蓋浩瑞

（萊陽市勘察工程隊(duì),山東 萊陽 265200）

1 工程概況

山東某水閘是一宗以擋潮為主,兼有防洪、蓄淡灌溉效益的Ⅲ等中型水閘工程。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)50 年一遇,防潮標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇。設(shè)計(jì)引水流量0.25 m3/s,設(shè)計(jì)最大泄流量234 m3/s,同時(shí)與左右堤防形成完整的防潮（洪）體系,阻擋附近江河的洪潮倒灌,保護(hù)農(nóng)田15000 畝與8000 人口的生命財(cái)產(chǎn)安全,為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展提供了保證。

2 水閘閘址區(qū)基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

水閘場(chǎng)地屬于河口三角洲平原地貌單元,為開挖山坡改河道建成。水閘上游段主河道正常水深3 m~4 m,水流緩慢；水閘下游段主河道水深4 m~5 m。下游段由于徑流和潮流的互相制約消能作用,屬弱潮河口。左右兩岸地形較平坦,河道在水閘處直順。

2.2 地層巖性

根據(jù)鉆孔揭露,閘基地層主要為第四系河流相沉積的淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)細(xì)砂、粘土、粘土質(zhì)砂等,下伏二疊~三疊系的花崗巖（P-Tγ）,地層巖性特征如下：

②淤泥質(zhì)細(xì)砂（Q4al）：呈灰黑色,飽和,松散,主要由粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)組成,局部含有少量的貝殼碎屑,工程力學(xué)性質(zhì)差。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=5 ~6 擊,該層在閘址區(qū)均有分布,揭露層厚2.90 m~3.80 m。

②1 粘土（Q4al）：呈灰黃~褐黃色,軟塑~可塑,巖芯呈長(zhǎng)條狀,土質(zhì)均勻細(xì)滑,粘性強(qiáng),韌性高,干強(qiáng)度高。該層呈可塑狀地段的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=7 ~9 擊,呈軟塑狀地段的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N＜7 擊,該層在閘址區(qū)分布較廣,揭露層厚1.50 m~5.40 m。

②2淤泥質(zhì)土（Q4al）：呈灰黑色,飽和,軟塑,含有少量的粉細(xì)砂和細(xì)粒的貝殼碎屑,整體標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=2 ~4 擊,其中右岸及下游偏左側(cè)部分深度地段因粉細(xì)砂粒含量高,右岸部分深度地段標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=4 ~6 擊及下游偏左側(cè)部分深度地段N=9 ~10 擊,亦說明該層部分深度地段土質(zhì)均勻性較差。該層在閘址區(qū)均有分布,層厚較大,揭露層厚4.80 m~16.00 m。

③粘土質(zhì)中粗砂（Q3m）：灰色為主,局部夾褐黃色,飽和,松散~稍密,主要由中粗砂和粘土組成,局部含有少量的小卵石,砂質(zhì)為長(zhǎng)英質(zhì),呈次圓狀~圓狀,分選差,粘土含量約20%~30%,粘土呈軟塑~可塑狀,稍具塑性。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=15 擊,該層在閘址區(qū)局部有分布,層厚較薄,揭露層厚0.60 m~1.80 m。

④全風(fēng)化花崗巖（P-Tγ）：綠色,淺綠色,濕,可塑,原巖結(jié)構(gòu)清晰,夾大量未完全風(fēng)化的長(zhǎng)英質(zhì)砂礫,粘性差,韌性低,巖芯呈短條狀。該層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=17 擊,該層在閘址區(qū)均有分布,揭露最大層厚2.30 m。

⑤強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（P-Tγ）：灰黑色夾灰白色呈斑點(diǎn)狀,中粗粒結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石破碎,巖質(zhì)較堅(jiān)硬,節(jié)理裂隙面呈褐色,多為褐色渲染,礦物有蝕變現(xiàn)象。該層在閘址區(qū)均有分布,揭露最大層厚3.00 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和實(shí)地調(diào)查,閘址區(qū)次一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造線不發(fā)育,無次一級(jí)地質(zhì)構(gòu)造線穿越,未發(fā)現(xiàn)挽近期活動(dòng)斷裂分布。地表無地質(zhì)構(gòu)造分布的痕跡,閘址區(qū)目前處于地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 水文地質(zhì)

閘址區(qū)地表水為河水和海水交匯,水位受潮汐影響變化較大。地下水主要賦存于②淤泥質(zhì)細(xì)砂、②2 淤泥質(zhì)土之中,為孔隙型潛水,地下水直接與海水、河水發(fā)生水力聯(lián)系,受地表水的補(bǔ)給。

為評(píng)價(jià)閘址區(qū)場(chǎng)地環(huán)境水對(duì)混凝土的腐蝕性,勘察期間在閘址區(qū)采取2 組地表水樣進(jìn)行室內(nèi)水質(zhì)分析。根據(jù)水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告,參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB 50487-2008）附錄L的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1],環(huán)境水對(duì)混凝土具有中等腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性。

