深层搅拌桩在河口橡胶坝基础加固中应用
2022-06-09
深层搅拌桩是用于加固饱和软土地基的一种较新的方法。它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械边钻进边往土中喷射浆液或雾状粉体，在地基深处将软土与固化剂强制搅拌，使固化剂与软土充分拌合，由固化剂与软土之间产生一系列物理化学作用，形成比天然土强度高的多的，具有整体性、水稳性的水泥加固土桩柱体。由桩柱体与桩间土构成的复合地基。
深层搅拌技术最初是美国在第二次世界大战后研制成功的，当时桩径为0.3~0.4米，桩长10~12米。20世纪50年代传入日本后得到了较快的发展，出现了湿喷法与干喷法。70年代末我国开始深层搅拌技术的引进、消化和开发工作。国内多家科研、设计、制造单位根据我国国情，开发出价格低、机型轻便的成套施工设备。近年来广泛地在公路、铁路的路基加固，水利、市政民建基础处理中应用。特别是1998年发生特大洪水后，全国范围内开展堤防、水库除险加固。深层搅拌法以费用低、施工快，因而大规模用于堤防、土坝坝体防渗处理，深层搅拌技术迅速在水利工程得到普及。
本文结合新蔡县小洪河河口橡胶坝工程实例，谈谈深层搅拌桩在软基处理中的应
用设计。
1、橡胶坝基础处理设计
1.1工程概况
新蔡县小洪河河口橡胶坝位于新蔡县顿岗乡祖师庙村河口桥下游100米，设计坝高为5米，坝长90米，坝顶高程31.2米，坝底板顶高程26.20米，蓄水库容约915万立方米，工程属IV等IV级建设物。该坝以灌溉为主，同时兼引水入县城，改善县城水环境，解决县城内部分环境、工业用水，库区回水30余公里，同时沿河两岸地下水可以得到有效补充。工程结构型式：进口段为15米长钢筋砼铺盖，橡胶坝坝基为厚1.2米长65米的钢筋砼底板，下游连接段消力池及海漫段等构成。橡胶坝型式为斜坡式，滩地左岸设供水泵房。
1.2地质条件
河口橡胶坝坝址位于淮河冲洪积平原河谷地形，河谷两侧地形较平坦开阔，从可研及初设报告中钻探资料所揭示的地层来看，坝底板以下地层分布如下：
第一层：中、轻粉质壤土，灰色，青灰色，含水量大，湿、软可塑状，具有粘性，含蚌壳及腐殖质。含水量28.7%，干重度14.8kN/m3,孔隙比0.823，液性指数0.73，天然地基承载力100kPa，层厚5.0米，层底高程20.0米；
第二层：粉细砂与轻粉质壤土互层：灰色，中密。含水量27.4%，干重度15.4KN/m3，孔隙比0.756，液性指数0.73，天然地基承载力150kPa，层厚4.4米，层底高程15.6米；
第三层：中重粉质壤土：浅灰色，灰黄色，湿，硬可塑状，含铁锰质结核及钙质结核。分布高程15.6米以下，揭示厚度3.0米，天然承载力200kPa。
据此进行工程设计，橡胶坝底板计算应力最大=89.6kPa，最小应力=64.5kPa小于地基承载力，基础满足要求。
工程施开始后，在开挖基础探槽时发现基底土明显与勘探结果有出入，由原勘探单位对坝基进行了补充勘探。补充勘探结果表明：原第一层分二层，第一层之一承载力为60kPa，厚3米，第一层之二承载力为100kPa厚2米。由于坝基最大应力=89.6kPa>1.2fak=1.2×60=72kPa不能满足原设计要求，必需对地基进行加强处理，以满足设计要求。
1.3地基处理设计
1.3.1确定处理方案
河口橡胶坝位于小洪河下游，每年的防汛任务繁重，为避免影响河道行洪，工程需要在来年汛前完成河道内主要建筑物工程施工，以免影响河道行洪。施工时间只有短短的五个月时间，所以在考虑基础处理方案应以安全可靠、施工方便，工期短为优选方案。河口橡胶坝坝下地基为饱和轻中粉质壤土，若采用碎(砂)石桩，对饱和软土处理效果不太好，排水固结方案时间需要很长。综合考虑决定采用深层搅拌桩喷干水泥粉搅拌法复合地基处理方案。
基底处理面积，橡胶坝坝型斜坡式，两岸斜坡下应力较小，仅处理坝基直段下地基。坝下基础面积A=1765=1105m2，设计桩长8米，采用双头水泥土搅拌桩，桩的横截面积Ap=0.196m2,周长Up=1.57m，水泥渗入量14%（32.5普通硅酸盐水泥），根据室内水泥土配比试验，相应于水泥渗入比14%的水泥土试块90d龄期的无侧限抗压强度为fcu,k=1200kPa，桩侧平均摩阻力s=10kPa，按考虑摩擦桩计算，则单桩承载力标准值。
桩身水泥土强度fcu,kAp=0.5×1200×0.196=117.6(kN)
土对桩的支承力pli=1.57×10×8=125.6(kN)
根据以上计算单桩承载力设计值(kN)
①面积置换率确定
坝基的基底压力为89.6kPa，因此复合地基承载力取fsp,k=100kPa。按下式计算复合地基置换率m及总桩数N：
m==
N=（根）
式中：fs.k为桩间土承载力，取基底持力层天然土承载力，fs.k=60kPa，为桩间土承载力折减系数，取0.7，A为基底面积，A=1105m2
由面积置换率0.105，工程采用直径0.5米桩，桩距1.5米，等边三角形分布。
②桩的平面布置图（略）
③软弱下卧层强度验算
