粉喷桩在水闸软基处理中的应用

分类：水利论文发表 时间：2012-06-19 10:16 关注：(1)

　　　摘要：水闸是一种利用闸门挡水和泄水的低水头水工构筑物，由于水闸多设于河道、渠系及水库边，经常会遇到软基情况，容易出现质量问题，下文就水闸施工中的软基处理问题作一些探讨。

　　关键词：粉喷桩;水闸;特点;

　　一、软土地基上水闸的特点和问题

　　1.软土地基上的水闸具有的特点

　　(l)软土地基的压缩性大，承载能力低，抗冲能力差，细砂容易液化，在闸室自重及外部荷载作用下，地基可能产生较大的沉降或沉降差，造成闸室倾斜，止水破坏，闸底板断裂甚至发生塑性破坏引起水闸失事。

　　(2)水闸在泄流时，尽管流速不高，但水流仍具有一定的剩余能量，而土基的抗冲能力较低，可能引起水闸下游的冲刷，此外水闸下游常出现的波状水跃和折冲水流，将会进一步加剧对河床和两岸的淘刷。同时，由于闸下游水位变幅大，闸下水流可能形成远驱水跃，临界水跃甚至淹没度较大的水跃，因此消能防冲设施要在各种运行情况下都能满足设计要求。

　　(3)土基在渗水流作用下，容易产生渗透变形，特别是粉、细砂地基，在闸后易出现翻砂冒水现象，严重时闸基和两岸会被掏空，引起水闸沉降、倾斜、断裂甚至倒塌。

　　2.软土地基上的水闸设计和施工应注意的问题

　　(l)选择好适宜闸址。

　　(2)选择与地基条件相适应的闸室结构形式，保证闸室及地基的稳定。

　　(3)做好防渗设计，特别是上游两岸连接建、构筑物及其连接部分，要在空间上形成防渗整体。

　　(4)做好消能、防冲设计，避免出现危害性的冲刷。

　　(5)选择适合的软基处理和施工方法，高质量的完成水闸基础施工。

　　二、水闸施工中软基处理方法及相应问题处理

　　在水闸施工中对软基处理的方法有很多，如钢筋砼灌注桩、碎石振冲桩、粉体喷射搅拌桩等，每一种处理方法都有自己的特点，现以一实例来说明粉体喷射搅拌桩在水闸软基处理中的应用及相应问题的处理。

　　1.工程概况

　　该工程距离河口处100m，闸室为单孔节制闸，抽水站为流量为12m3/s,选用4台40ZLB-125型轴流泵，配套功率为720Kw。闸站一字型布置，闸室底板顺水流方向长10m，底顶高0.00m(吴淞高程系，以下同)，上游闸室高6.00m，下游闸室高5.00m。抽水站底板顺水流方向长11.0m，垂直水流方向长16.2m，四跨。上游翼墙为八字型翼墙，顶高6.00m，挡墙为扶臂式钢筋结构，下游翼墙为钢筋混凝土悬臂式挡墙，顶高5.00m。

　　工程位于某冲积平原上，揭露的地层均为冲积、淤积层，具有较为典型的河流相冲淤积地层特征(即颗粒质结构大致呈上细下粗)，从钻探资料所揭示的地层来看，闸站底板以下地层分布如下:

　　(1)层素填土：灰色，松散;以粘性土为主，河道内为厚约0.6m的淤泥。厚度:1.00-2.40m,平均1.70m;层底标高:1.84-3.01m,平均2.30m;层底埋深:1.00-2.40m,平均1.70m。该层土全场分布，土质不均，工程性能差。

　　(2)层淤泥质粉质粘土：据静力触探曲线资料表明,厚度:13.00-14.70m,平均13.83m;层底标高:-11.69--11.14m,平均-11.53m;层底埋深:15.00-15.90m,平均15.53m。静力触探比贯入阻力Ps=0.657MPa，地基承载力容许值f=60KPa，压缩模量Es=3.0Mpa，高压缩性土。该层土全场分布，工程性能很差。

　　(3)层粉质粘土：据静力触探曲线资料表明，层底埋深大于17.00，厚度大于4.00m。静力触探比贯入阻力Ps=1.84MPa，地基承载力容许值f=140KPa，压缩模量Es=5.5Mpa，中压缩性土。该层土工程性能中等，本次勘察未穿透。

