淺談水泥土攪拌樁在處理淤泥質土中的應用

孫冬冬

（安徽華邦工程設計有限公司，安徽 合肥 235000）

1 概述

荷圩泵站位于安徽省蕪湖市繁昌區新港鎮境內，為沿江荷花圩排區排澇泵站，排澇承泄區為長江。荷圩站設計排澇流量7.39m3/s，裝機4 臺，總裝機容量800kW。工程等別為Ⅳ等，主要建筑物按4 級建筑物設計，次要建筑物5 級，堤防及穿堤涵閘3 級。

泵站布置于堤后，采用正向進、出水布置型式，泵室采用干室型結構，為自排與抽排結合站。荷圩泵站樞紐由進水口、前池、進水攔污閘、泵站廠房（含匯水箱）、抽排控制閘、穿堤箱涵、防洪閘等幾部分組成。

泵房采用箱型基礎，基礎底高程3.1m，堤防頂高程14.5m，穿堤箱涵基礎底高程3.9m。

經地質勘察，工程位置處土層自上而下可分為5 層，分別如下：

①填土：主要為雜填土，含碎石和建筑垃圾。該層只在11#鉆孔分布，其余鉆孔已清除，層厚1.3m。

②粉質黏土：黃灰褐色，可塑，干強度較大，韌性、壓縮性一般，部分夾粉土薄層，夾層一般小于0.3m。滲透系數K=3.0E-05cm/s，為弱透水層。該層在大堤北側缺失。層厚1.2～3.6m。

③淤泥質粉質黏土：灰色、灰棕色，軟塑狀，局部流塑，土質粘性土，高壓縮性，切面稍有光澤，干強度較大，含有機質。滲透系數K=1.0E-07cm/s，為不透水層，層厚0.8～14.2m。

④粉質黏土：灰棕色、灰褐色，可塑，土質粘性土，中等壓縮性，有一定結構性，結構較緊密，切面稍有光澤，韌性較大，含少量Ca 質結核。滲透系數K=2.0E-06cm/s，為弱透水層，層厚1.7～5.3m。

⑤泥質粉砂巖：呈黃褐色和灰黃色，夾少量粘性土。石英砂巖、花崗巖為主，灰黃色石灰巖次之，中密—密實狀。該層未揭穿，最大可見深度約3m。

本次地勘資料顯示淤泥層厚為0.8～14.2m，其中前池至壓力水箱段淤泥層厚度為0.8～3.1m，泵站底板以下淤泥層厚度為0.0～2.1m，穿堤箱涵至出口防洪閘段淤泥層厚度為7.3～14.2m，出口處翼墻底板以下淤泥層厚度為5.94～9.55m。

依據各土層土工試驗成果、原位測試結果，按照有關規范取值標準，結合本地區地層特點、地區經驗，通過綜合分析給出地基承載力特征值（kPa）如表1。

表1 地基承載力特征值表

2 地基處理方案研究

根據工程布置及地質報告，該站泵室和穿堤涵設計基底坐落在③層淤泥質粉質黏土上，軟塑狀，局部流塑，為軟弱強度地層且含有機質，工程地質條件差。

因此，該站基礎施工具有以下特征：①基坑深度大，最深處約12m，屬于超深的軟土深基坑；②地質條件差，以淤泥為主的軟土層具有地基承載力低、含水量大、壓縮性強、不透水等特殊性能；③地基軟弱層較深、換填處理難度大；④根據施工需要，基坑開挖面積較大，且坐落于長江大堤下，失事后危害大。

根據《泵站設計規范》（GB50265-2010）4.1.3 節，“站址坐落在軟土、雜填土、振動液化土等不良地基時，應慎重研究確定基礎類型和地基處理措施”。因此，需要根據該站基礎施工特征有針對性地進行地基處理。

2.1 地基處理范圍

根據各部位的天然地基承載力分析及基底應力分析，本工程地基處理范圍為：攔污閘、泵室及水箱段、穿堤出水箱涵段以及進出口邊墻。

2.2 方案選擇

本工程地基軟弱、處理范圍大，采用何種地基處理方案直接關系工程的安全及工程造價，基礎底面下軟土層厚度約15m。

根據軟弱地基處理方法比選和工程所在地同類地基處理成功經驗，本項目初步擬定采用復合地基方案；泵室地基處理的目的主要是解決地基沉降、地基承載力問題。水泥土攪拌樁處理可使復合地基強度有較大提高，從而使地基沉降及沉降差在容許范圍內，水泥土攪拌樁地基比鉆孔樁有較多優點，具有投資省、防滲性能好、對樁間土擾動小等優點。

