李旻 康金橋

長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 湖北 武漢 430000

1 水利工程中軟土地基處理技術(shù)概述

目前，隨著我國(guó)社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，水利工程建設(shè)的要求也在不斷提升，時(shí)代所帶來的發(fā)展機(jī)遇，也促使水利工程的規(guī)模呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)[1]。在水利工程中，軟土地基的處理存在較大的難度，地基問題對(duì)于整個(gè)水利工程而言也是最基礎(chǔ)最重要的部分，應(yīng)對(duì)工程地基作好詳細(xì)的地質(zhì)勘察，結(jié)合土工試驗(yàn)成果提出場(chǎng)地各土層合理的物理力學(xué)性質(zhì)建議值，并且進(jìn)行深入的地基處理計(jì)算研究，確定技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的處理方案，以解決軟土地基上的各種工程問題。

軟土地基是指強(qiáng)度低，壓縮量較高的軟弱土層，多數(shù)含有一定的有機(jī)物質(zhì)。由于軟土強(qiáng)度低，沉降量大，往往給工程帶來很大的危害，如處理不當(dāng)，會(huì)給工程使用造成很大影響。特別是淤泥和淤泥質(zhì)土，其天然含水量大，并且大多數(shù)是有一些承載能力較低的淤泥沉積物組合的土，在水利施工中對(duì)這些軟土層進(jìn)行處理時(shí)，具有一定的難度。因?yàn)檐浲练N類有所不同，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和施工時(shí)，必須要選取科學(xué)合理的處理方案，使其能夠滿足工程整體的功能和安全要求[2]。在我國(guó)，軟土地基的分布范圍較廣，尤其在沿海和平原地區(qū)。在水利工程中，大部分建筑物長(zhǎng)期在水下運(yùn)行，對(duì)軟土地基的處理不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)水利工程帶來嚴(yán)重的安全隱患[3]。

2 軟土地基具有的特征

2.1 壓縮性強(qiáng)

軟土地基有極強(qiáng)的壓縮性，其主要原因是因?yàn)檫@些土壤天然的含水量較大，且因?yàn)槠淇紫遁^大，使其具有較強(qiáng)的壓縮性。如果施工期荷載過大，忽視了軟土地基的處理就會(huì)出現(xiàn)軟土地基承載力不足的現(xiàn)象[4]，容易發(fā)生沉降變形，給工程造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)l(fā)重大的安全事故。

2.2 透水性低

軟土地基的組成成分較為復(fù)雜，多數(shù)軟土屬于淤泥質(zhì)土，或者淤泥質(zhì)土在軟土層中含量較高，淤泥質(zhì)土的滲水性能較低，土層在工程施工期排水不暢，地基不能充分預(yù)壓，可能造成承載力不足或后期沉降問題[5]。

2.3 不均勻性質(zhì)顯著

因?yàn)檐浲恋鼗械耐临|(zhì)種類組成較為復(fù)雜，并且軟土層的容重、壓縮模量、抗剪強(qiáng)度等特性不一，使得軟土地基的均勻性較差，在進(jìn)行具體施工中可能造成地基不均勻變形現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致建筑物不均勻沉降甚至坍塌的后果[6]。

2.4 具有觸變性

對(duì)于軟土地基，特別是淤泥和淤泥質(zhì)土，觸變性是基本特征之一[7]。軟土是絮凝狀的結(jié)構(gòu)性沉積物，一經(jīng)擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度迅速降低或很快變成稀釋狀態(tài)。在軟土地基上進(jìn)行水利工程建設(shè)時(shí)，必須要對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。軟土地基如果在施工期遭遇到震動(dòng)或者負(fù)載過大的情況時(shí)，易產(chǎn)生側(cè)向滑動(dòng)、沉降及其底面兩側(cè)擠出等現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致水利工程不能正常運(yùn)行[8]。

2.5 強(qiáng)度低

軟土地基雖然組成成分不同，但都具有抗壓、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，水利工程中如果建筑物上部荷載較大，而對(duì)地基不采取正確的處理措施，會(huì)出現(xiàn)地基承載力不足，導(dǎo)致工程后期出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量安全問題，這一問題在工程設(shè)計(jì)及施工時(shí)需要重點(diǎn)考慮。

3 軟土地基處理技術(shù)

在工程設(shè)計(jì)及建設(shè)中，需要根據(jù)工程規(guī)模、使用功能、工程地質(zhì)條件，特別是軟土土層的性狀和參數(shù)，選取科學(xué)合理經(jīng)濟(jì)的地基處理方案。

