土。
本工程為淤泥及淤泥質(zhì)土，因此砂石樁法不適合于工程的地基處理。
2.4混凝土灌注樁
直接在樁位上就地成孔，然后在孔內(nèi)安放鋼筋籠灌注混凝土而成。灌注樁能適應(yīng)各種地層，無需接樁，施工時無振動、無擠土、噪音小，宜在建筑物密集地區(qū)使用。但其施工費用較高，操作要求嚴格，施工后需較長的養(yǎng)護期方可承受荷載，成孔時有大量土渣或泥漿排出。
本工程由于工期較短，灌注樁成孔時會對周圍環(huán)境會造成不利影響，且會使工程整體費用上升，未采用混凝土灌注樁法。
2.5水泥土攪拌法
分為漿液深層攪拌法(簡稱濕法)和粉體噴攪法(簡稱干法)。水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、飽和黃土、素填土及無流動地下水的飽和松散砂土等地基。其加固機理是：水泥漿(粉)與地基土在外力作用下(樁頭攪拌力及水泥漿(粉)壓入壓力)均勻攪拌，進行水化反應(yīng)并形成具有一定強度的水泥土樁(即所謂半剛性樁)。部分水泥漿(粉)在灌漿壓力作用下發(fā)生水化反應(yīng)并滲入樁體周邊的土體中形成樁體，增大了樁體與樁間土的摩擦系數(shù)，提高了樁體承載力，并與樁間土共同形成良好的復合地基。根據(jù)地質(zhì)資料，本工程地基主要為淤泥及淤泥質(zhì)土，含水量較高，采用水泥攪拌法時由于水泥的水化作用，在一定程度上減少了地基土中自由水的含量，樁間土產(chǎn)生一定的固結(jié)作用，使樁間土本身強度有所提高，從而導致復合地基承載力的提高。
綜上，根據(jù)各個地基處理方案的適用條件及地基情況，確定采用水泥土攪拌法。
3樁基設(shè)計
3.1樁基布置
程水泥攪拌樁采用矩形布置，樁直徑0.6m，除防滲墻外，攪拌樁橫向和縱向樁間距均為1.2m，閘室底板輪廓線范圍內(nèi)的攪拌樁數(shù)按63根計。根據(jù)地質(zhì)資料，在干濕交替及無干濕交替作用時，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)有中等腐蝕性，腐蝕介質(zhì)為SO2-4，因此水泥土攪拌樁固化劑采用強度等級為32.5的抗硫酸鹽水泥；樁長假定8m，攪拌樁位于淤泥質(zhì)粘土層。
3.2承載力驗算
根據(jù)閘室底板所受外部荷載、土體力學指標、基礎(chǔ)尺寸，采用相關(guān)規(guī)范公式分別計算水泥攪拌樁單樁承載力和復核地基承載力。
3.3沉降驗算
樁基最終沉降量計算公式采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(5.5.6)中的公式，方法為等效作用分層總和法。附加應(yīng)力取底板附加應(yīng)力70kPa，沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψ取0.9；等效沉降系數(shù)ψ取0.9；等效沉降系數(shù)ψc取0.52。
地基處理后，經(jīng)計算，閘室的最終沉降量為11cm，小于規(guī)范中規(guī)定的閘室最大沉降量的要求。
3.4滲流穩(wěn)定驗算
由于水泥土攪拌樁樁體連接成壁后有隔水帷幕的作用，為增加閘室的防滲長度，在閘室靠近下游側(cè)采用水泥土攪拌樁套打的方式，形成一道垂直防滲墻。經(jīng)計算閘基防滲長度36.5m，大于計算要求的防滲長度32m，滿足規(guī)范要求。
4質(zhì)量檢驗
4.1施工期
4.1.1材料
現(xiàn)場使用的固化劑和外摻劑必須通過現(xiàn)場加固土的強度試驗，進行材料質(zhì)量檢驗，合格后方可使用。
4.1.2樁位
樁位布置滿足設(shè)計要求，施工前在樁中心插樁位標，施工后將樁位標復原，以便驗收。
4.1.3樁身垂直度
每根樁施工時均應(yīng)用水準尺或其他方法檢查導向架和攪拌軸的垂直度，間接測定樁身垂直度。
4.1.4樁身水泥摻量
按設(shè)計要求檢查每根樁的水泥摻用量。
4.1.5水泥標號、水泥品種
對無質(zhì)保書或有質(zhì)保書的小水泥廠產(chǎn)品，應(yīng)先做試塊強度試驗，試驗合格后方可使用。對有質(zhì)保書(非鄉(xiāng)辦企業(yè))的水泥產(chǎn)品，可在攪拌施工時，進行抽查試驗。
4.1.6攪拌頭上提噴漿速度
一般均在上提時噴漿，提升速度不超過0.5m/min，通常采用二次噴漿。當?shù)诙螄姖{時不允許出現(xiàn)攪拌頭未到樁頂而漿液已拌完的現(xiàn)象。有剩余時可在樁身上部再次噴漿。
4.1.7漿液水灰比
通常為0.4～0.5，不宜超過0.5。漿液拌和時應(yīng)按水灰比定量加水。
4.1.8水泥漿液攪拌均勻性
應(yīng)注意貯漿桶內(nèi)漿液的均勻性和連續(xù)性，噴漿攪拌時不允許出現(xiàn)輸漿管道堵塞或爆裂的現(xiàn)象。
4.2竣工后
4.2.1攪拌樁的施工
(1)成樁7d后，采用淺部開挖樁頭(深度宜超過停漿面下0.5m)，目測檢查攪拌的均勻性，量測成樁直徑。檢查量為總樁數(shù)的5％。
(2)成樁后3d內(nèi)，可用輕型動力觸探(N10)檢查每延米樁身的均勻性。檢驗數(shù)量為施工總樁數(shù)的1％，且不少于3根。
4.2.2水泥攪拌樁地基竣工驗收
承載力檢驗應(yīng)采用復合地基載荷試驗和單樁載荷試驗。載荷試驗必須在樁身強度滿足試驗荷載條件時，并宜在成樁后28d后進行。檢驗數(shù)量為樁總數(shù)的0.5％～1％，且每項單體工程不應(yīng)少于3點。
經(jīng)觸探和載荷試驗檢驗后，對樁身質(zhì)量有懷疑時，應(yīng)在成樁28d后，用雙管單動取樣器鉆取芯樣作抗壓強度檢驗，檢驗數(shù)量為施工總樁數(shù)的0.5％，且不少于3根。
4.2.3工程樁質(zhì)量評定
及時檢查施工記錄，根據(jù)預定的施工工藝對工程樁質(zhì)量進行質(zhì)量評定。對于不合工藝要求的工程樁需根據(jù)其所在的位置、數(shù)量等具體情況，通過質(zhì)量分析，提出補樁或加強附近工程樁等措施。
5結(jié)語
綜上所述，水泥土攪拌樁較適應(yīng)處理軟基，形成復合地基，改善地基的承載力和變形模量，且攪拌樁樁身材料利用率高，基礎(chǔ)處理造價低。只要我們嚴把設(shè)計關(guān)及施工關(guān)，采取有針對性的質(zhì)量控制措施，那么水泥攪拌樁樁體質(zhì)量就能得到保證，發(fā)揮出水泥攪拌樁應(yīng)有技術(shù)特點。
