户朝旺, 何国柱, 远艳鑫

(江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门529050)

软土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土。软土一般具有含水量高、孔隙比大、压缩性高和天然强度低等工程特性[1]。在软土地基上修建建筑物容易引发地基承载力不足、沉降过大等一系列的工程问题，危及建筑物正常使用。水泥土搅拌桩复合地基具有施工简单、造价低、工效高、加固效果明显等特点，现已在建筑工程软土地基加固处理中得到广泛的应用[2]。

水泥土搅拌桩主要使水泥与桩周土一起组成复合地基，最大限度利用原位地基土，从而提高地基承载力，减少地基沉降。水泥土搅拌桩通常适用于浅层或中厚层软弱地基，对于深厚层软土地基，通常采用刚性桩复合地基加固。Chai等[3-5]采用数值分析研究了悬浮型搅拌桩复合地基加固效果的影响因素，发现增加搅拌桩面积置换率和桩长置换率能明显减少复合地基的工后沉降，建议采用双层固结理论计算悬浮型搅拌桩复合地基固结度。

水泥土搅拌桩除有较多优越性外也存在一些问题，如在施工过程中容易出现水泥含量偏少达不到设计要求，水泥与土搅拌不均匀导致局部水泥成块或者水泥含量少，强度离散性大[6-7]。此外，地下水和土的矿化度很高，这使得水泥土性能随时间衰减很快。Terashi[8]等首次提出了水泥土表层劣化的可能性。陈四利[9]等通过试验探讨了各种侵蚀性离子下的水泥土力学性能，分析了环境侵蚀下水泥土的破裂行为与机理。傅小茜[10]等分析了硫酸盐侵蚀环境下水泥土力学性能的劣化机理。目前，利用有限元、有限差分等理论分析复合地基承载特性的方法已经较为成熟，但是很少考虑咸水等环境效应引起水泥土性能衰变的影响。

珠江三角洲地区，广泛分布着以淤泥、粗砂为主的深层沉积土。该区域地下水和土的矿化度都很高，由此会引起搅拌桩复合地基承载性能发生衰变，产生过大沉降。这将缩短复合地基实际短寿命，影响工程质量。因此，如何针对珠江三角洲典型区域地下水和土的特性，优化水泥土搅拌桩，解决承载力、允许沉降量、允许斜度以及基底渗漏等基础问题，具有较高的理论和实践意义。

本文以东滘水闸为例，研究了水泥土搅拌桩复合地基处理后的闸室设计沉降量和实测沉降量之间的差异，验算了不同处理桩长下的沉降量，提出在保证水闸安全和正常使用的前提下，通过调整处理桩长、减小建筑物应力、预留沉降量等工程措施，以期可以进一步优化水泥土搅拌桩复合地基设计，减少工程量，提高经济效益，缩短施工工期。

1 工程概况

1.1 水闸概况

东滘水闸地处粤西珠江三角洲冲积平原，为东滘河出海口闭口挡潮闸，主要承担挡潮、排涝、通航、纳咸任务。设计潮水位2.78 m，30年一遇，以当地历史最高潮水位(2003年“伊布都”台风时最高潮位3.25 m)作为校核潮水位。东滘水闸左岸设3孔闸室，单孔净宽8.5 m，闸室顺水流向长19 m，闸底高程-2.50 m(珠基,以下同)，采用平板钢闸门控制；右岸设一通航孔，净宽8 m，采用人字钢闸门控制。

1.2 地质条件

东滘水闸属河流堆积地貌，闸基主要为软土，厚度约 21 m。根据钻孔资料，东滘水闸地基土层自上而下分别为：淤泥、粗砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩。

a) 淤泥:灰黑色、黑色，饱和，流塑。其成份主要为黏粒，富含腐殖质、贝壳、鳞片，揭露层厚在19.7～21.30 m之间，顶板高程为-0.3～-0.6 m。密度ρ=0.71 g/cm3，孔隙比e=2.754，含水量W=104.8%，天然快剪凝聚力C=1.35 kPa，内摩擦角φ=3.5°，压缩模量Es1-2=0.92 MPa，承载力特征值仅为40 kPa。

b) 粗砂：灰色、黄色、灰白色，中密状态，饱和，其成份主要为石英粗砂，局部含少量砾砂，揭露层厚在5.1～10.70 m之间，顶高程为-20.30～-21.5 m，承载力特征值为180 kPa。

c) 全风化花岗岩：暗黄夹白色，稍湿。岩心呈半土状，其成份主要含大量石英中粗砂，局部残留中～粗粒花岗结构，揭露层厚在2～4.30 m之间，顶高程为-30.40～-31.70 m。

d) 强风化花岗岩：暗黄色，稍湿。属中粗粒黑云花岗岩，其主要成份为石英、钾长石、钠长石、黑云母等，裂隙发育，为铁锰质充填，岩芯破碎，揭露层厚为6.20 m，顶高程为-33.70 m。