3 地基主要問題

工程區(qū)場(chǎng)地分布有較厚的淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)細(xì)砂,具有含水量大,強(qiáng)度低,高壓縮性等特點(diǎn),屬軟土,存在不均勻沉降的問題。

淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)細(xì)砂厚度較大,含水量大,一般呈軟塑~流塑狀態(tài),地基抗滑穩(wěn)定性差,對(duì)水閘抗滑不利。②1 層粘土由粘粒組成,土的粘性好,土細(xì)滑,土的含水量一般,呈軟塑~可塑狀態(tài),②1 粘土層地基抗滑穩(wěn)定性差,也是水閘抗滑穩(wěn)定不利土層。閘基應(yīng)對(duì)地基土進(jìn)行強(qiáng)度和變形驗(yàn)算,如驗(yàn)算未能滿足建筑物強(qiáng)度和變形要求,需對(duì)下伏軟土層采取地基處理措施,如采用換填塊石或采用水泥土攪拌樁等地基處理措施,避免地基產(chǎn)生不均勻沉降。

4 水閘地基處理設(shè)計(jì)

4.1 水閘地基沉降計(jì)算與分析

4.1.1 計(jì)算工況

參考海堤工程沉降計(jì)算工況,計(jì)算工況采用正常蓄水位與多年平均低潮位組合,同時(shí)由于舊閘室斷面較小,新建閘室斷面較大,在沉降計(jì)算中的對(duì)原閘室荷載只考慮原上下游護(hù)坦及閘室底板作為原地基面層自重,見表1。

表1 閘室沉降計(jì)算工況

4.1.2 計(jì)算公式

（1）天然地基土層

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》 （SL 265 -2016）8.3.2 的計(jì)算公式[2]：

式中：S∞為地基最終沉降量,m；n為地基壓縮層計(jì)算深度范圍內(nèi)土層數(shù)；e1i為基礎(chǔ)底面以下第i層土在平均自重應(yīng)力作用下對(duì)應(yīng)的空隙比；e2i基礎(chǔ)底面以下第i層土在平均自重應(yīng)力加平均附加應(yīng)力作用下對(duì)應(yīng)的空隙比；hi為基礎(chǔ)底面以下第i層土的厚度；m為地基沉降量修正系數(shù),取1.3。

（2）水泥土攪拌樁復(fù)合地基

水泥土攪拌樁復(fù)合地基,設(shè)計(jì)樁徑0.5 m,樁距1.0 m,閘室地基梅花型布置,兩岸擋墻地基雙向布置,樁長(zhǎng)6.0 m,基礎(chǔ)與樁間設(shè)置0.3 m褥墊層。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基變形由復(fù)合土層和樁端以下的土層變形兩部分組成,復(fù)合地基層的變形計(jì)算采用《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2015）中的計(jì)算公式：

式中：Po為攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值,kPa；Po1為攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值, kPa；Eps為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量；Ep為攪拌樁的壓縮模量,取100fuk；Es為樁間土的壓縮模量。

復(fù)合土層以下各土層的沉降計(jì)算,仍采用分層總和法計(jì)算影響深度范圍內(nèi)的各土層沉降量。

4.1.3 沉降計(jì)算結(jié)果與分析

（1）斷面選擇及計(jì)算點(diǎn)

斷面選擇：中孔閘室。計(jì)算點(diǎn)：取底板兩端和中點(diǎn)。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 沉降荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

（2）計(jì)算結(jié)果

本閘室沉降按空間問題計(jì)算,只列出最大壓力邊點(diǎn)的計(jì)算表格,其余2 個(gè)計(jì)算點(diǎn)按相同方法計(jì)算。由于本水閘采用分期導(dǎo)流,工期相對(duì)緊張,同時(shí)閘室基礎(chǔ)及左側(cè)岸墻的攪拌樁只需要解決沉降問題,為了縮短養(yǎng)護(hù)周期,攪拌樁的彈性模量采用28 d的彈性模量作為設(shè)計(jì)計(jì)算值,利于在枯水期內(nèi)完成水閘基礎(chǔ)澆筑。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 閘室沉降計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明,閘室在地基處理之前,最大沉降量為20. 2 cm>15 cm,最大沉降差為5.3 cm>5.0 cm,均不滿足規(guī)范要求。因此,需要對(duì)地基進(jìn)行處理,根據(jù)軟弱土層的特性,采用水泥土攪拌樁加固地基:設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m,樁距1.0 m,樁長(zhǎng)為5.0 m,樁體在28 d齡期下立方體抗壓強(qiáng)度要求fcu>0.8 MPa, 90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度要求fcu>1.5 MPa。經(jīng)過地基處理后,閘室最大沉降量為13.4 cm<15 cm,最大沉降差為2.6 cm<5.0 cm,滿足規(guī)范要求。

