旋挖成孔灌注桩复合地基在泗洪站枢纽工程中的应用

林 农史文锦徐子令

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏淮安 223005；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏 南京 210029）

0 引言

徐洪河节制闸是南水北调东线泗洪站枢纽工程的建设内容，采用开敞式平底板结构，共10孔，每孔净宽10 m。节制闸右侧岸墙为空箱结构，宽 13 m，长 20 m，高10.8 m，墙顶高程▽17.5 m，底板底高程▽6.7 m；下游右侧第一、二节翼墙为空箱加扶壁结构，宽13 m，高 11.9 m，墙顶高程▽17.5 m，底板底面高程▽5.6 m。

在节制闸施工详勘中发现右侧岸墙局部和下游第一、二节翼墙地基土质变化复杂，与相邻部位的土质差异较大，地基土承载力低于原设计地基允许承载力要求，需对该部位的地基进行处理。

1 地基处理设计方案

1.1 地质条件

节制闸右侧岸墙完建期地基反力最大176.2 kPa，最小150.4 kPa，平均163.3 kPa；下游右侧第一、二节翼墙完建期地基反力最大175.4 kPa，最小168.1 kPa，平均171.3 kPa。

根据施工勘查结果，并结合基坑验槽，节制闸右侧岸墙下游部位以及下游右侧第一节翼墙和第二节翼墙处基底的土层强度发生陡变，为⑤层重-中粉质壤土夹粉质粘土，承载力为130 kPa，不满足设计要求，需进行地基处理。岸、翼墙部位地基土层分布及力学指标见表1。

1.2 地基处理设计方案比选

根据补充的勘探资料和已经开挖的土质情况，考虑工期、施工难度、费用等因素，采用换填水泥土方案和旋挖成孔混凝土灌注桩复合地基处理方案进行比选。

1.2.1 换填水泥土方案设计

岸墙及下游右侧第一、二节翼墙地基采用换填垫层法处理，换填材料为12%水泥土。垫层平面范围：垫层顶面为底板轮廓线向外50 cm，垫层底面为底板轮廓线向外垫层厚度加上50 cm，垫层边坡 1∶1。垫层深度：岸墙下换填至▽5.2 m，水泥土垫层厚度1.5 m，见图1；翼墙下换填至▽3.9 m，水泥土垫层厚度1.7 m。垫层超挖部位回填12%水泥土，见图2。

（1）地基承载力特征值计算

经勘查报告显示，地基承载力特征值为130 kPa，按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5 m，需要对其进行深度和宽度修正。

fa—修正后的地基承载力特征值；

fak—地基承载力特征值，取130 kPa；

ηb、ηd—基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，分别为0.3、1.6；

γ—基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮容重10 kN/m3；

b—基础底面宽度，大于6 m取值6 m；

γm—基础底面以下土的加权平均重度，地下水位以下取浮容重10 kN/m3；

d—基础埋置深度，本工程从岸墙或翼墙底板顶面算起。

①岸墙段，换填水泥土垫层底高程▽5.2 m，则垫层厚度为1.5 m。

fa=130+0.3 ×（6-3）+1.6 ×10 ×（2.3-0.5）=167.8 kPa

②翼墙部位，换填水泥土垫层底高程▽3.9 m，则垫层厚度为1.7 m。

fa=130+0.3×10×（6-3）+1.6×10×（2.6-0.5）=172.6 kPa

（2）下卧层地基反力验算

表1 现地基土层分布及力学指标

图1 岸墙地基换填水泥土示意图

图2 翼墙地基换填水泥土示意图

按照《建筑地基处理技术规范》，垫层的厚度应根据需要置换软弱土的深度和下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：

式中：

pz—相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加应力值，kPa；

pcz—垫层底面处土的自重压力值，kPa；

faz—垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。

对于矩形基础，垫层底面处的附加压力值为：

式中：

b—基础地面的宽度；

l—基础地面的长度；

pk—相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；

pc—基础底面处土的自重压力值，本处取0；

z—基础底面下垫层的厚度；θ—垫层的压力扩散角，水泥土取28°，偏于安全。

①岸墙段，b=13 m，l=20 m，z=1.5 m，且由岸墙稳定计算知pk＝165 kPa。

故换填水泥土满足承载力要求。

②翼墙段，b=13 m，翼墙长度l=22.5 m，z=1.7 m，且由翼墙稳定计算知 pk＝172 kPa。

故换填水泥土满足承载力要求。

1.2.2 旋挖成孔混凝土灌注桩复合地基方案设计

采用旋挖机成孔，灌注素混凝土对地基进行加固，灌注桩外径400 mm，桩长4 m，采用C15混凝土灌注。为形成复合地基，桩顶和岸墙、翼墙底板底面间留有一定距离，由于回填20 cm厚水泥土垫层，水泥掺量10%，以满足复合地基承载力要求。

