水泥搅拌桩在东江堤防基础处理中的应用

水泥搅拌桩在东江堤防基础处理中的应用2012-01-3115:56:49|分类：个人日记|标签：|字号大中小订阅胡涛金德钢宁波市水利水电规划设计研究院摘要：水泥搅拌桩适用于含水率高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高的软土地基的加固。如何更好的利用搅拌桩的物理力学特性，本文通过对东江堤防基础处理方案的比较，提出水泥搅拌桩在水利工程中加固地基的方法，并在试验段工程实践中获得了成功。关键词：水泥搅拌桩堤防固化剂复合地基1、引言随着宁波市城市化进程的快速推进，特别是奉化市的社会经济发展，区域防洪安全显得尤为重要，东江河道整治工程的实施能够提高两岸防洪标准，能够缓解鄞奉平原的防洪压力，保护江口平原开发区的生命财产安全。东江堤防整治工程是《甬江流域综合规划》和《甬江流域防洪治涝规划》中规划的中疏工程中的重要工程之一，承担着奉化江流域，乃至整个甬江流域防洪重任，也是保障两岸平原防洪排涝安全的重要措施。2工程基本情况东江发源于葛岙乡南端薄刀岭岗，自南向北流，上游称白溪，又名牌溪，在尚田孙家村前与朱溪（方门江）汇合称东江，后折向北，经过上宅村、下宅村至高楼张堰，高楼张堰以上属于山区性河道，集水面积约119km2，河道长约28km，高楼张堰以下属于平原河道，坡降明显变缓。东江堤防整治工程为甬江流域防洪工程的重要组成部分，工程主要任务是提高干流防洪标准，保障奉化市、鄞州区，乃至宁波市社会经济可持续发展。本次东江堤防整治工程范围自高楼张至方桥三江口，河长16.45km。3工程地质3.1地形地貌工程区位于鄞奉平原，为冲海积平原，地势较为平坦，河网密布，地面高程一般为2.0～4.0m。工程区南侧为天台山脉的东北端，以丘陵低山、残丘为主。3.2地层岩性区内基岩主要为侏罗系上统火山碎屑岩与白垩系下统紫红色的砂砾岩及砂岩。覆盖层为第四系（Q）松散堆积物，成因复杂，岩相多变，主要为第四系冲积、冲海积和海积等为主，其厚度受基底起伏控制，变化较大，山麓沟谷区第四系厚度一般小于40m，平原区第四系最大厚度达120m。地层由老到新分述如下：1、侏罗系上统茶湾组（J3c）：灰绿色、灰黄色凝灰质砾岩、凝灰质含砾砂岩、凝灰质砂岩、粉砂质泥岩等夹流纹质玻屑凝灰岩及沉凝灰岩，厚度＞200m。主要分布于工程区南部。九里坪组（J3j）：灰色、灰紫色、浅灰绿色流纹(斑)岩、球泡流纹岩、霏细(斑)岩夹不稳定脱玻珍珠岩、流纹质角砾熔岩，厚度1475m。分布于工程区南部。2、白垩系下统方岩组（K1f）：下部为灰紫色砂砾岩、砾岩夹紫红色粉砂岩；中部为灰紫色中细粒砂岩、粉细砂岩、泥质粉砂岩为主，夹砂砾岩及少量薄层状凝灰岩、沉凝灰岩及泥灰岩透镜体；上部以紫色夹黑色泥质粉砂岩为主，间夹凝灰质砂砾岩，其底为流纹质玻屑凝灰岩，厚度＞1730m，零星分布于测区中南部。3、第四系上更新统（Q3）海、陆相相互叠置的沉积层，成因类型以冲积（alQ3）、冲湖积(al-lQ3)、冲海积(al-mQ3)及海积(mQ3)为主，主要由粉质粘土、砂及砂砾石组成。4、第四系全新统（Q4）成因类型以冲积（alQ4）、冲海积（al-mQ4）、冲湖积（al-lQ4）和海积（mQ4）等为主。冲积一般以粉土、砂、砂砾石等为主；冲海积、冲湖积和海积一般以淤泥质土、含有机质粘土、粉土等为主。3.3地质构造与地震根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），工程区设防水准为50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.65s（按Ⅰ区软弱场地划定）。3.4工程地质条件主要土（岩）层自上而下可分为：Ⅰ层人工堆积层（rQ）Ⅰ1层杂填土，以人工抛石、砼块、碎石夹泥等组成为主，主要分布于砖瓦厂、村庄及集镇附近。该层层厚一般小于2.0m，局部厚达5.2m。Ⅰ2层素填土，以灰黄色碎块石夹泥组成，松散，为桥墩、堤岸地基，该层层厚一般小于1.5m。