新冯家口闸淤泥质软土地基的处理措施

郑 颖, 张著彬

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064)

淤泥类土是在静水或缓慢的流水(海滨、湖泊、沼泽、河滩)环境中沉积,经生物化学作用形成的含有较多有机物、未固结的饱和软弱粘性土。其主要特点是孔隙比>1,天然含水率大于液限。根据孔隙比大小,又可分为淤泥(孔隙比>1.5)和淤泥质土(孔隙比1～1.5)[1]。淤泥和淤泥质土具有透水性弱、强度低、压缩性高等特点。其承载力一般<100 kPa,被视为软弱地基土。对于上部结构荷载较大、对变形要求较高的建筑物,不能利用淤泥类土作为天然地基持力层。但在工程建设中,受工程地质条件、建筑物性质及建筑场地等诸多因素限制,建筑物不得不建在淤泥类软土地基上,这就要求对软土地基采取补强处理。本文在对新冯家口闸软土地基工程地质特性分析及处理措施总结的基础上,结合类似工程经验,对软土地基的工程地质特性、处理措施以及软土地基处理过程中的常见问题进行了探讨。

1 新冯家口闸工程概况

南水北调中线从丹江口水库调水,造成汉江中下游水量减少,相应的从汉江进入东荆河的流量减小,水位降低,影响了东荆河两岸闸站正常使用。为减小其影响,需在仙桃市的东荆河左堤新建新冯家口闸,以改善通顺河—东荆河之间的灌溉条件。

根据设计,新冯家口闸为单孔闸,孔口尺寸3 m×4 m,设计流量18.0 m3/s,建筑物等级为Ⅲ级。闸底板高程20.40 m,建基面高程19.30 m。由进水渠、闸室(启闭机排架)、箱涵(洞)、翼墙、进出水池、沉螺池等建筑物组成。

2 基本地质条件

闸址地处仙桃市冯家口镇,新建冯家口闸位于东荆河左堤143+180处,为穿东荆河左堤建筑物。堤顶高程31.74～31.84 m,堤顶宽8.0 m。堤身外平台宽约50 m,高程24.29～26.96 m;堤外为宽250 m左右外滩,高程21.40～24.29 m。堤身内平台宽30～50 m,高程24.01～26.17 m;堤内为公路和火脑沟滩地。

闸址地层主要为第四系全新统地层(Q4),地层岩性自上而下依次为:①堤身填土(黄褐色壤土);②-1灰色砂壤土夹薄层粘土或粉砂条带;②-2黄褐色粘土;②-3褐灰色淤泥质粘土;②- 4黄褐色壤土;③-1黄褐色粘土;③-2灰褐色淤泥质粘土;④灰黄色壤土;⑤-1灰褐色粉细砂;⑤-2灰褐色砂壤土;⑥褐灰色粘土。

根据各土层室内土工试验及原位测试成果统计分析,结合类似工程经验综合取值,各土层物理力学参数(见表1)。

3 闸基软土的分布特征及工程地质特性

3.1 闸基软土分布特征

根据钻探揭示,闸基软土分布不均,厚度变化较大。根据其分布位置的差异分为两层(见图1):

②-3层,褐灰色,流塑状态,富含有机质,局部含螺壳,有腥味,粘性强,为闸及箱涵建基面主要土层,厚0.5～5.1 m,层底高程17.21～22.22 m。

图1 新冯家口闸剖面图Fig.1 Profile of Xinfengjiakou gate1.第四系全新统人工堆积;2.第四系全新统湖积堆积;3.第四系全新统冲积堆积;4.粘土夹碎石;5.粘土;6.壤土;7.砂壤土;8.淤泥质粘土;9.粉细砂;10.地层分界线;11.标贯击数;12.原状样及编号;13.扰动样及编号;14.地下水位;15.钻孔编号钻孔;17.地层编号;18.孔深—高程。

表1 新冯家口闸各土层物理力学参数表Table 1 The physical and mechanical parameter table of each soil layer of Xinfengjiakou gate

