浅谈水泥土搅拌桩在处理淤泥质土中的应用

孙冬冬

（安徽华邦工程设计有限公司，安徽 合肥 235000）

1 概述

荷圩泵站位于安徽省芜湖市繁昌区新港镇境内，为沿江荷花圩排区排涝泵站，排涝承泄区为长江。荷圩站设计排涝流量7.39m3/s，装机4 台，总装机容量800kW。工程等别为Ⅳ等，主要建筑物按4 级建筑物设计，次要建筑物5 级，堤防及穿堤涵闸3 级。

泵站布置于堤后，采用正向进、出水布置型式，泵室采用干室型结构，为自排与抽排结合站。荷圩泵站枢纽由进水口、前池、进水拦污闸、泵站厂房（含汇水箱）、抽排控制闸、穿堤箱涵、防洪闸等几部分组成。

泵房采用箱型基础，基础底高程3.1m，堤防顶高程14.5m，穿堤箱涵基础底高程3.9m。

经地质勘察，工程位置处土层自上而下可分为5 层，分别如下：

①填土：主要为杂填土，含碎石和建筑垃圾。该层只在11#钻孔分布，其余钻孔已清除，层厚1.3m。

②粉质黏土：黄灰褐色，可塑，干强度较大，韧性、压缩性一般，部分夹粉土薄层，夹层一般小于0.3m。渗透系数K=3.0E-05cm/s，为弱透水层。该层在大堤北侧缺失。层厚1.2～3.6m。

③淤泥质粉质黏土：灰色、灰棕色，软塑状，局部流塑，土质粘性土，高压缩性，切面稍有光泽，干强度较大，含有机质。渗透系数K=1.0E-07cm/s，为不透水层，层厚0.8～14.2m。

④粉质黏土：灰棕色、灰褐色，可塑，土质粘性土，中等压缩性，有一定结构性，结构较紧密，切面稍有光泽，韧性较大，含少量Ca 质结核。渗透系数K=2.0E-06cm/s，为弱透水层，层厚1.7～5.3m。

⑤泥质粉砂岩：呈黄褐色和灰黄色，夹少量粘性土。石英砂岩、花岗岩为主，灰黄色石灰岩次之，中密—密实状。该层未揭穿，最大可见深度约3m。

本次地勘资料显示淤泥层厚为0.8～14.2m，其中前池至压力水箱段淤泥层厚度为0.8～3.1m，泵站底板以下淤泥层厚度为0.0～2.1m，穿堤箱涵至出口防洪闸段淤泥层厚度为7.3～14.2m，出口处翼墙底板以下淤泥层厚度为5.94～9.55m。

依据各土层土工试验成果、原位测试结果，按照有关规范取值标准，结合本地区地层特点、地区经验，通过综合分析给出地基承载力特征值（kPa）如表1。

表1 地基承载力特征值表

2 地基处理方案研究

根据工程布置及地质报告，该站泵室和穿堤涵设计基底坐落在③层淤泥质粉质黏土上，软塑状，局部流塑，为软弱强度地层且含有机质，工程地质条件差。

因此，该站基础施工具有以下特征：①基坑深度大，最深处约12m，属于超深的软土深基坑；②地质条件差，以淤泥为主的软土层具有地基承载力低、含水量大、压缩性强、不透水等特殊性能；③地基软弱层较深、换填处理难度大；④根据施工需要，基坑开挖面积较大，且坐落于长江大堤下，失事后危害大。

根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）4.1.3 节，“站址坐落在软土、杂填土、振动液化土等不良地基时，应慎重研究确定基础类型和地基处理措施”。因此，需要根据该站基础施工特征有针对性地进行地基处理。

2.1 地基处理范围

根据各部位的天然地基承载力分析及基底应力分析，本工程地基处理范围为：拦污闸、泵室及水箱段、穿堤出水箱涵段以及进出口边墙。

2.2 方案选择

本工程地基软弱、处理范围大，采用何种地基处理方案直接关系工程的安全及工程造价，基础底面下软土层厚度约15m。

根据软弱地基处理方法比选和工程所在地同类地基处理成功经验，本项目初步拟定采用复合地基方案；泵室地基处理的目的主要是解决地基沉降、地基承载力问题。水泥土搅拌桩处理可使复合地基强度有较大提高，从而使地基沉降及沉降差在容许范围内，水泥土搅拌桩地基比钻孔桩有较多优点，具有投资省、防渗性能好、对桩间土扰动小等优点。