Ⅱ1层粘土（alQ4）灰色～灰黄色，以粘土为主，局部为粉质粘土，湿，软塑~可塑，中高压缩性，俗称“硬壳层”，表层多含植物根系等，该层层厚0.75～1.5m。qc=0.41～1.95(1.05)MPa；fs=9.55～74.96(33.46)kPa。Ⅲ1层淤泥（mQ4）灰色～青灰色，饱和，流塑，高压缩性，含少量有机质，局部含量较高。本单元分布较稳定，顶板高程在-0.2～1.0m之间，厚度6.42～9.8m，局部厚达12.2m。qc=0.23～0.41(0.26)MPa；fs=6.42～12.18(8.7)kPa；十字板剪切强度Cu=9.462+0.807ZkPa，线性相关性较好。该层局部地段夹粉砂（Ⅲ1s）透镜体，厚约1.0m。Ⅲ2层粘土、淤泥质粘土（mQ4）青灰色～灰色，饱和，软塑～流塑，高压缩性。其顶板高程在-1.25～-3.52m左右，厚度1.3～3.4m，局部地段缺失。qc=0.40～0.62(0.51)MPa；fs=13.70～26.05(18.64)kPa。十字板剪切强度Cu与深度Z线性相关性不好，强度在12.2～26.4(18.3)kPa。Ⅲ3层淤泥质粘土（mQ4）灰色～青灰色，饱和，软塑～流塑，高压缩性，局部为淤泥，深部含少量贝壳碎屑，微层理发育。其顶板高程在-2.2～-6.7m左右，大体呈两头高中间低的形态，厚度受下伏硬地层控制，变化较大，为1.3～18.2m。qc=0.43～0.58(0.50)MPa；fs=8.79～12.13(10.11)kPa。十字板剪切强度Cu=7.456+0.902ZkPa,线性相关性较好。Ⅲ4层粘土（al-mQ4）灰色，湿，可塑，高中压缩性。顶板高程在-25.02m左右，厚约5.0m。该层仅在陡门桥左岸ZK26揭露，透镜体状分布，为软土层向硬土层转变的过渡层。Ⅳ1层粘土（alQ3）灰色、灰黄色，稍湿，硬可塑，中压缩性。该层在陡门桥上游分布较连续，埋深相对较浅，往下游埋深增大，其顶板高程在-3.5～-30.02m左右，厚度＞8.4m，下游仅老方桥右岸ZK30揭露，其顶板高程在-12.0m左右，厚度＞4.2m，透镜体状分布。qc=2.15MPa；fs=91.52kPa。Ⅶ层含碎石粉质粘土（dlQ3）灰褐色，湿，可塑，碎石粒径一般2~4cm，最大达10cm，中等压缩性。该层顶板高程受基底影响起伏大，孙家山~茅山残丘揭示。厚约6m。Ⅷ层基岩白垩系下统方岩组（K1f）：岩性为灰紫色～紫红色砂砾岩夹泥质粉砂岩，勘探深度内多呈全强风化状，顶板埋深受残丘影响起伏较大，天然容重γ=25.5kN/m3，饱和抗压强度Rc=10～20MPa。4.堤防基础处理方案设计4.1、河道断面型式河道断面型式设计的基本原则：在满足排涝要求前提下，结合生态、景观等要求，将防洪排涝与环境整治有机结合起来。断面过水面积不小于规划要求。水清、岸绿和景美，安全、经济和高效。在充分体现生态观，满足防洪、排涝等基本功能的前提下，注重水利设施的造型美观及河滨的绿化、休闲等，满足人们亲水及休息游乐的要求。根据生态水利的要求，在堤防设计过程中，尽可能的保持河道的自然形态，尽量避免裁弯取直。除了保证河道减轻洪水灾害的功能外，还要维护河流的生态系统，以创造人与自然和谐相处的环境。为此，在河道两岸护坡设计中尽可能设计成生态护坡，在垂直方向自上而下布置软木林带（设计高水位以上）、湿声植物带（常水位与设计高水位之间）、挺水植物带（常水位变幅间）、浮水植物（常水位水面）及沉水植物（常水位以下），以有利于改善水质，进而改善水生态环境。同时，在居民区段岸坡上布置亲水平台或河埠头，使人与水和谐共处，以改善人居环境。另外，建议尽可能截断及控制污染源，防止河道水质恶化，从根本上改善河道水质，进而改善水生态环境。按照以上原则选择最危险的斜坡堤典型断面型式作为本次基础处理分析比较的重点。图4-1典型堤型4.2.基础处理由于河堤最大高差近9m，且工程区地基土除表层硬层粉质粘土性质较好外，其余下卧层均较差。堤基稳定主要受制于淤泥层和淤泥质粘土层，该土层厚度大且埋藏深；且老东江主河道、剡江均有通航功能，不能断流，感潮水位不能受人为控制。