③-2层,灰褐色,流塑状态,土质不均,局部夹厚约1.15 m的褐灰色淤泥质壤土,富含有机质,具腥臭味,呈透镜层状分布于外滩,厚0.8～3.0 m,层底高程17.41～19.55 m。

3.2 闸基软土工程地质特性

根据闸基软土室内土工试验成果(见表1)表明,闸基分布的两层软土层物理力学性质大同小异,均具有如下工程地质特性。

(1) 高孔隙比:试验成果表明,②-3和③-2两层淤泥质粘土层的孔隙比分别为1.101和1.245,均>1,但<1.5。

(2) 高含水率:试验成果表明,②-3和③-2两淤泥质粘土层的含水率分别为46.1%和63.9%,均大于其液限44.8%和54.4%。

(3) 高压缩性:试验成果表明,②-3和③-2两淤泥质粘土层的压缩系数分别为1.023 MPa-1和0.941 MPa-1,压缩模量分别为2.55 MPa和2.15 MPa,均具有高压缩性。

(4) 低强度:试验成果表明,②-3淤泥质粘土层的快剪强度为Cq=11 kPa 、φq=6.7°,固结快剪强度为Ccq=14 kPa、φcq=9.4°;③-2淤泥质粘土层的快剪强度为Cq=9 kPa 、φq=5.6°,固结快剪强度为Ccq=10 kPa、φcq=7.8°。两层土层的强度均较低。

(5) 低承载力:根据物理参数查表及原位测试成果综合取值,两层土层的地基承载力特征值均为60～80 kPa,地基承载力极低,不能满足上部建筑物对地基承载力的要求。

(6) 微透水性:试验成果表明,②-3和③-2两层淤泥质粘土层的渗透系数分别为4.36×10-6cm/s和5.25×10-6cm/s,均具微透水性,不利于土层渗透排水。

4 软土地基处理方案选择

根据设计,新冯家口闸底板高程20.40 m,建基面高程19.30 m,闸及箱涵等建基面正好坐落在软土层上。由于软土层存在均匀性差、压缩性高、承载力低等特点,不能满足上部建筑物对地基承载力及变形的要求,因此,需要对软土地基进行处理。

对于软土地基的处理,常用的方法有换填法、排水固结法和桩基法等[2]。在本工程设计过程中,主要针对上述三种方法从适宜性、时效性及经济性等方面进行了比较,方案比较见表2。

从表2可以看出,由于新冯家口闸建基面以下淤泥质粘土层具有一定埋藏深度和厚度,场地狭窄,地下水埋深浅,土层透水性差,且受堤防及防洪安全等因素影响,对工期要求高。综合上述各种因素分析,本工程不适合采用换填法及排水固结法,适合采用工艺简单、进度快、效果好的桩基础法。

表2 软基处理方案对照表Table 2 Check list of soft foundation treatment scheme

桩的分类很多,根据材料可分为木桩、砂石桩、钢筋混凝土预制(现浇)桩，灌柱桩和水泥搅拌桩等。木桩由于其耐久性差在民用建筑中已禁止使用;砂石桩主要用于加固较深淤泥类软土地基,存在工期长、后期变形大等问题,对变形要求较高的建筑不宜使用;钢筋混凝土预制桩虽具有施工快、效果良好等优点,但对施工机械及场地要求高,对于处理大面积场地而言比较经济实惠,但对于小规模工地而言,由于一次性投资较高,反而不太经济;灌注桩则存在因桩孔缩径而导致桩身完整性的问题;水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂的主剂,利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌,使水泥与土发生一系列物理化学反应,使软土硬结而提高地基强度,是处理软土地基的一种行之有效的方法,具有施工方便、工期短、效果好等特点。

新冯家口闸直接与堤身衔接,施工场地受限,且存在软基土层范围较小,工程量不大等特点,经综合比较,采用了水泥搅拌桩作为本工程软基处理方案。

5 软基处理存在的问题及应对措施

5.1 施工工艺选择

水泥搅拌桩按材料喷射状态可分为湿法和干法两种。湿法以水泥浆为主,其特点是搅拌均匀,易于复搅,但存在水泥土硬化时间较长的问题;干法以水泥干粉为主,其特点是水泥土硬化时间较短,能提高桩间的强度,但存在搅拌均匀性欠佳,很难全程复搅的问题[3]。由于本工程地基地层岩性复杂,考虑到搅拌桩质量,选择了搅拌均匀且易于复搅的湿法施工工艺。

