李 健,高 蛟,李東然,李 揚(yáng)
(1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,天津300250;2.天津市薊縣水務(wù)局,天津301900)
南港工業(yè)區(qū)位于渤海灣天津市濱海新區(qū)海岸線南部,是重工業(yè)、化工產(chǎn)業(yè)為主的開發(fā)區(qū)和港口的綜合體,于2011年8月正式開港。工業(yè)區(qū)排水樞紐位于南港工業(yè)區(qū)境內(nèi)青靜黃擋潮閘下游2km處,樞紐建筑物主要有兩孔漿砌石閘涵、閘右側(cè)磚砌簡(jiǎn)易泵站、及出水池西側(cè)四孔節(jié)制閘組成。閘涵上游接工業(yè)區(qū)排水河道,下游為出水池。由于兩孔漿砌石閘涵年久失修,建筑物存在諸多安全隱患,已不能滿足排水及擋潮功能,于2011年12月對(duì)其進(jìn)行了拆除重建。
場(chǎng)地地處華北平原,屬?zèng)_積、海積低平原,地面高程4.6m。以泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土為主。
以素填土為主,厚度3.20~3.30m,主要由素填土組成,呈褐色,軟塑狀態(tài),粉質(zhì)粘土質(zhì),含磚渣、石子等,屬高壓縮性土。地基承載力80kPa;
厚度12.40~12.60m,呈灰色,流塑~軟塑狀態(tài),有層理,含貝殼,屬高壓縮性土。局部夾粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土透鏡體。該土層地基承載力70kPa;
厚度4.50~4.60m,呈灰色,軟塑狀態(tài),有層理,含貝殼,屬中壓縮性土。該土層地基承載力110kPa;
地質(zhì)勘察未穿透此層,揭露最大厚度4.80m,呈灰黃色,密實(shí)狀態(tài),無(wú)層理,含鐵質(zhì),屬中(偏低)壓縮性土。地基承載力150kPa。
閘室底板順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)8m,垂直水流方向?qū)?1.3m,整體式分布。閘室地基建基高程-1.0m,坐落于淤泥質(zhì)粘土上,承載力低,土質(zhì)軟,強(qiáng)度低,可壓縮性高,為滿足閘室基礎(chǔ)承載力要求,減少土中自由水含量,為增加閘室防滲長(zhǎng)度,采用了水泥攪拌樁基礎(chǔ)。
底板及樁基布置如圖1。
以閘室整體為計(jì)算單元,取完建工況為計(jì)算工況,其所受荷載包括閘室結(jié)構(gòu)自重、排架機(jī)架橋自重、工作閘及金屬結(jié)構(gòu)埋件重及啟閉機(jī)重。根據(jù)閘室穩(wěn)定計(jì)算結(jié)構(gòu),作用于閘室底面的荷載有:豎向力ΣG=8858.94kN,ΣM=36596.40kN。
采用SL265—2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》公式進(jìn)行閘室基底應(yīng)力計(jì)算。
式中∑Pmaxmin為閘室基底應(yīng)力的最大值或最小值(kPa);∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載(kN);A為閘室基礎(chǔ)底面的面積(m2);∑M為作用在閘室上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩(kN·m);W為閘室基礎(chǔ)底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩(m3)。
計(jì)算成果見表1。
表1 閘室穩(wěn)定計(jì)算成果
由表1可知,建成無(wú)水工況閘室地基承載力不能滿足地基應(yīng)力要求??紤]閘址為沿海地區(qū),閘基土為淤泥質(zhì)粘土,地基土承載力及壓縮模量均較低,為滿足閘室地基應(yīng)力及沉降要求,決定對(duì)閘室地基進(jìn)行處理,以提高閘室地基的承載能力。
沉降計(jì)算采用分層總和法,計(jì)算采用公式:
式中s為地基最終沉降量(mm);s′為按分層總和法計(jì)算出的地基變形量;ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù);n為地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù);p0為基礎(chǔ)底面處的附加壓力(kPa);Es為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量(MPa);zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、i-1層土底面的距離(m);為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。
閘基礎(chǔ)底面下地層為淤泥質(zhì)粘土,粉質(zhì)粘土及粉土,粉質(zhì)粘土及粉土壓縮模量分別采用3.3MPa、5.9MPa、18.4 MPa。壓縮層計(jì)算深度按計(jì)算層面處土的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為0.2確定。
