洞庭湖区软弱地基水泥土改良技术应用研究

薛 松

（湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南 长沙 410007）

1 背 景

共双茶垸分洪闸工程属于国务院172 项目，该工程是洞庭湖三垸分蓄洪工程的重要组成部分，建成后将与原有湖堤一起构成一道有效的防洪屏障，确保蓄洪区内群众的生命财产安全，同时有利于缓解城陵矶地区的防洪紧张局面[1]。工程蓄洪容积约21.00 亿m3，最大分洪流量为3 630 m3，闸室总宽305.5 m，闸室过流总净宽260.0 m，一共26 孔，闸室为整体开敞式结构，底板高程24.50 m，闸顶高程36.00 m。

根据勘察成果，共双茶垸分洪闸闸址区地层主要为淤泥质粉质粘土夹粉细砂及粉质粘土，淤泥质粉质粘土具有抗剪强度低和地基承载力低的特点，主要存在渗透变形问题、不均匀沉降问题、抗滑稳定问题和抗冲刷稳定问题等工程地质问题[2]。在初步设计阶段，岩土专业建议对闸室地基进行加固处理，采取基坑排水和相应支护措施；建议对海漫段进行地基处理，海漫下布置水泥土搅拌桩；建议对闸室上游防冲槽区、防渗铺盖段地基采取处理措施。在施工图设计阶段，由于一些原因，设计只对闸室主体结构段和上下游翼墙地基进行了水泥土搅拌桩处理，对上下游铺盖及海漫等位置未进行地基处理。

在实际施工时，海漫进行大面积开挖后，发现开挖面地基承载能力极低，施工机械发生沉陷无法在揭露面上进行摊铺作业，为能满足施工机械作业要求，同时满足结构物作用下不发生不均匀沉降，需对该部分地基进行处理。水利工程建设中常用于加固软土地基的水泥土搅拌桩加固法[3]，遇到高含水量且富含有机质的淤泥质土时，可能出现强度较低、成桩困难的问题，用于处理海漫等次要结构的地基土成本较高[4]。因此现场对基面进行了原位水泥土改良试验，根据轻型动力触探结果，改良后物理力学特性改善明显，能够满足要求。后经各方同意，对淤泥质粉质粘土夹粉细砂层进行了大面积原位水泥土改良，效果显著，经济适用性高，同时节约了施工工期。

2 地质条件

共双茶垸分洪闸工程位于共双茶蓄洪垸内，四面环水。垸内河湖水系密布，沟渠纵横交错，地下水位较高，该区范围内土质以河流冲积物和湖积物为主。地基自上而下依次为：①Q4al+l灰黄色、灰褐色粉质粘土，湿润，呈可塑状，厚0.5～2.2 m；②Q4al+l深灰色、灰绿色淤泥质粉质粘土，夹薄层粉细砂，淤泥质粉质粘土呈软塑状，厚2.0～2.8 m，薄层粉细砂呈千层饼状，砂单层厚度一般1～4 cm；③Q4al+l灰褐色、灰色粉质粘土，湿润，呈软塑～可塑状，厚度1.0～2.5 m；④Q3al黄褐色、灰褐色夹灰白色粉质粘土，具似网纹状结构，呈可塑～硬塑状，局部夹砂壤土、砾质土透镜体，总厚5.4～13.5 m，其中砂壤土透镜体单层厚0.2～0.6 m，砾质土透镜体单层厚1.2～2.3 m；⑤Q3al黄褐色、灰白色粉细砂，稍密，厚2.1 m～10.8 m；⑥Q3al灰白色、灰褐色砂砾石层，中密，钻孔揭露未见底。海漫和上游铺盖地基（或下卧层）为淤泥质粉质粘土夹粉细砂，淤泥质粉质粘土具有抗剪强度低和地基承载力低的特点，存在不均匀沉降问题。

勘察单位对地基土进行室内试验，工程特性及透水性分别评价如下：淤泥质粉质粘土夹粉细砂：天然含水量37.1%～65.6%，干密度0.97～1.48 g/cm3，孔隙比1.016～1.772，呈流塑～软塑状，压缩系数0.51～1.42 MPa-1，具高压缩性，饱和快剪抗剪强度φ 值3.6°～13.4°，C 值9.0～25.5 kPa，标贯击数1.9～2.9 击，垂直渗透系数为2.8×10-5cm/s。推荐值见表1。

室内试验和现场试验有一定差别，经现场轻型动力触探，淤泥质粉质粘土夹粉细砂层30 cm触探击锤数小于3～4 锤，则承载能力约50kPa。

3 现场试验成果分析

由于对地基土进行大面积原位改良，在洞庭湖区类似工程和类似土质还未有先例，因此需要事先通过现场试验来分析改良效果。为满足在上部结构作用下地基不发生不均匀沉降及满足施工机械作业要求，经设计确认，改良后地基承载能力应达到120 kPa 以上，现场试验以此作为控制依据。

现场试验分两次进行，第一次利用现场已有的P.O42.5 水泥作为固化剂，分别掺土体天然重度10%和15%的水泥进行试验，此时土体含水量为32%。试验结果见下文，通过试验结果分析，改良5 天后地基承载力已经远远超过120 kPa，效果显著。通过第一次试验结果分析，认为试验还有优化空间，因此进行第二次试验，第二次试验采用M32.5 水泥作为固化剂，分别掺土体天然重度5%、7%、10%的水泥进行试验。

