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(北京中水利德科技發(fā)展有限公司太原分公司，太原 030024)

0 引 言

大量工程實踐證明，深層水泥攪拌樁是加固軟弱土基的有效技術(shù)，其主要利用水泥、石灰等材料為固化劑主劑，應用特殊的深層攪拌機械，在地基深處就地進行固化劑和軟弱土體的強制攪拌，使其發(fā)生物化反應，并固結(jié)為整體穩(wěn)定性、水穩(wěn)性良好，且具備一定強度的復合地基，最終達到軟土地基加固處理的目的。

1 工程概況

東榆林水庫修建在海河流域永定河水系桑干河干流上游，水庫動工興建于1970年，但因規(guī)劃設計方案重新研究等原因，中途停工12個月，此后于次年年初再度恢復建設，1978年底竣工蓄水，1983年全國范圍內(nèi)定期開展的“三查三定”核定后所給出的該水庫評定結(jié)果為：工程規(guī)模方面能夠達到1000a一遇洪水校核標準。2002年進行了該水庫除險加固，施工結(jié)束后，水庫達到100a一遇洪水設計標準，1000a一遇洪水校核標準。該水庫屬于以灌溉為主，兼顧行洪蓄水功能的中型水庫，大壩壩址控制流域面積3430km2，設計灌溉面積2.4萬hm2，灌溉供水保證率為50%，下游防洪保護范圍425km2，設計總庫容6500×104m3，校核洪水位1041.20m；興利庫容2977×104m3，正常蓄水水位1040.60m。

該水庫自建庫運行以來并未進行完善的防護治理，庫區(qū)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，當水庫在持續(xù)高水位運行狀態(tài)下，水面對岸坡持續(xù)沖刷侵蝕，導致岸坡坍塌現(xiàn)象普遍存在；庫區(qū)淤積造成水庫水質(zhì)下降；降雨侵蝕使水土流失問題嚴重。為減少水土流失，提升庫區(qū)水質(zhì)，豐富旅游資源，改善當?shù)赝顿Y環(huán)境，水庫管理部門于2020年實施了庫區(qū)左岸生態(tài)防護、右岸副壩防護、東榆林支溝整治防護、橋梁及其他配套生態(tài)治理防護系列工程。

2 加固方案選擇

2.1 方案比選

結(jié)合該水庫庫區(qū)地質(zhì)勘查結(jié)果，項目區(qū)左岸地基土屬于全新統(tǒng)低液限粉土，且土層厚度大，承載力不高，但地下水位較高，無形中增大了施工難度。結(jié)合類似工程軟土地基加固實踐經(jīng)驗，該水庫庫區(qū)深厚軟基加固可以采用水泥攪拌樁和高壓旋噴樁兩種復合地基加固方式，從適用范圍，樁徑、樁長，樁身強度，地基強度，能耗，對場地的要求，對周邊環(huán)境影響，經(jīng)濟性等角度進行兩種加固方式的比較，詳見表1。

通過以上比較可以看出，水泥攪拌樁加固技術(shù)能通過抑制地基中孔隙水壓力升高以及樁間土液化，使地基抗液化能力顯著提升，并使攪拌樁復合地基在地震荷載作用下的沉降顯著減小，提升地基抗水平形變能力，可有效處理地基液化問題[1]。故該水庫庫區(qū)深厚軟基加固應選用水泥攪拌樁復合地基方案，在該水庫庫區(qū)左岸懸臂式擋墻基礎范圍內(nèi)，采用深層攪拌樁機械強制攪拌地基土和固化劑，以形成復合地基。

2.2 加固方案設計

采用水泥攪拌樁進行水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固的目的在于改善深厚軟基壓縮性，并有效控制其沉降量。為此，樁長的設計必須能保證其成功穿越整個軟土層，減去路面結(jié)構(gòu)層和墊層厚度后，水泥攪拌樁應從庫區(qū)軟土地基表面以下2.0m開始，回填土段樁長和淤泥段樁長分別按5-7m和12-14m確定，總長度控制在19-22m。

水泥攪拌樁結(jié)構(gòu)是介于剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的一種樁體，樁身受到荷載的作用后會表現(xiàn)出一定程度的壓縮，使樁與樁間土同時發(fā)生下沉。故設計階段忽略填土層所施加的側(cè)壁摩擦力，在確定樁身長度時僅取淤泥土段長度12m。因樁身水泥土強度不夠，隨著摩擦樁長的增大，樁底應力將越來越小，其結(jié)構(gòu)也愈加偏安全，所以設計時暫不考慮樁端反力[2]。

1)單樁豎向承載力：

(1)