經(jīng)計(jì)算閘室地基最大沉降量22.5cm,大于規(guī)范允許值15cm;需對(duì)閘室進(jìn)行地基處理。
閘基防滲長(zhǎng)度按式(3)進(jìn)行計(jì)算:
式中L為滲徑長(zhǎng)(m);C為滲徑系數(shù);△H為上下游水位差(m)。
現(xiàn)閘基實(shí)際防滲長(zhǎng)度為20.5m,小于計(jì)算要求的防滲長(zhǎng)度32m,不滿足規(guī)范要求,需設(shè)置一道防滲墻,增加閘基的防滲長(zhǎng)度。
本工程進(jìn)行地基處理的目的為增加閘室地基的承載能力及減小沉降量。地基處理常用方法有換填墊層法、強(qiáng)夯法、砂石樁法、混凝土灌注樁及水泥土攪拌樁法。
適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。其主要作用是提高地基承載力,減少沉降量,加速軟弱土層的排水固結(jié),防止凍脹和消除膨脹土的脹縮。
本工程壓縮性較高的軟土層厚12.40m,墊層的換填厚度不宜超過(guò)3m,換填后地基處理效果不明顯。因此工程未采用換填墊層法的地基處理方式。
適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強(qiáng)夯置換法適用于高飽和度的粉土,軟—流塑的粘性土等地基上對(duì)變形控制不嚴(yán)的工程,在設(shè)計(jì)前必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定其適用性和處理效果。
本工程基礎(chǔ)軟土透水性較差,采用強(qiáng)夯法處理地基容易形成橡皮土,反而達(dá)不到地基處理的目的。因此,強(qiáng)夯法不適合應(yīng)用于工程的地基處理。
為采用類似沉管灌注樁的機(jī)械和方法,通過(guò)沖擊和振動(dòng),把砂擠入土中而形成樁基的方法。擠密砂樁的主要作用是將地基擠實(shí)排水固結(jié),從而提高地基的整體抗剪強(qiáng)度與承載力,減少地基的沉降量和不均勻沉降。但這種方法一般能較好地適用于砂性土。
本工程為淤泥及淤泥質(zhì)土,因此砂石樁法不適合于工程的地基處理。
直接在樁位上就地成孔,然后在孔內(nèi)安放鋼筋籠灌注混凝土而成。灌注樁能適應(yīng)各種地層,無(wú)需接樁,施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)擠土、噪音小,宜在建筑物密集地區(qū)使用。但其施工費(fèi)用較高,操作要求嚴(yán)格,施工后需較長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)期方可承受荷載,成孔時(shí)有大量土渣或泥漿排出。
本工程由于工期較短,灌注樁成孔時(shí)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境會(huì)造成不利影響,且會(huì)使工程整體費(fèi)用上升,未采用混凝土灌注樁法。
分為漿液深層攪拌法(簡(jiǎn)稱濕法)和粉體噴攪法(簡(jiǎn)稱干法)。
水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、飽和黃土、素填土及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂土等地基。其加固機(jī)理是:水泥漿(粉)與地基土在外力作用下(樁頭攪拌力及水泥漿(粉)壓入壓力)均勻攪拌,進(jìn)行水化反應(yīng)并形成具有一定強(qiáng)度的水泥土樁(即所謂半剛性樁)。部分水泥漿(粉)在灌漿壓力作用下發(fā)生水化反應(yīng)并滲入樁體周邊的土體中形成樁體,增大了樁體與樁間土的摩擦系數(shù),提高了樁體承載力,并與樁間土共同形成良好的復(fù)合地基。根據(jù)地質(zhì)資料,本工程地基主要為淤泥及淤泥質(zhì)土,含水量較高,采用水泥攪拌法時(shí)由于水泥的水化作用,在一定程度上減少了地基土中自由水的含量,樁間土產(chǎn)生一定的固結(jié)作用,使樁間土本身強(qiáng)度有所提高,從而導(dǎo)致復(fù)合地基承載力的提高。
綜上,根據(jù)各個(gè)地基處理方案的適用條件及地基情況,確定采用水泥土攪拌法。
程水泥攪拌樁采用矩形布置,樁直徑0.6m,除防滲墻外,攪拌樁橫向和縱向樁間距均為1.2m,閘室底板輪廓線范圍內(nèi)的攪拌樁數(shù)按63根計(jì)。根據(jù)地質(zhì)資料,在干濕交替及無(wú)干濕交替作用時(shí),地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)有中等腐蝕性,腐蝕介質(zhì)為SO2-4,因此水泥土攪拌樁固化劑采用強(qiáng)度等級(jí)為32.5的抗硫酸鹽水泥;樁長(zhǎng)假定8m,攪拌樁位于淤泥質(zhì)粘土層。
根據(jù)閘室底板所受外部荷載、土體力學(xué)指標(biāo)、基礎(chǔ)尺寸,采用相關(guān)規(guī)范公式分別計(jì)算水泥攪拌樁單樁承載力和復(fù)核地基承載力,計(jì)算成果見表2。
表2 單樁承載力及復(fù)核地基承載力計(jì)算成果
由表2可知,該樁基布置方案滿足閘室單樁承載力和復(fù)合地基承載力的要求。