5.2 水泥搅拌桩的布置

计算结果表明,新冯家口闸闸室及箱涵设计最大基底应力达182 kPa,远大于闸址区软土的地基承载力特征值60～80 kPa,同时也大于下伏各土层的地基承载力特征值。因此需采取水泥土搅拌桩进行地基处理。根据设计计算,水泥土搅拌桩置换率为20%,搅拌桩间距为1 m,梅花形布置,搅拌深度进入④壤土层内,桩尖底高程为7.7 m。

5.3 存在的问题及应对措施

受地层不均匀性及施工工艺熟练性差等因素影响,施工过程中主要遇到了桩顶强度低、冒浆和桩体不均匀等问题。其主要原因及应对措施如下。

(1) 桩顶强度低问题。原因分析:由于堤基表面覆盖压力较小,在搅拌过程中,上部土体很难搅拌均匀,导致桩顶成桩难,成桩质量差。

应对措施:建基面桩顶以上预留30～50 cm保护层;人为增加盖重;在桩顶以下1 m范围内做好加强段,进行一次复拌加注浆,同时提高水泥掺量15%。

(2) 冒浆问题。原因分析:在下伏③-1层粘土和④层壤土层中,受土的孔隙比偏小及上覆压力大等因素影响,土层持浆能力差。而原设计搅拌速度和注浆压力主要针对软土层设计,在原设计搅拌速度和注浆压力下,土层难以吸收原设计输浆量,从而导致冒浆。

应对措施:提高搅拌转速,降低注浆压力和提升速度,使土与水泥浆充分拌合,从而达到减少冒浆的目的。

(3) 桩体不均匀问题。原因分析:由于本工程水泥土搅拌桩需要深入④层壤土中,除穿过淤泥质粘土层外,还要穿过③-1层粘土并进入④层壤土,由于各土层物理力学性质的差异及所处深度不同,在相同搅拌速度和注浆压力下,其持浆量也各有差异。由于在施工过程中,仅按同一搅拌速度和注浆压力进行施工,从而导致了桩体不均匀问题。

应对措施:针对不同土层采用不同的搅拌速度和注浆压力。根据现场测试,软土层的搅拌速度为500 r/min,注浆压力为0.6 MPa,粘土和壤土的搅拌速度为700 r/min,注浆压力为0.4 MPa。通过上述方法施工后,桩体均匀,质量良好,达到了预期效果。

6 成效

通过对软基处理过程中遇到的问题进行及时分析处理,提高了水泥土搅拌桩的成桩质量,有效解决了闸基承载力不足的问题。根据试桩测试,经水泥搅拌桩处理后的复合地基承载力达到190 kPa以上,完全满足上部建筑物对地基承载力及变形的要求。该工程于2013年5月建成投入使用,至今未发生不均匀变形问题,沉降量也在设计允许范围类。充分说明,本次地基处理效果良好,可在同类工程中推广使用。

7 结语

淤泥类软土属特殊类土,具孔隙比大、含水量高、压缩性高、透水性差和强度低等特点。一般不宜直接作为建筑物的天然地基持力层。如果不得已将建筑物建于软土层上,多需要采取地基处理。软土地基的处理方法较多,在选择处理方案前,必须弄清地基软土的分布特征及工程地质特性,并结合建筑物规模及结构特点合理选择处理方案。通过本工程的实践经验证明,采用水泥土搅拌桩处理软土地基以提高复合地基承载力是行之有效的办法,可在类似工程中推广使用。

参考文献：

[1] 《工程地质》手册编委会.工程地质手册[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社,2007.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范：GB50007-2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 高谦,罗旭，吴顺川,等.现代岩土施工技术[M].北京：中国建材工业出版社,2006.