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        某防洪閘水泥土攪拌樁復(fù)合地基計(jì)算分析

        2021-11-11 11:39:40張利濱王偉
        河南水利與南水北調(diào) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:水溝壤土淤泥

        張利濱;王偉

        (1.河南省水利勘測(cè)有限公司,河南 鄭州 450008;2.河南省特殊巖土環(huán)境控制工程技術(shù)中心,河南 鄭州 450008)

        0 引言

        水閘地基常存在新近沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土、軟弱粘性土、松散液化砂土等不良地質(zhì)條件,常常會(huì)導(dǎo)致閘基出現(xiàn)沉降變形過(guò)大、不均勻沉降,閘室、翼墻出現(xiàn)拉裂、傾斜、甚至斷裂,如不采取地基處理,將影響水閘功能正常發(fā)揮。水泥土攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、軟弱粘性土、松散~中密砂土,因其具有可以最大限度利用原土,攪拌時(shí)震動(dòng)小、噪聲低,對(duì)周圍既有建筑物影響較小,造價(jià)相對(duì)便宜,施工方便,技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn),在水工建筑物地基處理中得到廣泛應(yīng)用。以水溝防洪閘為例,通過(guò)計(jì)算分析,論述水泥土攪拌樁在其地基處理中的應(yīng)用。

        1 工程概況

        水溝防洪閘為建在伊洛河支溝水溝上的溝口控制閘,設(shè)計(jì)防洪閘由進(jìn)口連接段、閘室段、消力池段、海漫段組成,全長(zhǎng)69.40 m。閘室段總長(zhǎng)17.00 m,共設(shè)2孔,單孔凈寬6.00 m,整體式“山”型結(jié)構(gòu),底板為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

        2 地質(zhì)概況

        2.1 地形地貌

        伊洛河河道順邙山山谷順流而下,多蜿蜒曲折,兩岸受黃土丘陵、崗地束縛,灘地狹窄,最窄處約650 m。水溝為伊洛河左岸支溝,發(fā)源于鞏義市康店鎮(zhèn)西北部黃土丘陵,屬山丘區(qū)河道。入伊洛河口處附近地面高程110.10~111.80 m,閘址附近水溝寬約10~14 m,溝底高程107.30~108.90 m,溝深約2.00~2.60 m。

        2.2 地層巖性

        水溝防洪閘場(chǎng)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為粘、砂、礫多層結(jié)構(gòu),由第四系全新統(tǒng)沖積成因的粉質(zhì)壤土、細(xì)砂、卵石組成,現(xiàn)由老至新分述如下。

        卵石(第⑦層):稍密~中密狀,砂質(zhì)充填,厚度3.20~5.30 m(未揭穿);重粉質(zhì)壤土(第⑥層):可塑狀,厚度2.10~15.00m;細(xì)砂(第⑤層):稍密狀為主,局部松散狀,厚度2.10 m左右;重粉質(zhì)壤土(第④層):可塑狀,巖性不均,夾輕粉質(zhì)壤土薄層理或透鏡體,厚度1.90~2.10 m;細(xì)砂(第③層):松散~稍密狀,層間可見(jiàn)重粉質(zhì)壤土和卵石透鏡體,厚度4.90~6.00 m;灰色重粉質(zhì)壤土(第③-1層):軟塑狀,略有腥臭味,厚度1.00~5.50 m;中粉質(zhì)壤土(第②層):軟塑~可塑狀,厚度2.90~3.60 m;輕粉質(zhì)壤土(第①層):軟塑~可塑狀,厚度4.30~5.40 m;細(xì)砂(第①-1層):松散~稍密狀,在臨河漫灘分布,厚度9.50 m;此外,在現(xiàn)狀溝底分布有厚度0.70 m左右的淤泥。

        2.3 地質(zhì)參數(shù)建議

        結(jié)合土工試驗(yàn)、原位測(cè)試成果,并經(jīng)工程類比分析,提出閘基持力層參數(shù)建議值見(jiàn)表1。

        表1 閘基持力層力學(xué)參數(shù)建議值表(單位:kPa)

        3 地基處理計(jì)算分析

        3.1 穩(wěn)定計(jì)算

        水溝防洪閘為2級(jí)建筑物,穩(wěn)定計(jì)算工況如下。

        工況一:完建期;工況二:閘前排澇水位112.10 m,閘后河道防洪水位116.05 m,閘門關(guān)閉擋水防洪;工況三:閘前排澇水位112.10 m,閘后河道水位112.05 m,閘門開(kāi)啟;工況四:閘前、閘后水位108.60 m(正常水位),地震工況。

        將上述計(jì)算工況分為基本工況和特殊工況,相應(yīng)的荷載組合分為基本組合和特殊組合,荷載組合表詳見(jiàn)表2。

        表2 穩(wěn)定計(jì)算荷載組合表

        閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(1)計(jì)算:

        (1)

        式(1)中:∑G——作用在基底上的全部豎向荷載;σ——基底壓力(kN/m2);A——基底面積(m2);e——偏心距(m)(x向,y向);B——基底寬度(m)(x向,y向)。

        基底壓力不均勻系數(shù)按式(2)計(jì)算:

        η=σmax/σmin

        (2)

        式(2)中:η——不均勻系數(shù);σmax,σmin——最大及最小壓力值(kPa)。

        水溝防洪閘穩(wěn)定計(jì)算工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 水溝防洪閘穩(wěn)定計(jì)算成果匯總表

