粉喷桩复合地基在水闸地基处理中的应用探讨

2019-04-22 版权声明 举报文章

粉喷桩复合地基在水闸地基处理中的应用探讨

摘 要:粉喷桩复合地基是通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和,通过水泥和土的一系列复杂的物理化学作用,形成水泥土桩体,与桩间同作用形成复合地基,达到提高地基强度的加固方法。这种方法在处理水闸软土地基方面效果显著,具有造价低、施工难度小、工期短等优点,推广价值很大。

关键词:水闸;粉喷桩;软基处理

中图分类号:U41 文献标识码:A

1概况

水闸的地质条件、施工条件、受力条件及其重要性等与其它建筑物相比有其特殊性,分析国内外很多失事水闸的工程案例,其主要原因往往是闸址地质条件不好,或虽然经过人工处理但仍未处理好,属于不良人工地基,导致水闸失稳、渗透破坏或者冲刷破坏。水闸的地基处理是水闸设计中的重点和难点,当天然地基不能满足承载力和沉降要求时,在满足水闸抗滑稳定的前提下,对水闸地基的处理,主要解决以下三个方面的问题:(1)增加地基的承载能力,保证建筑物的稳定;(2)减小地基的有害沉降;(3)防止地基渗透变形。

漯河市在上世纪90年代末期在河道险工中开始使用粉喷桩处理软弱地基,工程实施后,从近10多年的运行情况来看,比常规的浆砌石基础和混凝土预制套管处理地基的效果要安全、经济的多。漯河市地处平原区,在上世纪五六十年代左右修建的水利工程现在大部分都已报废,随着国家对水利投资力度的加大,在新一轮的治淮政策下,漯河市中小河流治理工程已经开始陆续批复实施,重点洼地的可研报告评审修订也已结束,在这两个大型治淮工程治理项目中,作为水利工程的控制建筑物水闸,数量众多,且大部分均已报废,仅在重点洼地治理中需重建的水闸就达到100多座。在水闸重建过程中,地基处理技术成为一个新的问题,怎样保证工程的安全、经济又不影响施工进度,借签各地的经验,目前用粉喷桩处理水闸软土地基技术在东南沿海一带被大量推广使用,特别是广东在大型的水闸工程设计中也开始使用粉喷桩进行软土地基处理。

漯河地区在以往的水闸设计中,还没有用粉喷桩复合地基处理水闸软弱地基的经验,下面以漯河市中小河流治理中某一水闸为例,探讨粉喷桩复合地基在处理软弱地基的应用,以便在未来的水闸工程建设中提供借签。该水闸为新建,主要功能是防洪与排涝,结构形式为整体式砼现浇闸底板,共3孔,每孔净宽4m,闸室顺水流方向长10m,垂直水流方向宽16m,5年一遇除涝标准设计,设计流量57.2m3/s。

根据地质报告结果,知拟建闸址土层由冲填土和第四系全新统、上更新统河床冲洪积成因类型的粉质粘土及所夹细砂、中、重粉质壤土组成。闸底板所在的低液限粉土为该闸基的主要持力层,承载力为92kPa,而设计要求地基承载能力为125kPa,故需要采取措施对地基进行加固处理,提高承载力。

2水闸地基处理措施探讨

平原地区水闸基础一般采用沉井基础、钢筋混凝土桩基础及水泥搅拌桩等。而每一种地基处理方法均有其优缺点,下面分别对每一种地基处理方法进行分析比较,以便选择最佳方案。

2.1沉井基础

沉井是以现场浇筑、挖土下沉方式入地基中的深基础。其优点是承载力较高,对邻近建筑物影响较小,尤其对河滩地粉砂土的液化有很好的防治作用,因此,在平原以往的水闸设计中采用较多。其缺点造价相对较高,施工工期长,施工难度大,下沉时井壁容易出现裂缝,质量不容易保证等。

2.2灌注桩基础

灌注桩是深基础中最常用的一种基础形式。其主要功能是将荷载传到地下深处的密实土层,以满足承载力和沉降的要求。灌注桩具有承载力高,稳定性好,沉降量小而均匀,沉降速率低而收敛快等特性。由于本工程基底承载力不大,且适宜桩基础的持力层埋置很深,采用桩基础在经济上很不合算,不宜采用。采用该方案具有施工快、基础沉降小、质量易控制等优点。但工程运行一段时间后,由于桩沉降很小,而土体固结沉降相对较大,闸底板与地基土体有发生脱空的可能,针对这种情况,需在底板下增加预埋灌浆管,以备运行一段时问后进行底板的接触灌浆。

2.3粉喷桩法

粉喷桩法加固软土技术,是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的水泥土搅拌机械,在原位进行强制搅拌,通过水泥和土的一系列复杂的物理化学作用形成水泥土桩体,与桩间同作用形成复合地基,达到提高地基强度的加固方法。用粉喷桩加固软土地基,其优点为:①最大限度地利用原状土,处理后可很快投入使用,适应快速施工要求;②搅拌时无振动、无噪音和无污染,可在密集建筑物群中进行施工,对周围原有建筑物及地下沟管影响很小;③根据上部结构的需要,可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式;④与钢筋混凝土桩基相比,可节约钢材并降低造价,经济效益显著。