3.1 換填法

在對(duì)軟土地基進(jìn)行處理時(shí)，特別是軟土層較淺的情況下，這種方式使用得較為普遍。其方法是對(duì)建筑物地基上部軟土層挖除，保留下部較堅(jiān)實(shí)的土層，對(duì)挖除部分進(jìn)行換填，然后壓實(shí)處理。一般情況在進(jìn)行換填施工中，使用填充材料，主要是以沙石和粗沙為主，這樣能夠確保地基的穩(wěn)定性能，同時(shí)對(duì)于整體的滲透能力來說也能達(dá)到要求。換填法的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單、工期短、造價(jià)低，缺點(diǎn)是處理深度較淺，不適合處理深厚軟弱土層。

3.2 樁基法

在對(duì)水利工程軟土地基進(jìn)行處理時(shí)，遇到軟土基中有深厚淤泥，可以采用樁基法對(duì)軟土地基進(jìn)行處理?；炷翗痘７譃轭A(yù)制樁以及灌注樁，預(yù)制樁通過打樁機(jī)將預(yù)制的鋼筋混凝土樁打入地下；灌注樁需要現(xiàn)場(chǎng)造孔灌注混凝土，根據(jù)施工方式，又可分為鉆孔灌注樁、沖孔灌注樁、人工挖孔樁。樁基處理能夠提升軟土基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)，對(duì)于基礎(chǔ)的承載強(qiáng)度也能起到很好的提升作用。鉆孔灌注樁的優(yōu)點(diǎn)是施工無(wú)擠土、無(wú)（少）振動(dòng)、無(wú)（低）噪音，環(huán)境影響小，成孔可穿過任何類型地層，缺點(diǎn)是造價(jià)較高，淤泥質(zhì)土、流砂層易造成塌孔。預(yù)制樁的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量可靠、制作方便、沉樁快捷、施工工期短，缺點(diǎn)是施工質(zhì)量不易保證，對(duì)淤泥層，打樁易產(chǎn)生位移偏位和傾斜。

3.3 旋噴法

在對(duì)水利工程進(jìn)行軟土地基的處理時(shí)，還可以使用旋噴法，常見為高壓旋噴樁。旋噴法的原理是利用射流作用切割摻攪地層，改變?cè)貙拥慕Y(jié)構(gòu)和組成，同時(shí)灌入水泥漿或復(fù)合漿形成凝結(jié)體，采用該方法能提高軟土地基的強(qiáng)度，并且對(duì)其滲透性能也有效提升。旋噴法優(yōu)點(diǎn)是其施工占地少、振動(dòng)小、噪音較低，缺點(diǎn)是容易污染環(huán)境，成本較高，對(duì)于特殊的不能使噴出漿液凝固的土質(zhì)不宜采用。

3.4 水泥攪拌法

水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過特制的攪拌機(jī)械，在地基深處將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基，其加固深度通常可達(dá)15m以上。水泥土攪拌樁的優(yōu)點(diǎn)是最大限度利用原土，攪拌時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音，對(duì)周圍原有建筑物影響很小，缺點(diǎn)是對(duì)含有氯化物的黏土，有機(jī)質(zhì)含量高，PH值較低的黏土處理效果較差。

3.5 加載預(yù)壓法

加載預(yù)壓法是指在飽和軟土地基上施加荷載后，孔隙水被緩慢排出，孔隙體積隨之縮小，地基發(fā)生固結(jié)變形，地基土強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)，達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)后再卸載，使地基土壓實(shí)、沉降、固結(jié)的方法。加載預(yù)壓處理的地基上建造建（構(gòu)）筑物，不僅地基承載力提高，而且施工后沉降小。根據(jù)土層實(shí)際性狀，可以配合使用塑料排水板，增加排水通道，加快軟土層的排水固結(jié)。優(yōu)點(diǎn)是成本較低，缺點(diǎn)是技術(shù)要求比較復(fù)雜。

3.6 加筋加固法

加筋加固法的基本原理是在土中加入條帶、纖維或網(wǎng)格等抗拉材料，依靠它改善土的力學(xué)性能，提高土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性的方法。該方法可以通過在土層中埋設(shè)強(qiáng)度較高的土工材料，來提高地基承載力，減小沉降，維持建(構(gòu))筑物或土坡穩(wěn)定。加筋加固法的優(yōu)點(diǎn)是成本較底，缺點(diǎn)是對(duì)于自重較大的建筑物處理效果不佳。

4 某小型閘站的軟土地基處理技術(shù)方案

某小型閘站采用河床式布置，建筑物級(jí)別為4級(jí)，閘站泵房與閘室集中布置。河道左側(cè)布置泵站，泵房為濕室式墩墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)2臺(tái)潛水軸流泵，單機(jī)流量均為0.5m3/s。河道右側(cè)布置水閘，水閘閘室為單孔開敞式寬頂堰型式，設(shè)平板工作門，設(shè)計(jì)流量為3.0m3/s。閘站上游為引水渠，設(shè)混凝土護(hù)坦及護(hù)坡，泵站下游設(shè)出水池，兼做水閘消力池。