　　场地地下水有两种类型。①、②层地下水为潜水，水位高低主要受大气降水、河水位影响，雨季稍高，约18～19m。③层以下地下水具有承压性，第二层重粉质壤土为完整的隔水层，据大范围地质钻孔资料分析，该层含水与河槽不直接连接，地下水位主要受潜水余流补给，地下水位约17.5～18m。

　　2.地基处理设计

　　(l) 设计时应考虑的问题

　　1)分析地质资料。设计之前应充分了解现场勘察所取得的资料,特别应了解软土层的厚度,分层情况,埋置深度,承载力。2)软土层上构筑物的要求。要根据构造物的类型和所需的承载力、沉降量进行综合分析,以便确定桩的布置情况。3)持力层的选择,桩长的确定。粉喷桩的桩长要根据计算确定,应尽量选择天然承载力较高的土层作为持力层,但是由于桩的轴向应力在桩的上部3倍～5倍范围内比较集中,以下收敛较快,当桩具有一定的长度时(一般大于8 m),则桩端持力层对单桩承载力影响很小。桩长与桩身强度、置换率、天然地基承载力有直接的关系,因此要进行综合考虑。4)固化剂掺量及桩体强度的设计。在一定的荷载下,一般来说固化剂掺入越多,桩身强度越大,灰土置换率越高,复合地基承载力是由桩体和桩周土强度共同决定的。

　　(2) 确定方案

　　闸室、泵房及上下游翼墙均座落于第一层淤质土层上，天然地基承载能力仅60Kpa，而它们的基底承压力分别达到了100Kpa、110Kpa和200Kpa，显然需采取加固措施，设计中曾考虑了钢筋混凝土灌注桩、碎石振冲桩和粉喷桩等方案，认为采用灌注桩需钻穿第三层隔水层，引起该区域水文地质条件变化，给以后的管理运行带来复杂的不稳定因素;采用碎石振冲桩虽可解决承载力问题，但其抗渗性能差，易产生渗透变形，而本闸防洪期持水水头差又较大，粉喷桩不仅可以提高地基承载力，抗渗性能好，而且造价低，只要严格按设计要求控制进尺、喷灰量，采用全程复搅使桩身均匀，同时解决好桩底水泥土与下卧硬土层的结合问题，该方案完全可以满足水闸的承载力和沉降要求。

　　(3)设计计算

　　根据搅拌桩的作用机理可知，所形成的水泥土桩体与桩周土组成复合地基共同承担建筑物荷载，由于二者刚度相差较大，桩体与桩间土如何分担建、构筑物荷载是较为复杂的问题，目前，可按下列经验公式计算:

　　Fsp.k=Rk.m/Ap+β(1-m)fsk

　　Esp.k=[l+m(n-1)]Esk

　　式中:fsp.k—复合地基承载力标准值(kpa)

　　fsk—桩间土承载力标准值(kpa)

　　m—桩土置换率

　　Ap—水泥土桩体横截面积(m2)

　　β—桩间土承载力拆减系数，桩间为硬土可取0.1～0.4

　　Rk—单桩竖向承载力(KN)

　　Esp.k—复合地基压缩模量(Mpa)

　　Esk—桩间土压缩模量(Mpa)

　　N—桩土应力比

　　通过计算，闸室底板、岸墙及上游翼墙桩土置换率分别为0.196、0.348和0.40，均采用正方形布置，桩径0.5m，桩距依次为1.0m、0.75m和0.70m。考虑到水闸岸墙及引堤超载影响，为减少岸墙后引堤超载引起的后仰沉降量，岸墙后另布置三排护桩，其他结构底板轮廓外布置一排护桩。