就像任何事物都具有两面性一样,粉喷桩也有其使用局限性,规范明确规定:水泥土搅拌桩只承受竖向力。因此抗滑问题是粉喷桩在水闸工程中应用理论上的一个最大障碍。从定性上说,桩体可以起加筋作用,进而提高土体的抗剪强度,增强抗滑能力,但在工程实际设计中,为了安全起见,计算上水平力只考虑由软土承受。对于大型水闸,底板结构是分体式的,中部各结构段的水平力将全部转移到淤泥地基上,在有其它措施承担水平力,软土的抗剪强度满足要求时,才可以采用该法,必要时加以水力模型试验进行论证。小型水闸一般为整体式结构,水平力可以通过岸墙及齿墙传入两岸土堤,则不存在这个问题。根据上述分析比较,本工程属于小型水闸,为整体式底板,采用粉喷桩处理本工程地基比较合适。

3粉喷桩复合地基设计

粉喷桩复合地基采用格栅状布置,处理范围为闸室底板及上下游翼墙基础,并在其范围以外打两排保护桩。桩长初步选定为 5m,桩径定为0.5m,以粉喷桩在地基中连成一个封闭的整体,从而提高复合地基的整体刚度,增加抵抗不均匀沉降的能力 减少地基土侧向挤出而产生的变形。

3.1单桩承载力计算

粉喷桩单桩承载力计算理论尚不成熟,工程上对这类桩的设计思路主要是通过分别根据桩体材料强度和土对桩的支撑力来计算单桩的标准承载力。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-91)规定,单桩承载力标准值按下列公式计算,并取其中较小值:

(1)据粉喷桩桩体材料强度来确定单桩的标准承载力计算公式为:

式中:PU1-粉喷桩单桩标准承载力(kN);

FCU-与粉喷桩桩体配方相同的实验室内水泥土试块(边长70.7mm的立方体试块)在标准养护下,龄期为90d的抗压强度标准值(kPa);

AP-粉喷桩桩体的设计截面积(㎡);

n-粉喷桩桩身强度折减系数,(在漯河地区粉喷桩复合地基的设计中通常取0.35)。

(2)据桩周土对桩体的支承力来确定的单桩标准承载力计算公式为:

式中:PU2-粉喷桩单桩标准承载力(kN);

UP-桩身截面周长(m);

fi-桩周第i层土的平均摩阻力(KPa);

Ii-桩周第i层土的厚度(m);

qP-桩端土标准承载力(KPa),在不考虑桩端土对单桩标准承载力的贡献时,qP=0。

依据粉喷桩承载机理分析可知,当仅采用(2)式对粉喷桩单桩承载力进行设计时,应当考虑粉喷桩的有效桩长,否则确定的承载力有可能是偏高的,不安全的。故在进行粉喷桩单桩承载力设计时,粉喷桩承载力的设计计算值需要满足。对以上两种方法分别计算后粉喷桩单桩承载力选取较小值为118KN。

3.2复合地基承载力的计算

式中fck-复合地基承载力标准值(kN);

m-面积置换率取23.1%。

AP-粉喷桩桩体的设计截面积(m2);

β-桩间土承载力折减系数,取0.75;

fS-桩间土天然承载力标准值。

经计算复合地基的承载为145kp,大于水闸上部承载力125kp,满足工程要求。根据计算结果,粉喷桩复合地基固化材料为强度等级42.5的水泥,水泥掺入量为15%,面积置换率23.1%,桩径0.5m,有效桩长4.5m。

3.3褥垫层设计

在复合地基设计中,复合地基应力传递比较复杂,为了调节桩土相对变形,使桩同承担荷载,避免荷载引起桩体应力集中现象,减小地基不均匀沉降,桩顶至水闸底板需设置褥垫层,褥垫层厚度为0.3m,水闸闸基是有防渗要求的,因此褥垫层的材料选择为粘土。褥垫层铺设采用静力压实法,夯填后的褥垫层厚度与虚铺厚度的比值控制在0.87~0.9范围内。

结论

通过该水闸的基础处理实例表明, 传统的基础处理方法难度大、工期长、造价高,只要根据不同工程的地质情况进行具体分析, 根据建筑物的布置及荷载分布,采用粉喷桩复合地基处理方法,可以收到技术上合理、经济上效益显著的效果。近年来粉喷桩复合地基在水闸地基处理的设计中被广泛的使用,随着有关方面的理论研究和工程案例的不断完善,相信未来的使用范围会更广,在为创造节约型社会方面贡献更多力量。

参考文献

[1](J220-2002).建筑地基处理技术规范 [S].

[2]JGJ94-2008.建筑桩基技术规范[S].

[3]郑志.水泥搅拌桩在水闸软弱地基处理中的应用[J].城市建设与商业网点,2009(23).

[4]程俊青.水闸工程采用粉喷桩地基处理特殊性的探讨[J].中国新技术新产品,2009(13).

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