3.1 试验流程

试验流程如下：①试验区表面清理摊平—→②摊铺1/2 水泥量—→③挖机对试验深度范围内土体和水泥翻拌均匀（上下翻拌3 次）—→④挖机将水泥土摊平—→⑤摊铺剩余1/2 水泥量—→⑥重复③④—→⑦轻型触探试验。过程见图1～图4。

图1 水泥摊铺图

图2 挖机翻拌

图3 小孔管涌现象图

试验现象：由于含水量高，经上述步骤后水泥土呈流塑状态，摊平表面有很多像管涌一样的小孔，水和粉细砂从小孔内汩出来。

表1 地基土物理力学性质推荐值表

3.2 试验结果及分析

3.2.1 第一次试验

掺P.O42.5 水泥作为固化剂，试验后在不同龄期进行轻型动力触探，结果见表2，承载力随龄期增长曲线见图5。

分析P.O42.5 水泥改良地基的试验结果可得出以下结论：

表2 掺P.O42.5 水泥改良承载力试验结果 kPa

图5 承载力随龄期增长曲线（P.O42.5 水泥改良）

1）淤泥质粉质粘土夹粉细砂经水泥固化改良后承载力可显著提高。掺10%水泥28 d 承载力可达到180 kPa，约为原状土的3.6 倍；掺15%水泥，28 d 承载力可达到216 kPa，约为原状土的4.3 倍。

2）改良后前5 d 承载力增长率较高，平均增长率达12～14 kPa/d，5 d 后承载力增长趋于平缓，平均增长率为3 kPa/d。

3）承载力增加与水泥掺量不成正比，掺10%水泥最终承载力是掺15%水泥最终承载力的83%。

3.2.2 第二次试验

掺M32.5 水泥作为固化剂，试验结果见表3，承载力随龄期增长曲线见图6。

表3 掺M32.5 水泥改良承载力试验结果 kPa

分析以上试验结果可得出以下结论：

1）和P.O42.5 水泥类似，M32.5 水泥改良也可显著提高地基土承载力。掺10%水泥28 d 承载力达到132 kPa，约为原状土的2.6 倍；掺7%水泥，28 d 承载力达到124 kPa，约为原状土的2.5 倍；掺5%水泥，28 d承载力达到118 kPa，约为原状土的2.4 倍。

2） 同样掺10%水泥，与P.O42.5 水泥相比，掺M32.5 改良28 天承载力仅为掺P.O42.5水泥的73%。

图6 承载力随龄期增长曲线（M32.5 水泥改良）

3）掺5%水泥，试验结果较为离散，分析原因：主要是由于水泥掺量少，挖机翻拌难以翻拌均匀，导致同一块试验区不同位置承载力差别较大，不均匀。因此实际施工水泥掺量不应小于5%。要满足设计120 kPa 的要求，考虑一定富余后建议采用掺10%M32.5 水泥进行施工。

3.3 现场施工

根据现场试验结果，最终经参建各方同意，确定以10%M32.5 水泥掺量进行海漫地基改良，改良深度为1 m。改良前后现场形象对比见图7 和图8。

4 经济效益和工期影响分析

4.1 经济效益分析

由于本工程海漫地基不能满足施工和承载力要求，因此对海漫进行地基处理是必须要做的工作。根据洞庭湖区类似工程的经验，最常利用的处理方案为水泥土搅拌桩，下面对水泥土搅拌桩方案和水泥土改良方案进行成本比较。

海漫总面积为11 000 m2，原地面高程普遍约为28 m，持力层粉质黏土层高程为24.5 m 左右。

方案一：采用水泥土搅拌桩，桩径D500，桩间距为1 m，桩长为3.5 m，根据闸室主体结构段桩的试验参数，采用P.O42.5 水泥，掺量为18%。方案一成本费用见表4。

方案二：采用水泥土改良，地基改良深度1 m，采用M32.5 水泥，掺量为10%，挖机台班生产率为500 m3。方案二成本费用见表5。

图7 改良之前原状土

图8 改良后形象

表4 方案一成本费用

表5 方案二成本费用

方案二比方案一成本费用减少100 万元，成本节约率为51%，因此采用水泥土改良处理经济效益显著。

4.2 工期影响分析

方案一：1 台桩机1 个台班最多施工300 m，完成39 200 m 桩的施工，则共需131 台班。

方案二：1 台挖机1 个台班可施工500 m3，完成11 000 m3水泥土改良，则共需22 台班。

比较方案二和方案一，方案二比方案一可节约111 个台班，可极大地节约工期。

5 总 结

1）淤泥质粉质粘土夹粉细砂层可通过水泥土原位改良在短期内显著提高地基承载能力。

2）水泥土改良水泥掺量不应小于5%，否则会由于难以翻拌均匀，导致同一块试验区不同位置出现承载力差别较大，地基不均匀的现象。

3）同样水泥掺量，经M32.5 水泥改良后地基承载力约为P.O42.5 水泥改良后的73%，因此实际施工时应根据设计要求的地基承载能力值，经经济效益比较后确定采用P.O42.5 或M32.5水泥。

4）采用水泥土原位改良地基，无论从经济效益还是工期方面考虑均极大地优于水泥土搅拌桩处理方案，对于浅层地基处理可优先选择。