式中：Ra為水泥攪拌樁單樁承載力，kN；up為水泥攪拌樁周長，m；qsi為樁周第i層土側(cè)阻力，kPa，淤泥、淤泥質(zhì)土、軟塑狀黏土及可塑狀黏土分別取5.0kPa、8.0kPa、12.0kPa和18.0kPa；li不樁長范圍內(nèi)第i層土體平均厚度，m，淤泥質(zhì)土、軟塑狀黏性土及可塑狀黏性土分別取1.0m、4.5m和1.5m；qp為樁端地基土承載力未修正值，kPa，取80kPa；α為樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，取0.5；Ap為水泥攪拌樁截面積，m2。

2)復合地基承載力：

(2)

式中，fspk為復合地基承載力，kPa；λ為單樁承載力系數(shù)，取0.9；m為面積置換率，%；β為樁間土承載力洗漱，取0.5；sk為加固后樁間土承載力，kPa，主要根據(jù)靜載荷實驗結(jié)果確定；也可根據(jù)天然地基承載力特征值取值，取50kPa；其余參數(shù)含義同前。

該水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固用水泥攪拌樁設計樁長為7m，樁徑0.5m，樁間距1.1m，并按正方形布樁，面積置換率0.162%，所得到的單樁豎向承載力為147.6kN，復合地基承載力130.5kPa，均滿足相關(guān)規(guī)范對地基承載力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的要求。

3 加固施工及檢測

3.1 施工工藝

該水庫庫區(qū)深厚軟基加固所用水泥攪拌樁設計樁長較長，在所在地區(qū)較為少見，故施工單位將設計轉(zhuǎn)速60r/min、功率30kW的GZB-500型單軸攪拌機改進后使其施工樁長達到20m，為確保全部樁均扎打至硬土層，必須將樁長超出20m的樁地面土層厚度剝除1-2m。采用二噴四攪法施工的過程中，先試攪拌，檢測結(jié)果顯示的淤泥質(zhì)土段樁身水泥土均勻性未達到設計要求，且試樣強度和室內(nèi)相同配比試塊的試驗結(jié)果存在較大差距，經(jīng)項目組研究后決定增大鉆頭葉片，并將噴漿提升速度減緩至0.65-0.80m/min，并增大復攪次數(shù)，使試樣強度顯著改善。

水泥攪拌樁加固施工過程中，局部樁位處上部回填土靠近表面2.0cm厚處存在較大石塊，經(jīng)處理后的攪拌頭能穿越該層，但會增大施工機械磨損，降低工效。為此，將石塊層挖除后再換填素土，工程量無較大增加，但使機械磨損和工效降低問題得以有效緩解。

3.2 水泥土配合比

水泥土強度主要受固化劑類型及摻量、待加固土體性質(zhì)、加固齡期等因素影響，本工程水泥攪拌樁設計計算時采用室內(nèi)配合比強度，確定采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5∶1，石膏、水泥及減水劑比為2∶100∶0.2。該水庫庫區(qū)深厚軟基加固水泥攪拌樁樁身應力上大下小，且回填土含水量、孔隙比均比淤泥質(zhì)土小，在摻入比相同的情況下，上部回填土強度自然較大，為減小深部土的壓縮性，對水泥土強度也有相關(guān)要求。為簡化分析，該工程水泥攪拌樁水泥摻量應沿整個樁長保持不變。

3.3 成樁檢測

該水庫庫區(qū)深厚軟基水泥攪拌樁成樁10-12d后采用標貫帶鉆頭抽芯成塊后按照2.0m間隔進行標貫試驗，以檢測成樁質(zhì)量，共檢測了14根樁，在成樁總數(shù)中占比1.0%。檢測結(jié)果詳見表2。從表中檢測結(jié)果可以看出，回填土段水泥質(zhì)量均滿足設計要求，淤泥質(zhì)土黏土段滿足施工質(zhì)量要求的水泥樁強度與室內(nèi)試驗結(jié)果較為接近，且其標貫擊數(shù)達到天然地基的3-5倍，比規(guī)范要求值多出至少1倍[3]。

表2 成樁質(zhì)量檢測結(jié)果

取兩根水泥攪拌樁進行單樁豎向靜載試驗，最大試驗荷載按照單樁豎向承載力設計標準值的兩倍選取，試驗所得荷載-位移關(guān)系曲線詳見圖1所示，其中1#試樁齡期42d，2#試樁齡期22d，曲線顯示的試驗荷載下兩根水泥攪拌樁沉降量最大值分別為7.86mm和12.36mm，位移情況均處于正常狀態(tài)，且單樁承載力≥140kN，復合設計要求。

圖1 水泥攪拌樁單樁荷載-位移關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

東榆林水庫庫區(qū)深厚軟土地基加固處理于2020年底結(jié)束，運行至今已接近1年，加固后的庫區(qū)地基沉降很小，工程實踐也表明，水泥攪拌樁復合地基具有施工快，造價低，無排污，無振動，且對周圍水工建筑物無不利擾動等技術(shù)優(yōu)勢，可在類似軟弱地基水利工程加固方面推廣應用。