　　3.施工控制

　　粉喷桩地基加固技术成本低、工效快，曾大量应用于工民建工程，后因其喷粉量、搅拌均匀性等不易控制，一般重要建、构筑物特别是水平荷载较大的水利工程均不再推荐采用。

　　(1)工艺性试桩

　　为保证工程桩的成桩质量，在正式实施粉喷桩之前，均应按设计确定的初步施工工艺设置工艺试验桩。该闸共布置了10根工艺性试桩，两根为一组，分别进人硬土层0.5m和1.0m，半程复搅和全程复搅。以不同的钻进速度和提升速度、喷灰时间、钻机电流等参数成桩，试桩7天内，在搅拌桩d/4位置钻孔取芯，重点观察桩底与硬土层结合面、桩进人硬土层质量、桩身的均匀性，最后确定了详细的成桩工艺:①桩身进人下卧硬土层0.5m，此时钻机电流约65A;②钻进和提升速度不大于1m/min;③成桩采用全程复搅;④钻头到桩底时原地旋转1min，开启灰罐，再间隔10s后，钻杆提升工艺性试桩所确定的参数，为施工、监理单位提供了操作性很强的量比指标，为保证工程质量提供了可靠的依据。

　　(2)工程桩施工

　　粉喷桩的质量除设计因素外，关键还在于施工质量该闸为Ⅱ级构筑物，在整个实施过程中，施工单位成立了以项目经理为组长的地基处理领导小组，监理单位全程旁站监理，设计单位长驻工地配合，严格按照工艺桩所确定的各种参数有序施工，在一个月时间内顺利完成了906根粉喷桩施工，经对101根桩的抽样轻便触探试验和静载试验，施工质量满足设计要求，达到了预期目的。

　　4.加固效果

　　该闸天然地基承载力仅为60kpa(试验值为62kpa)，而闸室、泵房及上下游翼墙基底压力分别达100kpa、110kpa和200kpa，尽管基础下卧压缩层不厚，但天然地基沉降量理论计算值分别达到了297mm、352mm和478mm，该闸完工后，采用粉喷桩固桩后，经沉降观测，闸室最大沉降量为54mm，岸墙为65mm，闸室与岸墙沉降差仅为11mm，且从沉降曲线分析，已趋于稳定，超预期达到了加固效果。

　　5.粉喷桩在水闸软基处理中应注意的问题

　　粉喷桩是一种高效、经济和安全的地基处理技术，不仅可用于一般工业与民用建筑以及交通工程，同样可用于大型水利工程。在实际设计和施工中应注意以下几点:

　　(l)适当地层条件

　　拟加固的软土地层厚度一般应小于10m，且下卧硬土层天然地基承载能力以大于150kpa为宜，桩底进人硬土层的深度应视硬土层含水量、强度、通过试验确定，务必保证硬上层内桩体搅拌均匀、固结良好和桩尖与硬土层的良好接触，避免因硬土层内含水量过小，固结差而导致削弱桩体强度。

　　(2)桩身均匀控制

　　一般操作规程规定，粉喷桩复搅深度为1/2桩长或1/3桩长，从工艺桩取芯结果看，一次喷粉提升成桩桩体水泥土搅拌均匀性差，“干层”现象严重，影响了桩身强度，为保证桩身均匀性应采用全程复搅工艺成桩。

　　(3)钻杆提升时间

　　为保证桩尖成桩质量，钻至桩底后，钻机应在原地旋转1～2min，打开灰罐后，应使水泥从喷咀喷粉后才能提升，水泥干粉从钻口到喷咀的时间与连接两者的皮管长度和空气压力有关，应由试验确定。

　　(4)护桩

　　粉喷桩为复合地基，其加固范围不能局限于基础轮廓线范围以内，周围均应布置护桩，特别对于由引堤与岸墙连接的布置形式，岸墙后引堤基础适当范围内也需加固，其范围应由计算确定，以引堤荷载引起的沉降曲线不影响岸墙为宜，避免水闸岸墙后仰变形。

　　(5)精心施工

　　粉喷桩为隐蔽工程，成桩质量不易认定，极易造成喷粉量不足，进尺不够，搅拌不均匀等质量事故因此，必须严格按设计和工艺试桩参数施工。

　　三、结语

　　粉喷桩可以完全改变软土的性质,它与桩间土形成的复合地基,可以大大地提高承载力,减少沉降。粉喷桩处理软基是一种行之有效的工艺手段,与其他软基处理手段相比,具有施工方便、工期短、沉降小等显著优点。因此在选择这种处理措施时,应充分考虑其适用条件,以确保最终的处理措施经济、合理、可行。