水泥搅拌桩在水闸软弱地基处理中的应用
摘要：水泥搅拌桩通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结而提高地基强度。这种方法适用于加固饱和粘性土和粘土，处理效果显著，工期短，施工成本低。经近几年的运行观测，沉降均匀，目前已趋于稳定，且工程运行情况良好。因此，水泥搅拌桩在冲洪积海积河口平原地区水闸和堤塘基础处理中的应用，具有较大的推广价值。
关键词：水闸；水泥搅拌桩；软弱地基处理
1工程概况及方案比选
1.1工程所在地的地质性质
工程区域地貌属平原区。该处除堤塘外，地势相对平坦，工程所在地土层主要物理力学指标见下表。各土层主要物理力学指标标准值见下表1.
1.2工程概况及地基承载力
该工程地处闽江冲洪积海积河口平原上。水闸净宽为5孔×5m，设计最大过流量为94m3/s，整体式闸底板高程为2.0m（罗零），平面尺寸为16×26.6m。闸室采用二层欧式建筑。经荷载组合计算，闸底板地基应力见下表2.
1.3地基处理方案的比选
平原地区水闸基础一般采用沉井基础、钢筋混凝土桩基础及水泥搅拌桩等。沉井基础是以现场浇筑、挖土下沉方式入地基中的深基础。其优点是承载力较高，对邻近建筑物影响较小，尤其对河滩地粉砂土的液化有很好的防治作用，因此，在平原以往的水闸设计中采用较多。其缺点造价相对较高，施工工期长，施工难度大，下沉时井壁容易出现裂缝，质量不容易保证等。由于本工程持力层埋置较深，采用沉井基础势必沉井要深，因此本工程不适用于沉井基础。桩基础是深基础中最常用的一种基础形式。其主要功能是将荷载传到地下深处的密实土层，以满足承载力和沉降的要求。桩基具有承载力高，稳定性好，沉降量小而均匀，沉降速率低而收敛快等特性。由于本工程基底承载力不大，且适宜桩基础的持力层埋置很深，采用桩基础在经济上很不合算，不宜采用。水泥搅拌桩适用于加固饱和粘性土和粉土等地基的一种方法。其优点：①最大限度地利用原状土；②搅拌时无振动、无噪音和无污染，可在密集建筑物群中进行施工，对周围原有建筑物及地下沟管影响很小；③根据上部结构的需要，可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固形式；④与钢筋混凝土桩基相比，可节约钢材并降低造价，由于本工程基底荷载不大，且（7）-2层土地基承载力标准值比（3）层土要大，且深度适中，可以作为水泥搅拌桩相对持力层。根据上述比较，采用水泥搅拌桩处理本工程地基比较合适。
2水泥搅拌桩设计
2.1水泥搅拌桩的类型
水泥土搅拌法分为深层搅拌法（简称湿法）和粉体喷搅法（简称干法）。水泥搅拌法适用于加固饱和粘性土和粉土等地基。
本工程根据土体天然的含水量，采用深层搅拌法。它是利用水泥（或石灰）等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂浆液强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量。水泥搅拌法加固深度湿法不宜大于20m，水泥搅拌桩的桩径不应小于50cm.采用的固化剂宜选用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量宜采用12～20%，湿法的水泥浆水灰可选用0.45～0.55.外掺剂可根据工程需要和土质条件选用具有早强、缓凝、减水以及节省水泥作用的材料。
2.2桩的布置与加固范围
水泥搅拌桩平面布置根据闸上部结构对变形的要求，采用正方形布置，桩间距采用1m，桩直径采用0.5m，在闸底板基础范围内布桩，具体布置见图1.
2.3承载力计算
搅拌桩复合地基承载力特征值fspk按下式计算；fspk=m•Ra/AP+β(1-m)fsk
式中：fsk——处理后桩间土承载力特征值（kpa）；
β——桩间土承载力折减系数；
m—面积置换率；
n—桩的根数；
AP—桩的截面积（m2）;
Ra—单桩竖向承载力特征值（kN）,
当无单桩荷载实验资料时，Ra可按以下式估算：
Ra=tb4.png并同时应满足下式：
Ra=ηfcuAp
式中：η——桩身强度折减系数；
Ap——桩的截面积（m2）；
——桩身周长（m）；
——桩周第i层土的侧阻力特征值(kpa)；
——桩长范围内第i层土的厚度(m)，本工程初拟桩长=8m；
——桩端地基土未经修正的承载力特征值；
——桩端天然地基土的承载力折减系数；
fcu——与搅拌桩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（kpa）。
2.4确定计算参数
水泥搅拌桩的设计，（1）应进行拟处理土的室内配比试验，针对现场拟处理的最软弱层软土的性质，选择合适的固化剂、外掺剂及其掺量，为设计提供各种龄期、各种配比的强度参数，本工程水泥掺入比采用0.16；（2）确定搅拌桩的面积置换率和长度。面积置换率根据搅拌桩的直径、数量、地基处理的面积确定，本工程水泥搅拌桩面积置换率采用0.245。桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层，本工程长度采用10m。
2.5计算成果
根据选定桩径及长度，按公式计算其设计参数见表3。
2.6验算桩底基础
复合地基基础底面下卧层经修正后的地基承载力特征值，按下式计算：
f=fk+ηd•γm•(d-0.5)
式中：fk—下卧层地基承载力特征值；
ηd—埋置深度的地基承载力修正系数；
γm—基础底面以上土的加权平均重度；
d—基础埋置深度
经计算，f=191.5kPa。复合地基基础底面应力，按下式计算：
F’=[fspA+G-As•qs-fs(A-As)]]/A
式中：fsp—基础底面承载力标准值(kPa);
G—实体基础的重量（kN），地下水位以下按浮容重计算；
qs—实体基础与土的摩阻力标准值（kPa）；
As—水泥搅拌桩范围侧壁面积（m2）；
fs—基础底面处土的地基承载力标准值（kPa）；
A—实体基础的搅拌桩范围内的面积（m2）。
经计算，F’=160.6kPa，由上可知：F’＜f，满足下卧层地基承载力的要求。
3水泥搅拌施工工艺
（1）施工现场事先应予以平整，必须清除地上地下的障碍物，需回填土的低洼地应抽水清淤后，回填粘性土料并予以压密，不得回填杂填土。
搅拌桩施工前应对搅拌机械的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数进行确定。并根据设计要求通过成桩试验，确定搅拌桩的配比和施工工艺。
（2）浆液的配制要严格控制水灰比，一般为0.45-0.55。使用的水泥和外加剂通过室内加固土试验确定。
（3）水泥搅拌桩主要按下列步骤进行：搅拌机械就位、调平；预搅拌下沉，下沉时可采用喷浆工艺；喷浆搅拌提升至设计停浆标高；重复搅拌下沉；重复喷浆、搅拌至设计停浆标高后，再提升到孔口；测量料罐剩余量，对不满足设计要求的桩位应立即补搅。关闭机械，桩机移至下一桩位。
（4）水泥搅拌桩质量检验的项目及抽检数量，按有关规范实施。
4结束语
平原区，雨水充沛，地下水位较高，地层分布中淤泥质土层分布范围大，水闸基础处理一般采用沉井基础和桩基础。由于基础处理在整个工程中所占的费用较高，因此，如何合理选择基础的类型成为工程设计中的关键。为解决工期紧，资金不足的特点，在水闸基础设计过程中，首先采用了水泥搅拌桩。在达到设计标准的条件下，确保了施工工期，以较低的成本保证了水闸按时发挥效益，取得了预期的效果。