4.2 地基處理方案的分析與選擇

由于本水閘地基中存在約15 m厚的高壓縮性土層,閘室部位天然地基滿足承載力的要求及防滲良好,但不滿足沉降量要求；右側(cè)局部岸墻及翼墻位于②2 淤泥質(zhì)土,地基承載力僅為80 kPa,承載力及沉降量均不滿足規(guī)范要求。

水閘松軟地基處理一般采用以下幾種：換土墊層、沙井預(yù)壓、擠密砂石樁、樁基、沉井、強(qiáng)夯、攪拌樁等方法處理。本工程的軟基比較厚,換土層法不合適；沙井預(yù)壓需要較長(zhǎng)的預(yù)壓時(shí)間,在分期圍堰施工的情況下,難于滿足工期要求；擠密砂石樁一般適用于松砂或砂壤土地,在粘性地基效果甚微,還容易造成防滲問題；樁基適用范圍比較廣,在本工程中地質(zhì)條件也比較適用,但需要打穿15 m厚的軟土層,進(jìn)入持層,但樁基施工時(shí)間長(zhǎng),水閘后期運(yùn)行期間有可能造成閘室底板脫空,出現(xiàn)防滲問題；強(qiáng)夯一般適用于透水性好的土層,本水閘地基層滲透系數(shù)為3.82 ×10-7cm/s,效果甚微,時(shí)間也長(zhǎng)；水泥土攪拌樁適用本水閘地基基礎(chǔ)處理,施工速度快,工期養(yǎng)護(hù)方面可以采用提高水泥摻入量來縮短養(yǎng)護(hù)周期,同時(shí)在本工程周圍地區(qū)的水閘基礎(chǔ)處理中均有應(yīng)用,效果較好。綜合考慮下,本工程地基處理采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固。

4.3 地基處理后地基承載力計(jì)算與分析

由于右側(cè)局部岸墻及翼墻位于②2 淤泥質(zhì)土,地基承載力僅為80 kPa。因此,在滿足沉降要求的基礎(chǔ)上,復(fù)核其復(fù)合地基的承載力是否滿足要求。設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m,樁距1.0 m,樁長(zhǎng)為5.0 m,褥墊層厚度0.3 m,樁端與樁間土均位于②2 淤泥質(zhì)土。

4.3.1 單樁承載力計(jì)算

單樁豎向承載力特征值應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）式（7.1.5）[3]式（4）估算并滿足式（5）要求：

式中：fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值,取3.0 MPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù),濕法取0.25；Ap為樁的截面積；up為樁的周長(zhǎng),為1.57 m；n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù),n=1 層；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值,取10 kPa；li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度,②2 淤泥質(zhì)土6 m,樁長(zhǎng)為6.0 m；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值,根據(jù)地質(zhì)建議取80 kPa；a為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù),取0.6。

由式（4）計(jì)算,由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力為Ra=103.67kN。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）式（7.3.3）[3],計(jì)算樁身材料強(qiáng)度：

式中：η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù),取0.25；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值,kPa；Ap為樁的截面積,m2。

經(jīng)計(jì)算,樁身材料強(qiáng)度為147 kN,大于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力103.67 kN,符合規(guī)范要求。

4.3.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

復(fù)合地基承載力計(jì)算,應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)確定,初設(shè)時(shí)可按式（7）計(jì)算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值,kPa；m為樁土面積置換率,取0.196；Ra為單樁豎向承載力特征值,kN；Ap為樁的截面積,取0.196 m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),取0.2；fsp為處理后樁間土承載力特征值,取fsp=80 kPa。

計(jì)算結(jié)果為復(fù)合地基承載力,大于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力 103.67 kN,滿足復(fù)合地基承載力要求。

4.3.3 持力層承載力驗(yàn)算

水泥土攪拌樁為群樁基礎(chǔ),攪拌樁置換率接近20%,且非單排排列,應(yīng)驗(yàn)算下臥層的地基強(qiáng)度。假定攪拌樁的樁群體與樁間土為實(shí)體基礎(chǔ),②2淤泥質(zhì)土內(nèi)摩擦角為1.63°,假想實(shí)體基礎(chǔ)地面壓力按式（8）計(jì)算：

計(jì)算得,f1=［116×4.65+119×4.99-（4.65×2+2）×6×10-80×（4.65 -4.99）］/4.99 =96.6 kPa,假想實(shí)體基礎(chǔ)底面積=4.65+2×6×tan1.63=4.99 m2,樁端修正地基承載力特征值=80+1.0×（18.1-10）×（7.3-0.5）+1 ×（18.1-10）×（4.85-3）=150 kPa＞96.6 kPa。滿足持力層承載力要求。

5 結(jié)語

本文基于山東某水閘閘址區(qū)基本地質(zhì)條件及軟土地基問題,進(jìn)行地基沉降與承載力計(jì)算,并提出相應(yīng)處理方案,經(jīng)水泥土攪拌樁處理后進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算,地基沉降量及承載力均滿足規(guī)范要求。