攪拌樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)

廖偉權(quán)

（佛山市水利水電建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528000）

攪拌樁復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)

廖偉權(quán)

（佛山市水利水電建筑設(shè)計(jì)有限公司，廣東 佛山 528000）

珠江三角洲地質(zhì)中普遍存在淤泥和淤泥性土，采用水泥攪拌樁作為地基處理的方式因此得到廣泛應(yīng)用，是目前處理軟弱地基的重要方法之一。本文試以順德區(qū)陳村鎮(zhèn)南涌閘站重建工程的地基為研究案例，探討水泥攪拌樁的地基加固處理方式選擇，在滿足地基承載力和各水工建筑物沉降量控制要求的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬計(jì)算完成深層攪拌樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到既滿足工程質(zhì)量要求又符合投資預(yù)算成本的雙重目標(biāo)。

地基處理；水泥攪拌樁；設(shè)計(jì)優(yōu)化

水泥攪拌樁的加固地基為復(fù)合地基中的一種，是利用水泥作為固化劑，通過(guò)特制的深層攪拌機(jī)械，在一定深度范圍內(nèi)把地基土與水泥強(qiáng)行拌和固化形成具有水穩(wěn)型和足夠強(qiáng)度的水泥土，制成樁體、塊體和墻體等，并與原地基土共同作用，提高地基承載力，改善地基變形特性的一種地基處理技術(shù)，適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。珠江三角洲由于普遍存在淤泥和淤泥性土，因此采用水泥攪拌樁作為地基處理的方式得到廣泛應(yīng)用。本文試以順德區(qū)一泵站工程為研究案例，探討應(yīng)用攪拌樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

順德區(qū)陳村鎮(zhèn)南涌閘站重建工程位于南順聯(lián)安圍陳鎮(zhèn)排灌區(qū)，主要水工建筑物包括自流閘、泵站防洪閘、泵房、穿堤涵管、清污機(jī)閘和進(jìn)水前池段和出水消力池段組成。其中泵站設(shè)計(jì)工況下排水流量為10.0 m3/s，設(shè)計(jì)引水流量為5.8 m3/s。泵站總裝機(jī)容量900 kW，安裝2臺(tái)豎井式貫流泵。工程為三等工程，主要建筑物（自流閘、泵站）為3級(jí)，次要建筑（護(hù)岸、擋墻）為4級(jí)。

本工程經(jīng)過(guò)可研和初設(shè)兩個(gè)階段的地質(zhì)勘察，共完成鉆孔16個(gè)，總進(jìn)尺367.4 m，作標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)107次，取土工試驗(yàn)樣34個(gè)，取巖石抗壓樣8個(gè)，部分巖土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 部分巖土層力學(xué)參數(shù)表

2 地基處理設(shè)計(jì)思路

2.1 存在問(wèn)題

1）根據(jù)泵站的平面、垂直布置，泵站各水工建筑基礎(chǔ)大部分處于（2）層的粉質(zhì)粘土及（3）層的淤泥質(zhì)土，根據(jù)主要建筑物的整體計(jì)算，地基的承載力均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2，需進(jìn)行地基處理。

2）工程靠近外江，外江與內(nèi)涌水位差較大，外江U型槽加上自排閘室底板地下輪廓線長(zhǎng)約29 m，若取外江校核水位4.87 m，內(nèi)涌常水位0.6 m，則水頭差為4.27 m，相應(yīng)滲徑系數(shù)為29/4.27=6.79，小于規(guī)范[1]粉細(xì)砂地基的滲徑要求（自排閘基礎(chǔ)處于第（4）層的粉砂地質(zhì)，規(guī)范要求7～9），同樣需采取措施增加滲徑。

表2 主要水工建筑物基底附加應(yīng)力表

3）工程主要建筑物順?biāo)鞣较虿贾瞄L(zhǎng)約110 m，垂直水流方向約60 m，在此范圍內(nèi)土層變化復(fù)化，下伏的淤泥、淤泥質(zhì)土厚薄不一，各建筑物對(duì)地基的荷載各不相同，需綜合考慮由于各建筑物地基處理方案，避免不均勻沉降對(duì)建筑物之間造成的危害。

2.2 設(shè)計(jì)思路

1）解決自流閘滲透問(wèn)題。結(jié)合工程所在地的實(shí)際情況，采用密排水泥攪拌樁形成防滲帷幕垂直防滲效果顯著，而且能明顯增長(zhǎng)滲徑，因此初擬在自流閘閘室前部布設(shè)兩排φ500@400密排攪拌樁，布設(shè)后地下輪廓線長(zhǎng)為53 m，相應(yīng)滲徑系數(shù)為12.41，滿足規(guī)范[1]要求。另外按規(guī)范要求，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算出口段坡降為0.2，滿足粉砂地基出口段土容許坡降［J］=0.33～0.39的要求。

2）提高地基承載力和防止各建筑物沉降不均勻。提高地基承載力的方法很多，由于考慮到自流閘應(yīng)用水泥攪拌樁防滲，為便于施工，考慮全站區(qū)均采用水泥攪拌樁處理。此方案另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是能較有效控制建筑物之間的沉降。