圖1 閘站結(jié)構(gòu)剖面圖

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，站址地表多為雜填土，下部依次為第四系上更新統(tǒng)積層（Q3al）淺黃色粘土層，厚約4.1～8.0m，粉質(zhì)粘土層，厚約0～2.4m，以及粉砂層。根據(jù)工程布置，閘站建在粘土層上，其承載力特征值為100KPa，壓縮模量為4.0MPa，下部粉質(zhì)粘土層承載力特征值為210KPa，壓縮模量為8.2MPa。建筑物穩(wěn)定應(yīng)力分析結(jié)果顯示，建筑物基底平均應(yīng)力為94KPa，基底最大應(yīng)力為121.0KPa，原軟土地基不滿足承載力及應(yīng)力不均勻系數(shù)要求，需進(jìn)行處理。

根據(jù)本工程規(guī)模和特點(diǎn)、閘站結(jié)構(gòu)布置型式，工程區(qū)地質(zhì)條件等，考慮到水泥土攪拌法較適用于該地基土層，且能充分利用樁間土的強(qiáng)度，造價(jià)也較經(jīng)濟(jì)，采用水泥土攪拌樁對(duì)地基進(jìn)行處理。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79-2012，水泥土攪拌樁復(fù)合地基應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：

λ—單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，設(shè)計(jì)取λ=0.8；

m—面積置換率；

Ra—單樁豎向承載力特征值（kN）；

Ap——樁的截面積（m2）；

β——樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，考慮設(shè)置褥墊層，設(shè)計(jì)取0.9；

上式中，單樁豎向承載力特征值Ra可按下式估算：

式中：

qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa），按實(shí)際土層參數(shù)取值；

li—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；

Ap—樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，一般取0.4～0.6；

qp—樁端端阻力特征值（kPa），按實(shí)際土層參數(shù)取值。

經(jīng)計(jì)算，水泥土攪拌樁直徑0.6m，處理深度10m，基礎(chǔ)四周采用單排連排樁圍封，中間采用1.2 m×1.2m 格柵狀布置，置換率為22.7%，單樁承載力為70.7kN，復(fù)合地基承載力為251.1kPa，地基最大沉降值為4.40cm，處理后地基可滿足工程要求。

5 處理軟土地基時(shí)應(yīng)注意的問題

5.1 選取合理的處理方案

在工程建設(shè)前，應(yīng)重視地基處理方案的選取，特別是在軟土地基部位相關(guān)工程施工前，為確保工程質(zhì)量，必須對(duì)工程建設(shè)內(nèi)容、現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)條件等因素進(jìn)行深入的了解和研究，結(jié)合項(xiàng)目具體情況，選擇科學(xué)合理經(jīng)濟(jì)的處理方案。例如在一些大型的水利工程中，采用置換的方式對(duì)軟土地基的處理可能導(dǎo)致開挖及換填的方量較大，需投入的人力和機(jī)械設(shè)備較多，從工程造價(jià)上不太經(jīng)濟(jì)。因此在進(jìn)行軟土地基處理時(shí)，要選擇合理的處理方案，保證工程安全經(jīng)濟(jì)。

5.2 施工準(zhǔn)備階段

在水利工程施工準(zhǔn)備階段對(duì)軟土地基進(jìn)行正式施工之前，對(duì)使用的設(shè)備要進(jìn)行必要的檢查和維護(hù)，這樣能保證在施工時(shí)設(shè)備能正常運(yùn)行，減少不必要得工程延期的情況。此外，對(duì)進(jìn)場(chǎng)建筑材料也要進(jìn)行必要的檢查，對(duì)其嚴(yán)格把關(guān)，保證入場(chǎng)的材料能符合要求，才能保證建筑的整體質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 實(shí)施過程中

在進(jìn)行軟土地基的施工時(shí)，應(yīng)提前制定科學(xué)的施工方案，按照相關(guān)工序逐一進(jìn)行，且嚴(yán)格按照?qǐng)D紙和相關(guān)規(guī)范，保證相關(guān)要求有效落實(shí)，施工中注重操作和管理的規(guī)范化，對(duì)于工程所涉及的安全隱患問題要做好防護(hù)，保證安全工作實(shí)際到位，確保施工質(zhì)量和安全。

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，在對(duì)水利工程的軟土地基進(jìn)行處理時(shí)，要了解工程基本情況，根據(jù)不同地基處理方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，選擇科學(xué)合理的處理措施，解決軟土地基帶來的各種工程問題，避免因不良地基條件導(dǎo)致工程出現(xiàn)質(zhì)量問題。這需要技術(shù)人員結(jié)合地形、地質(zhì)條件，綜合考慮工程投資、工期、施工過程中的安全問題等，選擇技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理的處理方案。