堤防工程软土地基处理方式的研究和应用

廖柳霞 陈丽丽 潘雪倩

（四川江源工程咨询有限公司）

0 引言

岷江航电龙溪口枢纽工程位于四川岷江干流下游河段，是岷江下游河段（乐山－宜宾）航运和水电规划的第四个梯级。龙溪口库区总共有10个防护区，防护区堤防工程级别均为4级，属于非主体工程，防护堤长达40多公里，其高度一般不超过10m。根据现场调查情况，初步认为机场坝、康家坝、孝姑镇和五一坝4个防护区有条件修建胶凝砂砾石坝，以上4个防护区，粉土层厚度约为0～8m，在分析了粉土地基的承载力、变形、振动液化等特性后，针对防护区不同厚度的粉土地基提出了不同的处理措施，使地基条件满足胶凝砂砾石的筑坝要求。

1 地基处理方式研究

1.1 全部深度挖除换填

针对粉土层地基的处理可采用多种方式，由于砂卵石基础上修建胶凝砂砾石堤已有充足的理论及实验成果[1]支撑，并在犍为防护区开始施工应用，故可考虑粉土层全部深度挖除并换填砂卵石。但是，根据报告[2]及现场勘察，粉土层含水率22%，空隙比为0.84，比重为2.68，饱和度高达70%，对于深厚粉土层地段（最深超过8m），易出现护壁不稳定、开挖范围增大、粉土出现流动等问题。

1.2 部分深度挖除换填

将基础以下一定深度范围的粉土挖除，以砂卵石分层充填并达到要求的密实度。龙溪口库区防护堤有22.9km 段有条件修建胶凝砂砾石堤，其中粉土厚度在4m 以内的有15.6km，占68%，因此初步拟定挖除深度为4m。此方法相对简单经济、质量可控，但换填砂卵石层之下还存在部分粉土下卧层，需计算换填深度和下卧层承载力。

1.3 强夯

强夯处理地基是利用夯锤自由下落产生的冲击波使地基密实。报告[2]提出采用强夯对粉土层进行处理，但粉土层含水率大、饱和度高，强夯易形成“弹簧土”，达不到加固地基的作用。

1.4 强夯置换

强夯置换是通过夯击和填料形成置换体，使置换体和原地基土构成复合地基来共同承受荷载。强夯置换的加固原理是：强夯（加密）+碎石桩+特大直径排水井。对于饱和粉土，强夯置换是一种有效的处理方法。

1.5 刚性桩基

包括水泥土搅拌桩、旋喷桩、CFG 桩等，桩基与土体形成复合地基，可提高地基承载力、减少地基沉降、消除液化等。

1.6 胶凝土

在粉土中掺和胶结材料，形成胶凝土以提高地基性能。但此方法暂无相关经验和参数（水泥含量、含水率等），在此暂不考虑此种方法。

2 方案选择

在上述方法中初步拟定三个方案。由于现阶段在砂卵石地基上修筑坝高14m 内的胶凝砂砾石堤已有科研论证成果[1]和实际建设经验，因此方案1 为全部深度粉土层挖除换填。方案2 为4m 深度粉土层挖除换填，剩余粉土采用强夯置换处理。方案3 为4m 深度粉土层挖除换填，剩余粉土采用高压旋喷桩处理，高压旋喷桩深入砂卵石层1m。

2.1 地基承载力复核

2.1.1 方案1

粉土层较薄时，直接挖除全部粉土层，用砂卵石层作为持力层。砂卵石层地基承载力为400kPa，满足承载力要求。

粉土层较厚时，挖除全部粉土层，并回填砂卵石至建基面高程。换填砂卵石的压实系数在94%～97%时，承载力可达到200～300kPa，可满足地基承载力要求。

2.1.2 方案2 与方案3

以换填为基础，辅以强夯置换或高压旋喷桩，通过计算确定换填深度、强夯置换参数和高压旋喷桩参数，防护区的土层物理力学参数地质建议值见表3-1，计算成果见表3-2。

表3-1 防护区土层物理力学参数地质建议值

表3-2 不同坝高下的换填深度

当筑坝高度在8m 及8m 以内时，基底最大压力小于垫层底地基土承载力特征值，地基承载力满足筑坝要求。

当筑坝高度在10m 时，基底最大压力为175kPa，大于粉土层承载力。经验算，采用砂卵石换填2m 粉土层，地基承载力可满足筑坝要求。

当筑坝高度达到12m 时，若仅采用换填法处理地基，换填深度需达到5m，加上基础埋深1m，总挖除深度达到6m，与最大粉土层厚度相当。由此，建议此处先挖除3m 厚粉土，并进一步处理剩余粉土层地基，使粉土开挖面的地基承载力超过231kpa，然后在处理后的粉土层上换填2m 厚砂卵石。

（1）下部强夯置换

根据文献[3]，强夯置换复合地基承载力可按下式估算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fsk为处理后桩间土承载力特征值（kPa）；m为面积置换率；n 为复合地基桩土应力比；Ap为桩的截面积（m2）。