2 地基处理设计

2.1 地基处理设计

根据地质报告[11]，闸址处淤泥深度最大为21.3 m，淤泥土层底高程为-21.5 m，淤泥以下为中粗砂层，拟采用水泥搅拌桩复合地基进行地基处理：在闸室、通航孔闸室基础四周采用单排连体搅拌桩成墙围封，设计桩径0.5 m，桩间距0.4 m；其余部位采用格栅状正方形布桩，设计桩径0.5 m，桩间距1 m，桩长为18 m，桩顶高程为-3.50 m，桩底高程为-21.50 m，即桩底穿透软土层进入中粗砂层。

水泥搅拌桩固化剂为水泥，采用425标号的普通硅酸盐水泥，水泥掺量为65 kg/m，水泥土中掺入0.05%的三乙醇胺，水泥比控制在0.45～0.55之间。

在各构筑物上部结构的设计方面，尽量采用轻型结构：如水闸闸室采用箱涵式结构，通航孔的两侧导航墙及上、下游连接墙均采用空箱结构,闸室填土侧边墙采用了空箱结构，同时对水闸两侧引堤一定范围内进行了基础处理。采用这些措施既可以减小各构筑物的基底应力，又可以控制各构筑物的基底应力差不至于过大，从而控制各构筑物间的沉降差。

2.2 基底应力计算

按照《水闸设计规范》[12]，根据水闸的实际运行情况，采用不同荷载组合，对水闸的闸室基底应力进行了计算，计算结果见表1。

表1 水闸闸室、通航孔基底应力计算成果

2.3 复合地基承载力计算

复合地基承载力按照DBJ 15-38—2005《建筑地基处理技术规范》[13]中水泥土搅拌桩单桩或多桩复合地基的承载力特征值计算公式进行计算：

(1)

(2)

Ra=ηfcuAp

(3)

式中fspk——复合地基承载力特征值，154.87 kPa；m——面积置换率，0.196；Ra——单桩竖向承载力特征值， 145.23 kN；Ap——桩的截面积，0.2 m2；fsk——桩间土承载力特征值，取天然地基承载力特征值，40 kPa；β——桩间土承载力折减系数，取0.3；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90 d期龄的立方体抗压强度平均值，1 470 kPa；η——桩身强度折减系数，取0.3；up——桩的周长，1.57 m；n——桩长范围内所划分的土层数，1层；qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值，5 kPa；li——桩长范围内第i层土的厚度，淤泥层18 m；qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值，40 kPa；α——桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.5。

根据上述公式，对初拟布桩方案的地基承载力进行计算，单桩竖向承载力Ra=145.23 kN，复合地基承载力特征值fspk为154.87 kPa。均大于排水挡潮闸和通航孔各工况的基底应力，满足规范要求。

2.4 地基沉降计算

根据DBJ 15-38—2005《建筑地基处理技术规范》和DB 44/T182—2004《广东省海堤工程设计导则》附录R,水泥搅拌桩复合地基变形由两部分组成：水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形s1与桩端下未加固土层的压缩变形s2。

其中，水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形s1可按式(4)计算：

(4)

式中pz——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，48.58～82.45 kPa；pzl——搅拌桩复合土层底面的附加压力值，7.08～11.25 kPa；L——桩长，18 m；本次地基计算深度综合考虑附加应力与自重应力的比值小于0.2和闸基压缩土层厚度等因素确定，本次按水泥搅拌桩桩长18 m计算。

Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量，按式(5)：

Esp=mEp+(1-m)Es

(5)

式中M——置换率,0.196；EP——搅拌桩的压缩模量，可取(100～120)fcu，147 000 kPa；Es——桩间土的压缩模量，取天然土层时的Es1—2值，920 kPa。

根据上述公式，对工程上述布桩方案进行水泥搅拌桩复合土层的平均压缩变形量S1和桩端下未加固土层的压缩变形量S2进行计算，计算结果见表2。

由计算结果可知，排水挡潮闸和通航孔的总沉降量均小于允许沉降量，沉降倾斜小于允许倾斜，满足规范要求。

表2 沉降计算结果 m

3 实测沉降

东滘水闸于2010年11月开工，2013年3月建成投入使用。2013年3月20日、5月3日、6月6日、7月1日、8月3日、8月23日进行了完工后沉降变形观测记录，具体见图2、表3。从中可知，东滘水闸水泥搅拌桩地基80%沉降发生在完工后3个月内，之后随着水闸通水投入使用后，沉降变化较慢，且沉降量较小。

