沿海大型水闸软基处理研究

摘 要：大液河水闸闸基下的地基土为淤泥、淤泥质土层和淤泥质砂层，软弱层厚10m～12m，且土中有机质含量高，在该土层中水泥搅拌桩成桩质量较差。为保障水闸的抗滑稳定、不均匀沉降和总沉降量满足规范要求，工程地基处理采用了深层水泥搅拌桩+砂桩方案，为国内水闸工程的地基处理提供了有益参考。

关键词：大液河水闸 深层高有机质含量软弱土层 地基处理 深层水泥搅拌桩

大液河水闸位于海丰县西南联安镇，距海城镇约11km，是大液河流域的出海口，地震设防烈度7度，是一座以挡潮、灌溉为主，兼有航运效益的等大型工程。该闸于1975年兴建，运行至今已30多年， 2006年经安全鉴定该闸为四类险闸，需拆除重建。

大液河水闸重建工程建筑物主要由拦河闸、船闸、两岸连接段及下游右岸管理楼组成，其中拦河水闸共9孔，泄洪总净宽108m，单孔净宽12m，闸室总宽度127m，闸室长18m，闸底板高程-4.2m、闸顶高程4.4m。船闸紧靠水闸布置在河床左岸，船闸上闸首与水闸齐平，平面尺寸为（宽×长）12m×18m，其中门孔净宽8m；闸室长80m，宽8m；下闸首长16m，宽12m，其中门孔净宽8m。该工程建筑物坐落在深厚淤泥、淤泥质土层和淤泥质砂层上，土层中有机质含量高，工程所在区域地震基本烈度为7度，如何保证深厚软弱土层上的建筑物在各种荷载组合条件下的安全，是工程设计的重点。

工程地质条件

闸址区范围为大液河河床及一级堆积阶地，地面高程一般为-0.30m～-4.20m，地形较为平坦、开阔。水闸建基面高程为-6.4m，开挖深度为2～3.5m，建基面为第四系海陆交互相地层，其中（②-1层）淤泥及淤泥质土层，层厚10m～12m，含贝壳碎屑及腐殖物碎屑等有机质，呈流塑～软塑状，该层的物理力学指标平均值为：天然含水量w=53.3%，孔隙比e=1.42，压缩模量Es=1.40MPa，承载力特征值的经验值fak=55kPa～60kPa；（②-2层）淤泥质砂层，层厚1.5m，含灰色淤泥质，含量20%-30%，承载力特征值fak=60kPa～70kPa，；（③-3层）含泥砂卵砾石层饱和，稍密～中密，层厚5.7m，承载力特征值fak=230kPa～250kPa，可作为持力层。水闸地质剖面图见图1。

（②-1层）淤泥及淤泥质土层的工程特性表现为“三高两低”，即高含水量、高流动性或蠕变、高压缩性、低强度和低渗透性，易产生较大沉降和不均匀沉降现象，且整体稳定及抗滑稳定性差，未经处理不宜作为天然地基基础。

地基处理方案比选

工程水闸建基面为（②-1层）淤泥及淤泥质土层，目前广东地区水利工程处理深厚淤泥层软弱地基多以采用深层水泥搅拌桩和高压旋喷桩复合地基方案为主，因本工程淤泥层中有机质含量高，深层水泥搅拌桩成桩质量难以控制，综合技术和经济因素，结合本工程的实际情况并借鉴当地软基处理的经验，选择高压旋喷桩方案、深层水泥搅拌桩+砂桩方案和钻孔灌注桩方案进行比较。

1、高压旋喷桩方案

高压旋喷桩处理地基由于注入压力大且水泥用量多，可以取得较高的强度，可使基础沉降均匀，基底不易产生脱空，其施工设备相对较小，成桩质量好；但基础处理费用很高。

2、钻孔灌注桩方案

钻孔灌注桩具有桩身质量可靠，桩径、桩长选择范围大，单桩承载力高，沉降量较小而且均匀等特点，与预制桩比，可节约钢材，降低成本；但其处理后基底易产生脱空现象，地基处理后还需进行防渗和基础围封处理，同时该方案施工工艺比较复杂，基础处理费用较高。

3、深层水泥搅拌桩+砂桩方案

工程因淤泥中有机质含量高，如直接采用水泥搅拌桩处理地基，成桩质量难以控制，形成的复合地基承载力较低。本地区的工程经验也已经证明，本地区水利工程还没有直接采用水泥搅拌桩处理淤泥地基的成功案例（如该地区的乌坎水闸，经多次水泥搅拌桩试验，均未达到规范要求）。而“水泥搅拌桩+砂桩”（先打砂桩穿透淤泥层，再在砂桩位置打水泥搅拌桩）则可以很好的解决这个问题。该方案同时具备了搅拌桩方案和砂桩方案的优点，同样为复合地基，可使基础沉降均匀，基底不易产生脱空，基础处理费用较低。同时砂桩和搅拌桩的结合，使得搅拌桩的桩身成桩质量很好，单桩承载力很高。但该方案施工期相对较长。

