李洋洋，邹福建，杨 宁，张崴栋

(徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000)

软弱土层承载力低下，是制约工程建设的一个重要因素[1-3]。尤其是水利工程建设，河道软土层分布范围广、厚度大，处理难度高。目前，针对软土处理的方法主要包括换填法、复合地基、挤密法等[4-8]。不同的处理方法适用于不同的地层和地基承载力要求值。地基承载力是地基土的一个重要参数，现场荷载试验是获取承载力的重要方法，其测试结果较室内试验更为准确，在工程中应用较广[9-14]。结合梁寨闸对水利工程软土地基处理方法进行研究。

1 工程概况

梁寨站位于丰县梁寨镇郑集南支河上，是丰县南线调水第二级泵站工程，由梁寨南站和梁寨北站共同组成。该站的主要作用是将范楼站来水二级提升，向丰县东南部大沙河河川水库不断补充水源，增加调蓄能力，改善水质，促进大沙河两岸的开发和利用，为丰县南部及北部部分地区农作物提供灌溉用水。

梁寨南站建成于1986年8月，与水闸结合兴建，布置在水闸下游右岸翼墙外侧，共安装5台轴流泵，单机流量为2m3/s，单机功率为180kW，设计流量为10m3/s，装机总功率为900kW。现状梁寨闸为3孔4m开敞式水闸，10年一遇除涝流量为63m3/s，20年一遇行洪流量为82m3/s，经过多年运行，已破损严重，属病险水闸，急需改造。梁寨北站建于1997年，布置在水闸下游左岸，安装4台36ZLB2.8-6.7轴流泵，单机流量为2.5m3/s，功率为250kW，设计流量为10m3/s。

泵站基底高程为30.3m，水闸基底高程为34.2m，持力层均为②层砂壤土夹粉砂，允许承载力为90kPa，层厚5.6～6.5m，层底高程为29.38～30.01m；下卧层为壤土，允许承载力为120kPa，层厚1.0～1.7m；其下为含砂壤土层，允许承载力为220kPa，层厚1.5～1.8m。

2 水泥土搅拌桩设计

2.1 水泥土搅拌桩方案

梁寨闸站翼墙、闸室及清污机桥基础坐落在②层砂壤土夹粉砂，根据地质报告，该层为地震液化土层，允许承载力为90kPa，层厚5.6～6.5m，层底高程为29.37m；泵室坐落在壤土层，允许承载力为120kPa，层厚2.3～3.3m；其下为含砂壤土层，允许承载力为220kPa，层厚2.5～2.1m。经计算，站身完建期最大基底反力为173.3kPa，最小基底反力为164.12kPa，平均基底反力为168.7kPa，闸室完建期最大基底反力为117.6kPa，最小基底反力为63.8kPa，平均基底反力为91kPa。持力层为壤土层，承载力为90kPa，不满足要求，需要进行地基处理。

下游一节翼墙经计算，完建期最大基底反力为132kPa，最小基底反力为128kPa，平均基底反力为130kPa。持力层为壤土层，承载力为90kPa，不满足要求，需要进行地基处理。

以站室地基处理设计为例，站室设计采用Φ50cm水泥土搅拌桩复合地基进行地基加固处理，水泥掺入量为15%，具体设计如下：

(1)桩的布置形式

拟采用Φ50cm水泥土搅拌桩加固形式，周长为1.57m，面积为0.196m2。

(2)估算桩竖向承载力

水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力按以下两个公式计算，取其中小值：

Ra=up∑qsili+αqpAp

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中，up—搅拌桩周长，取1.57 m；qsi—第i层土的侧阻力特征值，取12 kPa；li—桩长范围内第i层土的厚度；qp—桩端地基土未经修正的承载力特征值，取220kPa；α—桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4；Ap—桩截面积，取0.196m2；η—桩身强度折减系数，取0.25；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，取1600kPa。