软弱下卧层强度验算公式按基础规范公式进行
坝其基础宽b=17米，长l=65米，基底压力p=89.6kPa，复合地基扩散角取θ=230，基底蓰自重压力pc=(19.5-9.81)×1.2=11.63kPa，则软弱层下卧层顶面处的附加应力pz为：
深层搅拌技术最初是美国在第二次世界大战后研制成功的，当时桩径为0.3~0.4米，桩长10~12米。20世纪50年代传入日本后得到了较快的发展，出现了湿喷法与干喷法。70年代末我国开始深层搅拌技术的引进、消化和开发工作。国内多家科研、设计、制造单位根据我国国情，开发出价格低、机型轻便的成套施工设备。近年来广泛地在公路、铁路的路基加固，水利、市政民建基础处理中应用。特别是1998年发生特大洪水后，全国范围内开展堤防、水库除险加固。深层搅拌法以费用低、施工快，因而大规模用于堤防、土坝坝体防渗处理，深层搅拌技术迅速在水利工程得到普及。
本文结合新蔡县小洪河河口橡胶坝工程实例，谈谈深层搅拌桩在软基处理中的应
用设计。
1、橡胶坝基础处理设计
1.1工程概况
新蔡县小洪河河口橡胶坝位于新蔡县顿岗乡祖师庙村河口桥下游100米，设计坝高为5米，坝长90米，坝顶高程31.2米，坝底板顶高程26.20米，蓄水库容约915万立方米，工程属IV等IV级建设物。该坝以灌溉为主，同时兼引水入县城，改善县城水环境，解决县城内部分环境、工业用水，库区回水30余公里，同时沿河两岸地下水可以得到有效补充。工程结构型式：进口段为15米长钢筋砼铺盖，橡胶坝坝基为厚1.2米长65米的钢筋砼底板，下游连接段消力池及海漫段等构成。橡胶坝型式为斜坡式，滩地左岸设供水泵房。
1.2地质条件
河口橡胶坝坝址位于淮河冲洪积平原河谷地形，河谷两侧地形较平坦开阔，从可研及初设报告中钻探资料所揭示的地层来看，坝底板以下地层分布如下：
第一层：中、轻粉质壤土，灰色，青灰色，含水量大，湿、软可塑状，具有粘性，含蚌壳及腐殖质。含水量28.7%，干重度14.8kN/m3,孔隙比0.823，液性指数0.73，天然地基承载力100kPa，层厚5.0米，层底高程20.0米；
第二层：粉细砂与轻粉质壤土互层：灰色，中密。含水量27.4%，干重度15.4KN/m3，孔隙比0.756，液性指数0.73，天然地基承载力150kPa，层厚4.4米，层底高程15.6米；
第三层：中重粉质壤土：浅灰色，灰黄色，湿，硬可塑状，含铁锰质结核及钙质结核。分布高程15.6米以下，揭示厚度3.0米，天然承载力200kPa。
据此进行工程设计，橡胶坝底板计算应力最大=89.6kPa，最小应力=64.5kPa小于地基承载力，基础满足要求。
工程施开始后，在开挖基础探槽时发现基底土明显与勘探结果有出入，由原勘探单位对坝基进行了补充勘探。补充勘探结果表明：原第一层分二层，第一层之一承载力为60kPa，厚3米，第一层之二承载力为100kPa厚2米。由于坝基最大应力=89.6kPa>1.2fak=1.2×60=72kPa不能满足原设计要求，必需对地基进行加强处理，以满足设计要求。
1.3地基处理设计
1.3.1确定处理方案
河口橡胶坝位于小洪河下游，每年的防汛任务繁重，为避免影响河道行洪，工程需要在来年汛前完成河道内主要建筑物工程施工，以免影响河道行洪。施工时间只有短短的五个月时间，所以在考虑基础处理方案应以安全可靠、施工方便，工期短为优选方案。河口橡胶坝坝下地基为饱和轻中粉质壤土，若采用碎(砂)石桩，对饱和软土处理效果不太好，排水固结方案时间需要很长。综合考虑决定采用深层搅拌桩喷干水泥粉搅拌法复合地基处理方案。
基底处理面积，橡胶坝坝型斜坡式，两岸斜坡下应力较小，仅处理坝基直段下地基。坝下基础面积A=1765=1105m2，设计桩长8米，采用双头水泥土搅拌桩，桩的横截面积Ap=0.196m2,周长Up=1.57m，水泥渗入量14%（32.5普通硅酸盐水泥），根据室内水泥土配比试验，相应于水泥渗入比14%的水泥土试块90d龄期的无侧限抗压强度为fcu,k=1200kPa，桩侧平均摩阻力s=10kPa，按考虑摩擦桩计算，则单桩承载力标准值。
桩身水泥土强度fcu,kAp=0.5×1200×0.196=117.6(kN)
土对桩的支承力pli=1.57×10×8=125.6(kN)
根据以上计算单桩承载力设计值(kN)
①面积置换率确定
坝基的基底压力为89.6kPa，因此复合地基承载力取fsp,k=100kPa。按下式计算复合地基置换率m及总桩数N：
m==
N=（根）
式中：fs.k为桩间土承载力，取基底持力层天然土承载力，fs.k=60kPa，为桩间土承载力折减系数，取0.7，A为基底面积，A=1105m2
由面积置换率0.105，工程采用直径0.5米桩，桩距1.5米，等边三角形分布。
②桩的平面布置图（略）
③软弱下卧层强度验算
软弱下卧层强度验算公式按基础规范公式进行
坝其基础宽b=17米，长l=65米，基底压力p=89.6kPa，复合地基扩散角取θ=230，基底蓰自重压力pc=(19.5-9.81)×1.2=11.63kPa，则软弱层下卧层顶面处的附加应力pz为：