现对拦河闸选择砼一个闸段（2孔，长28m）对以上方案进行经济比较，见表1。

经以上比较，深层水泥搅拌桩+砂桩方案更经济，因此本工程地基处理方案选择深层水泥搅拌桩+砂桩方案。

地基处理方案设计

依据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）及建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）内有关公式，分别对水闸闸基复合地基承载力特征值、单桩承载力特征值及复合地基沉降量进行计算，计算公式及参数取值详见规范说明。水闸地基最大沉降量取值根据水闸设计规范（SL265-2001）要求不宜超过0.15m。本工程采用湿法施工搅拌桩，桩径为0.5m，水闸闸室基底应力平均值为116.4 kN，闸室基底应力最大值为122kN。

1、单桩竖向承载力特征值计算

式中：α为桩端天然地基承载力折减系数（取α=0.5）、η为桩身强度折减系（取η=0.3）数、fcu为与桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（取fcu=2000kPa）、AP为桩截面面积（取AP=0.196m2）。

按上式计算，φ500mm搅拌桩的单桩竖向承载力特征值Ra2=117.6 kN。此时搅拌桩桩长L=10m，桩端位于（③-3层）含泥砂卵砾石层，Ra1=186 kN，故本工程采用的φ500mm搅拌桩的单桩竖向承载力特征值Ra=117.6 kN。

2、复合地基承载力特征值计算

式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）、m为面积置换率、Ra为单桩竖向承载力（取Ra=117.6kN）、AP为桩截面面积（取AP=0.196m2）、β为桩间土承载力折减系数（取β=0.25）、fsk为处理后桩间土承载力，按天然地基承载力采用（取fsk=55 kPa）。

按上式计算，当m=0.196时，水闸基底复合地基承载力特征值fspk=128.7 kN，满足规范要求。

3、桩基布置

经上述计算后，采用桩径φ500mm水泥搅拌桩+φ600mm砂桩，布设于水闸底板下，采用正方形格栅式布桩，桩的纵横间距为1.2m，先打φ600mm砂桩穿透淤泥层，再在砂桩位置打φ500mm搅拌桩穿透淤泥层进入③-3层（或③-2层）1.0m，平均桩长为10m，在水泥搅拌桩与水闸底板间设0.4m厚砂碎石垫层。

4、复合地基沉降验算

竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层平均压缩变形S1与桩端下未加固土层的压缩变形S2。搅拌桩群体的压缩变形计算采用复合模量法，桩端下未加固土层的压缩变形采用分层总和法计算。

式中：pz为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值（kPa），pz=116.44kPa；pz1为搅拌桩复合土层底面的附加压力值（kPa），pz1= 85.50kPa；l为桩长，m；Esp为复合土层变形模量。

按下式计算：

Esp =mEp + （1 - m）Es

式中：Ep为搅拌桩的压缩模量（kPa），Ep=12MPa；Es为桩间土的压缩模量（kPa）。

经计算，最终的沉降量s = 46.58 mm，满足规范要求。

地基抗液化和震陷措施

工程地震设防烈度为7度，根据大液河水闸重建工程工程地质报告，闸基底部（②-1层）淤泥、淤泥质粘性土层、（③-1层）粉质粘土、粘土层为软土层，（②-1层）和（③-1层）的等效剪切波速大于90m/s，可不考虑震陷影响；（③-2层）中砂层为不液化层，局部中细砂为可液化层，但其上部有（②-1层）淤泥、淤泥质粘性土层及（③-1层）粉质粘土、粘土层覆盖且覆盖层较厚，故对本工程地基可不进行抗震处理。

基础防渗设计

因水闸采用水泥搅拌桩+砂桩复合地基，桩顶设0.4m厚砂碎石垫层，该层为透水层，故在水闸基础上游侧设一排长度为7.5m的φ600双排连体水泥搅拌桩+砂桩防渗墙垂直防渗，桩端伸入（③-3层）砂卵砾石、含泥卵石、卵石层1.0m，该防渗墙同时兼做水闸、船闸复合地基的一部分。

基底抗渗稳定计算按《水闸设计规范》（SL265-2001）附录中C中的改进阻力系数法进行，经计算水闸闸室的水平段和出口段最大渗流坡降值为0.09和0.13，小于基底表面土层（淤泥、淤泥质土层）的允许水平渗流坡降值 0.25及出口渗流坡降值 0.35～0.45，因此，基底经防渗处理后抗渗稳定满足规范要求。

结语

大液河水闸地基软弱土层厚度大，水闸地基处理范围广，且土中有机质含量高，在工程要求造价经济合理、施工快速便捷、施工质量易控制的前提下，深层水泥搅拌桩+砂桩复合地基处理方案是一种非常合适的处理方案。该方案不禁提高了地基的承载力、减少了地基基础的沉降量，而且对于地震区的地基抗液化、震陷及基础防渗均起到了良好的处理效果，水泥搅拌桩+砂桩复合地基同时为水闸施工时的基坑开挖提供了部分支护。

（作者单位：广东省水利电力勘测设计研究院）