代入计算可得强夯置换率为：m=0.282。

为提高地基承载力，初步选择表3-3 中的参数作为强夯置换试验参数：

表3-3 强夯置换试验参数

夯点按等边三角形布置，墩的直径取1.7m，夯点间距取3m，置换率可达0.291，满足上述计算要求。

图3 强夯置换示意图

夯点每边超出基础处理深度的1/2～2/3，且不应小于5m。置换填料可采用级配良好的块石、碎石等坚硬粗颗粒材料，粒径大于300mm 的颗粒含量不宜超过30%。墩顶铺设一层厚度500mm 的压实垫层，垫层材料宜与墩题材料相同，粒径不宜大于100mm。每个击点夯击12～18 次，最后两击平均沉降量不宜大于50mm，夯坑周围不发生过大隆起。点夯6～8 遍，最后以低能满夯2 遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印搭接。当处理后形成2m以上厚度的硬层时，其承载力可通过现场单墩复核地基静载荷试验确定。

（2）下部高压旋喷桩

根据文献[3]，高压旋喷桩复合地基承载力可按下式估算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fsk为处理后桩间土承载力特征值（kPa）；λ为单桩承载力发挥系数；m 为面积置换率；为单桩竖向承载力特征值（kN）；为桩的截面积（m2）；β为桩间土承载力发挥系数。

为提高地基承载力，初步选择表3-4 中的参数作为高压旋喷桩试验参数：

表3-4 高压旋喷桩试验参数

夯点按等边三角形布置，置换率可达0.463，满足上述计算要求。

图4 高压旋喷桩示意图

2.2 沉降变形复核

文献[4]中对沉降量的规定：“竣工后的坝顶沉降量不宜大于坝高的1%”。对于堤防工程，文献[5]中只提出“竣工后堤基和堤身的总沉降量和不均匀沉降量不应影响堤防安全和运用”。与砂卵石层相比，粉土压缩变形量较大，通过计算分析，给出了换填后不同坝高下的坝体沉降变形值，如表3-5 所示，括号中数值代表粉土层的变形值。

表3-5 不同坝高下的沉降变形

结果表明：坝高在12m 之内时，砂卵层地基的变形约3-4cm，与报告[1]中有限单元法计算成果一致。虽然采用换填2m 能减少部分沉降量，但对于深厚粉土层，粉土层的变形达到总变形量的35%-74%，是地基沉降的主要因素。因此，提前消除粉土层沉降，对控制坝体的沉降变形有重要意义。

三个方案提出的地基处理措施，不仅可以提高地基承载力，也能提前固结土层、消除部分基础沉降。由此，推荐采用上述措施提前处理坝体沉降变形，处理效果需通过现场试验进一步确认。

2.3 粉土液化程度复核

防护工程区地处Ⅶ度地震区，报告[2]中认为：砂卵砾石层为非液化土层，粉土属可液化土。根据文献[6]，地基液化等级可采用液化指数IlE来判别。根据现场现场标贯试验，成果见表3-6，防护区场地液化等级为中等，需采取一定的基础处理措施。三个方案提出的地基处理方式，不仅能提高承载力、减少变形，也能提高地基抗液化能力。在此，对三个地基处理方案的抗液化效果进行分析评价。

表3-6 现场标贯成果及液化指数

2.3.1 方案1

粉土全部挖除或换填为砂卵石后，地基全部为砂卵石层，不存在液化问题。

2.3.2 方案2

（1）粉土厚度小于4m

对于厚度在4m 内的粉土层，采取全部挖除的方法，使坝基置于砂卵石层上，不存在液化的问题。

（2）粉土厚度大于4m

按照3.1.2 中建议的强夯置换参数，置换桩桩径1.7m，桩距3m，置换率为0.282。根据文献[6]，挤土桩打桩后桩间土的标贯击数可由下式确定：

式中：N1为打桩后的标准贯入锤击数；ρ为打入式桩的面积置换率；Np为打桩前的标准贯入锤击数。

强夯置换处理前后的标贯击数（以3#孔为例）见表3-7：

表3-7 强夯置换前后标贯击数对比表

经强夯置换处理后，各个深度的标贯击数N1均大于液化判别标贯击数临界值Ncr，可认为处理后的地基基本不再发生液化。

2.3.3 方案3

（1）粉土厚度小于4m

对于厚度在4m 内的粉土层，采取全部挖除的方法，使坝基置于砂卵石层上，不存在液化的问题。

（2）粉土厚度大于4m

根据文献[6]，桩基是全部消除地基液化的措施之一，桩端深入液化深度以下砂卵石层的长度不应小于0.8m。方案3 高压旋喷桩深入砂卵石层1m，满足规范要求。

3 结论

根据以上计算分析及现场试验成果，综合考虑地基承载力、变形和粉土液化等因素，对粉土层地基的处理提出以下三种方案：

方案1：全部挖除换填

（1）粉土层较薄时，直接挖除全部粉土层，用砂卵石层作为持力层；

（2）粉土层较厚时，挖除全部粉土层，并回填砂卵石至建基面高程。

方案2：部分挖除换填+强夯置换

（1）粉土厚度不大于4m 时，采用全部挖除的方法处理；

（2）粉土厚度大于4m 时，挖除表面3m 厚粉土，用强夯置换处理剩余粉土层，墩顶铺设一层厚度500mm 的压实垫层，最后铺设1.5m 厚砂卵石层。

方案3：部分挖除换填+高压旋喷桩

（1）粉土厚度不大于4m 时，采用全部挖除的方法处理；

（2）粉土厚度大于4m 时，挖除表面3m 厚粉土，用高压旋喷桩处理剩余粉土层，桩端深入砂卵石层1m，桩顶铺设一层厚度300mm 的褥垫层，最后铺设1.7m 厚砂卵石层。