经计算，Ra1=92.63kN，Ra2=78.5kN，故取Ra=78.5kN作为单桩的竖向承载力。

(3)确定加固区的面积置换率及桩数

根据复合地基承载力计算公式

(3)

(4)

(5)

式中，m—面积置换率；fspk—复合地基承载力，站身取170kPa；fsk—桩间天然地基土承载力标准值；β—桩间土承载力折减系数，取0.8；A—加固区总面积。

按上述计算闸室、翼墙、检修间等各个建筑物面积置换率及根数计算值见表1。

表1 地基处理成果表

2.2 水泥土搅拌桩加固效果分析

2.2.1现场试验

为了研究水泥土搅拌桩加固后的效果，获取复合地基的承载力特征值，采用现场荷载试验进行研究。荷载试验结果见表2。

由表2可以得知，采用水泥土搅拌桩处理后的复合地基承载力有了较为显著的提升。其中水泥土搅拌桩的桩身承载力较大，约为470kPa，桩间土在水泥土搅拌桩的影响下，承载力提高至160kPa，综合计算，水泥土搅拌桩复合地基的承载力约为240kPa，满足设计要求值，表明水泥土搅拌桩加固效果良好。

表2 现场荷载试验结果

2.2.2加固效果数值模拟分析

(1)数值模拟模型建立

根据地质勘察报告可知，梁寨闸地基土层主要为②层砂壤土夹粉砂、壤土层、含砂壤土层。根据设计桩长及桩间距以及地层条件建立FLAC3D数值模拟模型。研究复合地基施工完成后，上部主体建筑施工过程中以及后期建设完成运行期间水泥土搅拌桩、桩间土的沉降变形特征和桩土应力比变化特征。数值模拟模型如图1所示。

图1 FLAC3D数值模拟模型

(2)数值模拟计算结果分析

①沉降变形分析

施工期以及施工完成后运行期间水泥土搅拌桩和桩间土的沉降变形结果如图2所示。从图2中可以得知，上部主体结构施工及运行期间，水泥土搅拌桩和桩间土的沉降变形量随着时间推移而增大，变形速率在施工期间基本保持稳定，在主体结构完成后，变形速率有所下降，运行一段时间后，沉降变形量趋于稳定。主体结构施工初期，上部荷载较小，桩间土和水泥土搅拌桩以相同的速率发生沉降变形，随着结构施工进程，上部荷载不断增大，逐渐超过桩间土承载力，此时桩间土沉降变形速率大于桩的沉降变形速率。桩间土与桩的沉降差值在主体结构施工完成时最大。之后，由于荷载基本不发生变化，桩和桩间土工程承载上部荷载，桩、土沉降差逐渐减少。

图2 沉降变形监测结果

②桩土应力比研究

桩土应力比是反应桩和桩间土承受荷载大小的比值。桩土应力比在主体结构施工、完工期的变化过程如图3所示。从图3中可以得知，上部结构开工后，上部荷载小于桩间土承载力值，桩土应力比较小，此时桩、土承受荷载大小基本一致；在施工过程中，上部荷载逐渐增大，超过桩间土承载力，此时，水泥土搅拌桩承担的荷载大于桩间土荷载。完工后，桩土应力比达到最大值。之后，随着上部荷载趋于稳定，桩间土不断固结，承载力有所提高，桩土应力比下降。

图3 桩土应力比

3 结论

(1)梁寨闸地基软土层厚度较大，承载力不满足要求，需要对地基进行处理。通过计算，确定了水泥土搅拌桩参数。

(2)通过现场荷载试验结果可知，水泥土搅拌桩处理后的复合地基承载力明显提高，可满足设计要求。

(3)复合地基沉降变形随着上部结构施工、荷载增大而逐渐增大，施工完成后，沉降变形逐渐趋于稳定。桩土沉降差在施工完成时最大，之后逐渐减小。

(4)桩土应力比与上部荷载变化关系密切。随着上部结构施工，桩土应力比逐渐增大，直至施工完成达到最大值。之后，随着桩间土固结，承载力提升，桩土应力比逐渐减小。