如此恶劣的受制条件因素促使本河道堤防的地基处理难度较大，也加大了工程建设的投资。通过计算若不采用地基处理，堤防施工期安全系数不能满足规范要求。因此，本工程堤防需要进行地基处理，才能保证工程施工期和运行期的安全。合理的地基处理方案，不仅能保障堤防工程的安全建设，发挥工程的防洪行洪效益，也是降低工程建设投资费用的主要措施。本次主要根据河道不同地质条件、水位条件，并参考周边类似堤防工程，提出不同的地基处理方案。堤防中常用的基础处理方式有：碎石振冲桩、水泥搅拌桩、砼预制短桩及塑料排水板等，结合本工程的实际情况对几种方案进行比选、组合。碎石振冲桩：适用于碎石土、砂土、粘性土、人工填土及湿陷性土的地基加固处理，对于不排水抗剪强度小于20KPa的淤泥、淤泥质土应通过试验确定。根据地质资料，本工程的深厚淤泥层，其不排水抗剪强度小于10KPa，对于强度很低的淤泥层，由于土的约束力不能平衡填料挤入孔壁的力，故碎石振冲桩始终不能形成完整的桩体，也就不能形成复合地基。鉴于本工程地基土强度较低的特点，为确保防洪堤工程的安全，我们认为碎石振冲桩不适合本工程的地基加固处理。水泥搅拌桩：是利用水泥作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理—化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。水泥搅拌桩较碎石振冲桩适用范围更广，可用于淤泥、淤泥质土和含水率高且地基承载力低于120KPa的粘性土等软土地基的加固。对于本工程地基存在深厚淤泥层，含水率较高，不排水抗剪强度小于10KPa的淤泥，其适用性应是非常好的。常用水泥搅拌桩的布置型式有柱状式、块状式和壁状式三种，详见图4-3。图4-2常见水泥搅拌桩的布置形式表4-1水泥搅拌桩布置型式比较表布置型式特点说明适用范围备注柱状式每间隔一定距离打设一根搅拌桩，即成为柱状加适用于独立桩基础和条形基础下的地基加固。根据本堤防工程及搅拌桩布置形式的特点，固型式。柱状式可以使用于堤下或斜坡下，块状式及壁状式可以使用于岸下，在满足抗剪强度要求的情况下，考虑到节约投资，本工程岸下推荐使用块状式。块状式将搅拌桩纵横两个方向的相邻桩搭接，中间设肋，即成为块状加固型式。适用于上部结构单位面积荷载大，对不均匀下沉控制严格的构筑物的地基加固。壁状式将相邻搅拌桩部分重叠搭接，即成为壁状加固型式。适用于深基坑开挖时的软土边坡加固。砼预制短桩：是挤密桩的一种，通过砼预制短桩的打设使桩间土挤压密实，从而提高基础承载力及整体稳定性。该种方式适用于岸墙基础处理。塑料排水板：通过向地基土中打入用于垂直向排水的排水板，可有效排出地基土中的水分，加快固结速度，再结合面层的土工织物及碎石垫层的水平向排水通道，将水排出。通过这种地基处理方式，可有效提高地基的固结度及强度，增强堤身稳定性，并将堤防沉降在施工期大量释放，有效减少工后沉降量，防止堤防的不均匀沉降。根据上述各种基础处理方式的论证，结合东江、剡江地质土层的分布情况，提出基础处理方案组合如下：方案一：岸下水泥搅拌桩（块状式）、堤下塑料排水板堤下设塑料排水板的目的是排出地基淤泥层中的水分，加快固结速度，将防洪堤沉降在施工期大量释放，有效减少工后沉降量。但由于本工程工期的限制及堆载高度的因素影响，塑料排水板方案不能完全发挥作用，在排水固结时间为3个月，排水板深为10m的情况下，防洪堤基础平均固结度为0.412，因此仅依靠排水板不能满足防洪堤稳定的要求。为此在岸下设水泥搅拌桩，改善地基土特性，形成复合基础，提高防洪堤的稳定性。根据类似工程的经验，设计采用双头水泥搅拌桩直径为700mm，块状布置，中间设肋，以每3m为一单元，共设四排，相邻桩间搭接长度为20cm。水泥搅拌桩28d抗压强度取1.2MPa，抗剪强度为0.18MPa。经计算，施工期防洪堤最小安全系数为1.1572，满足要求。方案二：水泥搅拌桩柱状式布置由于防洪堤下布设塑料排水板不能完全发挥作用，本方案中取消