按照《建筑地基处理技术规范》，复合地基承载力计算如下：

（1）岸墙段

式中：

fspk—复合地基承载力特征值，kpa，取 165 kPa；

m—面积置换率；

Ra—单桩竖向承载力特征值，kN；

Ap—桩的截面积，m2，设定桩径40 cm，则截面积为0.1256 m2；

β—桩间土承载力折减系数，取0.2；

fsk—处理后桩间土承载力特征值，kpa，取 130 kPa。

式中：

μp—桩的周长，m；

n—桩长范围内所划分的土层数，岸墙底板下⑤层软弱土最厚处厚度约3.6 m，⑤－1层土承载力取200 kPa，考虑到桩端承载，桩长度4 m，则单桩位于⑤层、⑤－1层土的长度分别为3.3 m、0.7 m；

qsi、qp—桩周第 i层土的侧阻力、桩端端阻力特征值，kPa，分别取 29、40、600 kPa；

li—第i层土的厚度，分别为3.3 m、0.7 m。

岸墙、翼墙的面积置换率基本一致，岸墙、翼墙总处理面积为760 m2。考虑到岸墙、翼墙底板形状及施工要求，灌注桩采用梅花形布置，岸墙下桩距为1.21×1.27 m，第一节翼墙下桩距为1.22×1.25 m，第二节翼墙下桩距为1.26×1.25 m，共需桩数521根。岸墙、翼墙地基旋挖成孔灌注桩布置见图3、图4。

图3 岸墙地基旋挖成孔灌注桩布置图

图4 翼墙地基旋挖成孔灌注桩布置图

1.2.3 地基处理方案比选

（1）工程量计算

①换填水泥土方案共需回填12%水泥土约1942 m3，同时开挖土方1942 m3。

②旋挖成孔混凝土灌注桩复合地基方案需要挖孔并灌注混凝土桩数521根，总长2084 m，灌注C15混凝土262 m3，回填水泥土160 m3。

（2）技术经济比较

技术经济比较见表2。

综合以上因素，考虑到节制闸施工工期较紧，要求2011年汛前完成水下工程，故最终选择采用旋挖成孔灌注混凝土桩复合地基方案。

2 复合地基载荷试验

2.1 试验方法

试验按照《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002进行，采用慢速维持荷载法。

（1）承压板及加载装置。试验采用面积为1.5 m2的圆形承压板，板底铺设50 mm中粗砂找平层，试坑底开挖至基底标高。采用千斤顶作加载装置，反力系统为压重平台反力装置，采用工字钢搭设堆载平台，砂袋作反力。

（2）沉降观测装置。在承压板四边分别架设机械式百分表，百分表的支架采用脚手架钢管，钢管固定在独立的基准桩上。

（3）最大加载量及加载分级。试验最大加载量按不小于复合地基承载力设计值的2倍即350 kPa进行，实际最大加载量取550 kN，分为10级，每级加载量为55 kN。

2.2 检测结果及结论

在右侧岸墙底板和下游翼墙区域内随机抽取3根桩做复合地基载荷试验，试验结果见表3。

表2 技术经济比较表

表3 复合地基载荷试验结果汇总表

所检测3点位的单桩复合地基承载力均满足设计要求。

3 结语

泗洪站枢纽工程节制闸水下工程已通过验收，通过对岸墙、翼墙施工期沉降变形观测，右侧岸墙最大沉降量18 mm，翼墙最大沉降量13 mm，满足设计和规范要求。本工程成功运用旋挖成孔混凝土灌注桩进行复合地基处理，不仅施工速度快，施工质量容易控制，而且处理效果较好，对于今后同类型的地基处理提供了很好的指导作用。