        從計(jì)算結(jié)果看,水溝防洪閘抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)和基底壓力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。閘基主要持力層第①~③層承載力標(biāo)準(zhǔn)值90~110 kPa,閘室基礎(chǔ)最大應(yīng)力為144.81 kPa,地基承載力強(qiáng)度不足,需采取地基加固處理。

        3.2 適用性分析

        水泥土攪拌樁是利用水泥等材料作為固化劑的主劑,利用攪拌樁機(jī)將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢?,使土體硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土,從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量。適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、粘性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細(xì)砂(松散、稍密、中密)等覆蓋層地基處理,不適用于含大孤石或障礙物較多且不易清除的雜填土、欠固結(jié)的淤泥和淤泥質(zhì)土、硬塑及堅(jiān)硬的粘性土、密實(shí)的砂類土,以及PH<4的酸性土??辈毂砻鲌?chǎng)區(qū)地層由軟塑~可塑狀粉質(zhì)壤土以及松散~稍密狀細(xì)砂組成,PH值7.41~7.93,因此,場(chǎng)地地質(zhì)條件適合采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行加固處理。

        3.3 復(fù)合地基承載力計(jì)算分析

        復(fù)合地基承載力與樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距和布樁型式密切關(guān)聯(lián)。

        樁長(zhǎng)、樁徑選擇:水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理目的一是提高承載力,二是減小變形。對(duì)于較軟的地基,在滿足強(qiáng)度的前提下,水泥土攪拌樁穿透較軟土層,達(dá)到強(qiáng)度相對(duì)較高土層,避免產(chǎn)生“懸浮”樁型,可有效減少沉降。因此,樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)時(shí),首先應(yīng)根據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件,選擇強(qiáng)度較高地層作為樁端持力層。結(jié)合本場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件,上部第①~⑥層壤土、細(xì)砂承載力標(biāo)準(zhǔn)值為90~120 kPa,下部第⑦層卵石承載力標(biāo)準(zhǔn)值400 kPa,強(qiáng)度明顯高于上部,選擇該層作為樁端持力層,有效樁長(zhǎng)12.50 m。

        水泥土攪拌法最早起源于美國(guó),國(guó)內(nèi)從1978年第一臺(tái)SSJB-1型雙軸攪拌樁機(jī)研制成功以來(lái),目前已發(fā)展為單軸、雙軸、三軸和多軸等多種成孔工藝,成樁直徑范圍一般500~700 mm。此次選擇樁徑500 mm。

        單樁承載力確定:《水工建筑物地基處理設(shè)計(jì)規(guī)范》《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》石浩男均提出,水泥土攪拌樁單樁承載力特征值按式(3)(4)進(jìn)行計(jì)算,采用二者計(jì)算小值作為攪拌樁單樁豎向承載力特征值。

        (3)

        Ra=ηfcuAp

        (4)

        式(3)(4)中:Ra—單樁豎向承載力特征值,kN;Up—樁身周長(zhǎng),m;n—地基土層數(shù);qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值,kPa,見(jiàn)表1;li—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度,m;a—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù),取0.40;qp—樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值,見(jiàn)表1;η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù),取0.25;fcu—標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值,劉香君等提出水泥土攪拌樁28 d齡期經(jīng)驗(yàn)值2.50 MPa,胡師遠(yuǎn)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得出綜合含水率40%~55%、水泥參量10%~18%時(shí)28 d齡期抗壓強(qiáng)度1.03 ~4.38 MPa(平均2.53 MPa),計(jì)算取值2.50 MPa。

        式(3)計(jì)算Ra=314.80 kN,式(4)計(jì)算Ra=122.70 kN,按規(guī)定取Ra=122.70 kN作為單樁豎向承載力特征值進(jìn)行復(fù)合地基承載力計(jì)算。

        樁間距和布樁型式選擇:假定樁間距1.00 m、1.25 m、1.50 m時(shí)采用式(5)分別試算正方形布樁和梅花形布樁復(fù)合地基承載力特征值,比較是否滿足最大基礎(chǔ)應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 復(fù)合地基承載力試算表

        (5)

        式(5)中:fspk—復(fù)合地基承載力特征值,kPa;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—樁間土承載力折減系數(shù),按經(jīng)驗(yàn)取0.75;fsk—處理后樁間土承載力特征值,取天然地基承載力特征值,100 kPa。

        從表4可以看出:采用樁間距1.25 m、梅花形布樁和樁間距1.00 m、梅花形及正方形布樁時(shí),處理后的復(fù)合地基承載力特征值均大于閘室基礎(chǔ)最大應(yīng)力,處理后復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。本著處理后的復(fù)合地基既能滿足上部荷載要求,又盡量減少處理工程量的角度出發(fā),建議樁間距采用1.25 m、布樁型式采用梅花形布置。

        4 結(jié)論

        水泥土攪拌樁具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工方便、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì),可用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、粘性土(軟塑、可塑)、粉土(稍密、中密)、粉細(xì)砂(松散、稍密、中密)等覆蓋層地基。文章結(jié)合水溝防洪閘水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理,提出水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)既要滿足承載力要求,又要盡量減小處理后復(fù)合地基變形量,樁端應(yīng)置于強(qiáng)度相對(duì)較高地層?;驹O(shè)計(jì)流程分為三步:①根據(jù)場(chǎng)區(qū)地層選擇強(qiáng)度較高地層作為樁端持力層,②根據(jù)樁長(zhǎng)和樁身強(qiáng)度確定單樁豎向承載力特征值,③采用不同樁間距和布樁型式進(jìn)行試算,選擇與上部荷載最接近的方案作為地基處理方案。文章提出水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)流程可為同類工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

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