表3 沉降统计 m

4 沉降分析

为了解设计沉降与实际施工后的沉降相互关系，本次对设计沉降量与实际沉降量进行了比较，具体见表4。从表4可以看出：①除通航孔外海侧右岸实测沉降与设计沉降差为31%外，其余沉降差均在30%以内；②除水闸闸室左岸和通航孔外海侧右岸实测沉降量比设计沉降量大外，其余均比设计沉降量要小。考虑闸室左岸及通航孔右岸为连接堤，设计时设计沉降量未考虑连接堤填土荷载的附加应力作用，且通航孔右岸外海侧比内涌侧填土要高，因此，这三个部位实测沉降量比设计沉降量大是合理的；另外，考虑水闸建成后即投入使用，运行期间在扬压力的作用下建筑物地基应力比完建期小得多，因此，大部分实测沉降量比设计沉降量小也是合理的；即设计沉降量成果基本可信。

表4 设计沉降量与实际沉降量对比

5 优化方案

原设计水泥搅拌桩桩长为18 m，以水泥搅拌桩桩端穿透淤泥层控制，主要出于当时没有相关的水泥搅拌桩地区经验和工后沉降数据支撑，因此，基于水闸的重要性和工程安全考虑，为减小沉降量，水泥搅拌桩桩端穿透淤泥层是合适的。

结合东滘水闸建成后进行了多次沉降观测，通过对比设计沉降量和实测沉降观测数据可知，除通航孔外海侧右岸实测沉降量超出允许沉降量外，其余闸室和通航孔设计沉降量与实测沉降量基本接近，且相差不大不超过30%，因此，设计沉降量基本与实测沉降量吻合，设计沉降量基本可信。

根据以上结论，本方案提出在保证水闸安全和正常使用的基础上，且在原设计桩间距不变的情况下，分别计算桩长为10、13、15、18 m时水泥搅拌桩复合地基及其下卧层的沉降量，具体见表5。

表5 不同桩长时水闸沉降统计 m

表6 不同桩长时通航孔沉降统计 m

通过表5、6可知，①不同桩长下水闸、通航孔复合地基沉降量均不大，主要沉降量来自下卧层；②随着桩长的缩短，下卧层的沉降量较快增大；③根据应力扩散原理，附加应力随着地基深度不断减小，水泥搅拌桩复合地基超过一定处理深度后，下卧层沉降量影响不大。

根据SL 265—2016《水闸设计规范》中8.3.6 土质地基允许最大沉降量和最大沉降差应以保证水闸安全和正常使用为原则，并根据具体情况确定。天然土质地基上水闸最大沉降量不宜超过15 cm，相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm。考虑到东滘水闸闸室和通航孔地基应力相对较小，且相差不大，一定范围内的整体沉降不会对闸室的安全和正常使用产生不利影响。因此，在水泥搅拌桩复合地基承载力满足闸室和通航孔基底应力的基础上，通过适当优化桩长，使地基沉降量满足最大沉降量不宜超过15 cm和相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm要求。通过试算和上述计算成果可知，当桩长为10 m时，水泥搅拌桩复合地基承载力为92 kPa，大于闸室和通航孔最大基底应力82.45 kPa，但是闸室和通航孔的最大沉降量为21.2、26.2 cm，均大于15 cm；当桩长为13 m时，水泥搅拌桩复合地基承载力为105.98 kPa，闸室和通航孔的最大沉降量分别为12.4、14.9 cm，闸室和通航孔上下游最大沉降差1.3 cm，闸室和通航孔最大沉降差为3.2 cm，满足最大沉降量不宜超过15 cm和相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm的要求。

6 结论

本文以东滘水闸为例，对比了水泥土搅拌桩复合地基处理后的闸室设计沉降量和实测沉降量之间的差异，验算分析了不同处理桩长下的沉降量，并得出以下结论和建议。

a) 在保证水闸安全和正常使用的前提下，且水泥搅拌桩复合地基水泥掺量和桩间距不变的情况下，原设计水泥搅拌桩桩长18 m可优化为13 m，可减少27.3%水泥搅拌桩的工程量，节省了投资，还缩短了施工工期，带来了可观的经济效益。因此，在水泥搅拌桩复合地基承载力满足建筑物基底应力的基础上，通过适当优化桩长，使地基沉降量满足最大沉降量不宜超过15 cm和相邻部位的最大沉降差不宜超过5 cm要求是可行的。

b) 根据设计桩长计算的理论最终沉降量，在施工基坑开挖时可预留沉降量，这样既可减少基坑支护费用，又可以减少开挖量；既节省了投资又减少了时间。

c) 在设计阶段优化建筑物结构，尽可能减小地基应力以及尽量减小相邻建筑物的地基应力差。