3 水泥土攪拌樁設計及沉降量計算

3.1 水泥土攪拌樁設計

泵室底板持力層，天然地基承載力均為70kPa，設計地基承載力為108kPa，初擬攪拌樁直徑D=500mm，截面積Ap=0.196m2，樁周長Up=1.57m，根據地質資料，擬定樁長L=3～16m，即樁深入粉質黏土④約2m。

水泥土攪拌樁承載力特征值應通過現場加荷試樁確定，在設計過程中，根據《建筑地基處理技術規范》中的公式進行計算。

式中：

fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊（邊長為50mm 的立方體）在標準養護條件下28d 齡期的立方體抗壓強度平均值，kPa。

η—樁身強度折減系數，濕法取0.25；

Ap—水泥土攪拌樁的單樁截面積，m2；

Ra—單樁豎向承載力容許值，kN；

Up—樁身周長，m；

qsi—樁周第i 層土的側阻力容許值，kPa，依據地質報告取值13kPa；

li—樁長范圍第i 層土的厚度，m；

α—樁端天然地基土承載力折減系數，取0.4～0.6；

qp—樁端地基土未經修正的承載力容許值，kPa。

設計中按天然地基承載力為70kPa 進行地基處理設計。

根據計算，取單樁承載力

加固后的水泥土攪拌樁復合地基承載力應通過現場復合地基荷載試驗確定，在設計階段根據設計規范推薦公式計算：

式中：

fspk—復合地基承載力容許值，kPa；

fsk—處理后樁間土的承載力容許值，kPa；

m—面積置換率；

Ap—水泥土攪拌樁的單樁截面積，m2；

Ra—單樁豎向承載力容許值，KN；

β—樁間土承載力折減系數，可取0.1～0.4，本工程取0.25。

水泥土攪拌樁采用柱狀設計，水泥摻入量為15%，樁身直徑0.5m，樁中心間距按照順水流向為1.0m，垂直水流向1.0m 布置，地基處理范圍按建筑物基礎輪廓線以外0.5m。

根據泵房和箱涵基礎的底面積和復合地基的置換率等計算，荷圩泵站設計布置水泥土攪拌樁根數共計1838 根，總長度為17104m，其中，泵房及壓力水箱池底板下布樁551 根；前池翼墻底板下布樁360 根；攔污閘下布樁160 根，涵洞底板布樁441 根，出口翼墻下布樁326 根。

經驗算，處理后的地基承載力標準值可以達到123kPa，詳見表2。

表2 地基處理計算成果表

3.2 沉降量

加固處理后的水泥土攪拌樁復合地基承載力標準值可達123kPa，相當于中等堅硬的黏性土地基。按《復合地基技術規范》（GB/T50783）及《建筑地基基礎設計規范》（GB50007）的沉降量計算要求，荷圩站各建筑物地基最終沉降量如式（5）：

式中：S—地基最終沉降量，mm；

ψs—經驗計算沉降系數；取0.5。

P0—基礎底面處的附加壓力（kPa）；

n—地基壓縮層范圍內的土層數量；

Esi—第i 層土的壓縮模量值，MPa；

Zi、Zi-1—基礎底面至第i 層土、第i-1 層土底面的距離，m；

經計算，泵站各部位地基沉降量計算成果見表3。

表3 荷圩站各部位地基沉降量計算表

從表3 中可以看出，地基進行加固處理后，各部位的最大沉降量為35mm，最小沉降量為21mm。

4 基底應力復核

根據《泵站設計規范》（GB50265-2010）中的公式進行地基承載力復核計算，根據規范的規定，考慮四種運行工況，分別為完建期、設計抽排水位運行期、最高水位運行期和檢修期。

式中：

∑M—作用于基底面以上的全部水平和豎向荷載對于基底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；

∑G—作用于基礎底面以上的全部豎向荷載，KN；

W—基底面對于該地面垂直水流方向的形心軸的截面積（m3）；

A—基底面積（m2）。

根據上式計算，工程最大基底平均應力發生在完建期為107.7kPa，最小基底平均應力發生在設計抽排水位運行期85.5kPa，經過深層水泥攪拌樁處理后的復合地基承載力可達到123kPa，處理后的地基可以滿足工程對地基承載力的需求。

5 組合支護效果

為及時、準確觀測工程沉降和水平位移情況，在攔污閘、泵室上下游墩墻和壓力箱涵出口上均布置了永久沉降和位移觀測點，工程完建并已安全運行三年，通過定期觀測數據比較，建筑物基本未發生位移和沉降，可見水泥土攪拌樁地基處理方案是滿足設計和規范要求的