樁基最終沉降量計(jì)算公式采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(5.5.6)中的公式,方法為等效作用分層總和法。附加應(yīng)力取底板附加應(yīng)力70kPa,沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψ取0.9;等效沉降系數(shù)ψ取0.9;等效沉降系數(shù)ψc取0.52。
地基處理后,經(jīng)計(jì)算,閘室的最終沉降量為11cm,小于規(guī)范中規(guī)定的閘室最大沉降量的要求。
由于水泥土攪拌樁樁體連接成壁后有隔水帷幕的作用,為增加閘室的防滲長(zhǎng)度,在閘室靠近下游側(cè)采用水泥土攪拌樁套打的方式,形成一道垂直防滲墻。經(jīng)計(jì)算閘基防滲長(zhǎng)度36.5m,大于計(jì)算要求的防滲長(zhǎng)度32m,滿足規(guī)范要求。
6.1.1 材料
現(xiàn)場(chǎng)使用的固化劑和外摻劑必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)加固土的強(qiáng)度試驗(yàn),進(jìn)行材料質(zhì)量檢驗(yàn),合格后方可使用。
6.1.2 樁位
樁位布置滿足設(shè)計(jì)要求,施工前在樁中心插樁位標(biāo),施工后將樁位標(biāo)復(fù)原,以便驗(yàn)收。
6.1.3 樁身垂直度
每根樁施工時(shí)均應(yīng)用水準(zhǔn)尺或其他方法檢查導(dǎo)向架和攪拌軸的垂直度,間接測(cè)定樁身垂直度。
6.1.4 樁身水泥摻量
按設(shè)計(jì)要求檢查每根樁的水泥摻用量。
6.1.5 水泥標(biāo)號(hào)、水泥品種
對(duì)無(wú)質(zhì)保書或有質(zhì)保書的小水泥廠產(chǎn)品,應(yīng)先做試塊強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)合格后方可使用。對(duì)有質(zhì)保書(非鄉(xiāng)辦企業(yè))的水泥產(chǎn)品,可在攪拌施工時(shí),進(jìn)行抽查試驗(yàn)。
6.1.6 攪拌頭上提噴漿速度
一般均在上提時(shí)噴漿,提升速度不超過(guò)0.5m/min,通常采用二次噴漿。當(dāng)?shù)诙螄姖{時(shí)不允許出現(xiàn)攪拌頭未到樁頂而漿液已拌完的現(xiàn)象。有剩余時(shí)可在樁身上部再次噴漿。
6.1.7 漿液水灰比
通常為0.4~0.5,不宜超過(guò)0.5。漿液拌和時(shí)應(yīng)按水灰比定量加水。
6.1.8 水泥漿液攪拌均勻性
應(yīng)注意貯漿桶內(nèi)漿液的均勻性和連續(xù)性,噴漿攪拌時(shí)不允許出現(xiàn)輸漿管道堵塞或爆裂的現(xiàn)象。
6.2.1 攪拌樁的施工
(1)成樁7d后,采用淺部開挖樁頭(深度宜超過(guò)停漿面下0.5m),目測(cè)檢查攪拌的均勻性,量測(cè)成樁直徑。檢查量為總樁數(shù)的5%。
(2)成樁后3d內(nèi),可用輕型動(dòng)力觸探(N10)檢查每延米樁身的均勻性。檢驗(yàn)數(shù)量為施工總樁數(shù)的1%,且不少于3根。
6.2.2 水泥攪拌樁地基竣工驗(yàn)收
承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)必須在樁身強(qiáng)度滿足試驗(yàn)荷載條件時(shí),并宜在成樁后28d后進(jìn)行。檢驗(yàn)數(shù)量為樁總數(shù)的0.5%~1%,且每項(xiàng)單體工程不應(yīng)少于3點(diǎn)。
經(jīng)觸探和載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)后,對(duì)樁身質(zhì)量有懷疑時(shí),應(yīng)在成樁28d后,用雙管單動(dòng)取樣器鉆取芯樣作抗壓強(qiáng)度檢驗(yàn),檢驗(yàn)數(shù)量為施工總樁數(shù)的0.5%,且不少于3根。
6.2.3 工程樁質(zhì)量評(píng)定
及時(shí)檢查施工記錄,根據(jù)預(yù)定的施工工藝對(duì)工程樁質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定。對(duì)于不合工藝要求的工程樁需根據(jù)其所在的位置、數(shù)量等具體情況,通過(guò)質(zhì)量分析,提出補(bǔ)樁或加強(qiáng)附近工程樁等措施。
(1)水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土,固化的樁與原地基土構(gòu)成復(fù)合地基,改善了地基的承載力和變形模量。
(2)水泥攪拌樁是加固處理軟弱地基土的一種行之有效的方法,使用前應(yīng)盡可能通過(guò)試驗(yàn)確定加固設(shè)計(jì)參數(shù),特別是找出最佳的水泥摻入量和最佳樁長(zhǎng),從而降低加固費(fèi)用,以充分發(fā)揮水泥攪拌樁的優(yōu)勢(shì)。
[1]SL265—2001,水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
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