確定全站的地基處理方案后，設(shè)計(jì)的目的在于計(jì)算出滿足地基承載力和建筑物之間沉降要求的攪拌樁的置換率和樁的長(zhǎng)度。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化思路

1）設(shè)計(jì)單個(gè)建筑物的單樁長(zhǎng)度和置換率。

在完全滿足擬建建筑需要的地基承載力的基礎(chǔ)上最大限度節(jié)省建設(shè)費(fèi)用，并使地基沉降量控制在允許值之內(nèi)，是復(fù)合地基優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)[2]。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要采用的手段是以單樁長(zhǎng)度l和樁間距c為自變量，在滿足復(fù)合地基承載力要求的同時(shí)，求取單樁長(zhǎng)度之和L的最小值。

根據(jù)規(guī)范[3、4]要求，軸心豎向力作用下，基礎(chǔ)地面的平均豎向力須滿足下式

式中：NK為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合軸心豎向力作用下，基樁或復(fù)合基樁的平均豎向力；FK為荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，作用于承臺(tái)項(xiàng)面的豎向力；GK為樁基承臺(tái)和承臺(tái)上土自重標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)穩(wěn)定的地下水位以下部分應(yīng)扣除水的浮力；R為復(fù)合基樁豎向承載力特征值。同時(shí)，應(yīng)滿足加固區(qū)變形量和下臥層土層壓縮量小于設(shè)定總壓縮量：

并且，同時(shí)應(yīng)使修正后的地基容許承載力fa大于底面附加壓力值，即：

單樁長(zhǎng)度總和L為單樁長(zhǎng)l與樁根數(shù)乘積ni

當(dāng)最小的L確定時(shí)，得到一組l，ni(進(jìn)而確定置換率m)和Si等數(shù)據(jù)。

2）各建筑物最終沉降量之間的綜合考慮。

參照規(guī)范[1]的相關(guān)規(guī)定，相鄰部位的最大沉降差不宜超過(guò)5 cm，考慮地基已經(jīng)過(guò)處理和工程的實(shí)際情況，將相鄰建筑物的沉降差定為不超過(guò)3 cm。在此基礎(chǔ)上將已計(jì)算出的各建筑物的總壓縮量進(jìn)行比對(duì)，若不滿足要求，則重新選定建筑物的設(shè)計(jì)單樁長(zhǎng)，重新計(jì)算，最終符合要求。

3.2 優(yōu)化實(shí)施

計(jì)算可以通過(guò)程序進(jìn)行實(shí)施。先定議初始巖土參數(shù)、基礎(chǔ)底面附加應(yīng)力值、水泥攪拌樁水泥摻量及最小、最大樁長(zhǎng)和樁間距，通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句，逐步增加樁長(zhǎng)的步長(zhǎng)，計(jì)算出復(fù)合地基承載力，加固區(qū)和下臥區(qū)的沉降量，當(dāng)總沉降量和承載力同時(shí)滿足要求則跳出循環(huán)，得出單個(gè)建筑物設(shè)計(jì)總樁長(zhǎng)[5]。

在此基礎(chǔ)上，復(fù)核各建筑物間的沉降量。通過(guò)計(jì)算：自流閘、泵房、防洪閘、壓力涵管的最終沉降量分別為 24.52，22.07，25.66，29.98 mm。

目前本工程已完成水下驗(yàn)收，根據(jù)實(shí)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)顯示基本與設(shè)計(jì)相符。

4 結(jié)論

1）由于工程實(shí)施過(guò)程中，攪拌樁復(fù)合地基的沉降量一般會(huì)偏大于混凝土預(yù)制樁處理的地基，如果連接在一起的不同建筑物分別采用攪拌樁和預(yù)制樁進(jìn)行地基處理，則容易造成建筑物之間不均勻沉降，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎用。

2）對(duì)于攪拌樁復(fù)合地基，提高置換率比增加樁長(zhǎng)的效果更好。從本次設(shè)計(jì)來(lái)看，置換率比樁長(zhǎng)更能反映沉降量的變化，置換率增大以后，樁身和樁間土的應(yīng)力和承載作用得到進(jìn)一步的發(fā)揮，加固區(qū)的整體剛度也得到增強(qiáng)，能夠促使加固區(qū)將荷載較為均勻地傳給下臥層，沉降量明顯減小。而樁長(zhǎng)增加，對(duì)樁身強(qiáng)度的要求也就隨之增高，而過(guò)高的樁身強(qiáng)度將不利于樁間土承載力的發(fā)揮。但是，以上認(rèn)識(shí)究竟是個(gè)案還是普遍存在，特別是考慮到下伏土層的厚度、特性的關(guān)鍵性影響，結(jié)論有待進(jìn)一步研究。

［1］SL265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

［2］陸基洪，水泥土攪拌樁在軟基處理中的應(yīng)用［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010（27）.

［3］JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［5］楊磊，賀為民，周楊等.深層攪拌樁復(fù)合地基的優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.巖土力學(xué)，2010（8）.

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2011-04-07