3 水泥土搅拌桩设计及沉降量计算

3.1 水泥土搅拌桩设计

泵室底板持力层，天然地基承载力均为70kPa，设计地基承载力为108kPa，初拟搅拌桩直径D=500mm，截面积Ap=0.196m2，桩周长Up=1.57m，根据地质资料，拟定桩长L=3～16m，即桩深入粉质黏土④约2m。

水泥土搅拌桩承载力特征值应通过现场加荷试桩确定，在设计过程中，根据《建筑地基处理技术规范》中的公式进行计算。

式中：

fcu—与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为50mm 的立方体）在标准养护条件下28d 龄期的立方体抗压强度平均值，kPa。

η—桩身强度折减系数，湿法取0.25；

Ap—水泥土搅拌桩的单桩截面积，m2；

Ra—单桩竖向承载力容许值，kN；

Up—桩身周长，m；

qsi—桩周第i 层土的侧阻力容许值，kPa，依据地质报告取值13kPa；

li—桩长范围第i 层土的厚度，m；

α—桩端天然地基土承载力折减系数，取0.4～0.6；

qp—桩端地基土未经修正的承载力容许值，kPa。

设计中按天然地基承载力为70kPa 进行地基处理设计。

根据计算，取单桩承载力

加固后的水泥土搅拌桩复合地基承载力应通过现场复合地基荷载试验确定，在设计阶段根据设计规范推荐公式计算：

式中：

fspk—复合地基承载力容许值，kPa；

fsk—处理后桩间土的承载力容许值，kPa；

m—面积置换率；

Ap—水泥土搅拌桩的单桩截面积，m2；

Ra—单桩竖向承载力容许值，KN；

β—桩间土承载力折减系数，可取0.1～0.4，本工程取0.25。

水泥土搅拌桩采用柱状设计，水泥掺入量为15%，桩身直径0.5m，桩中心间距按照顺水流向为1.0m，垂直水流向1.0m 布置，地基处理范围按建筑物基础轮廓线以外0.5m。

根据泵房和箱涵基础的底面积和复合地基的置换率等计算，荷圩泵站设计布置水泥土搅拌桩根数共计1838 根，总长度为17104m，其中，泵房及压力水箱池底板下布桩551 根；前池翼墙底板下布桩360 根；拦污闸下布桩160 根，涵洞底板布桩441 根，出口翼墙下布桩326 根。

经验算，处理后的地基承载力标准值可以达到123kPa，详见表2。

表2 地基处理计算成果表

3.2 沉降量

加固处理后的水泥土搅拌桩复合地基承载力标准值可达123kPa，相当于中等坚硬的黏性土地基。按《复合地基技术规范》（GB/T50783）及《建筑地基基础设计规范》（GB50007）的沉降量计算要求，荷圩站各建筑物地基最终沉降量如式（5）：

式中：S—地基最终沉降量，mm；

ψs—经验计算沉降系数；取0.5。

P0—基础底面处的附加压力（kPa）；

n—地基压缩层范围内的土层数量；

Esi—第i 层土的压缩模量值，MPa；

Zi、Zi-1—基础底面至第i 层土、第i-1 层土底面的距离，m；

经计算，泵站各部位地基沉降量计算成果见表3。

表3 荷圩站各部位地基沉降量计算表

从表3 中可以看出，地基进行加固处理后，各部位的最大沉降量为35mm，最小沉降量为21mm。

4 基底应力复核

根据《泵站设计规范》（GB50265-2010）中的公式进行地基承载力复核计算，根据规范的规定，考虑四种运行工况，分别为完建期、设计抽排水位运行期、最高水位运行期和检修期。

式中：

∑M—作用于基底面以上的全部水平和竖向荷载对于基底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；

∑G—作用于基础底面以上的全部竖向荷载，KN；

W—基底面对于该地面垂直水流方向的形心轴的截面积（m3）；

A—基底面积（m2）。

根据上式计算，工程最大基底平均应力发生在完建期为107.7kPa，最小基底平均应力发生在设计抽排水位运行期85.5kPa，经过深层水泥搅拌桩处理后的复合地基承载力可达到123kPa，处理后的地基可以满足工程对地基承载力的需求。

5 组合支护效果

为及时、准确观测工程沉降和水平位移情况，在拦污闸、泵室上下游墩墙和压力箱涵出口上均布置了永久沉降和位移观测点，工程完建并已安全运行三年，通过定期观测数据比较，建筑物基本未发生位移和沉降，可见水泥土搅拌桩地基处理方案是满足设计和规范要求的