水泥攪拌樁加固堤防工程的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

郭 濤

（廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 5106001）

水泥攪拌樁加固堤防工程的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

郭 濤

（廣東省公路建設(shè)有限公司，廣東 廣州 5106001）

工程安全是工程設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮的因素，必須滿足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的最低要求.某堤防工程在施工階段為了滿足度汛的要求，填筑碎石于堤腳，形成了一級(jí)加固平臺(tái)，改變了原有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)條件.本文在確保樁體強(qiáng)度達(dá)到0.5MPa基礎(chǔ)上，對(duì)加固方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，將沿堤防橫向的6排樁改為5排，沿堤防縱向樁間距由1.25m改為1.5m，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益.

水泥攪拌樁；堤防工程；方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)快速發(fā)展，一些原不被重視，受潮水淹沒地區(qū)逐漸納入市政規(guī)劃范圍.但原有的堤防工程由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，且年久失修，造成水澇災(zāi)害的損失逐年增加，給地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)嚴(yán)重的影響.為此，某沿海城市對(duì)原海堤工程進(jìn)行加固加高.

由于水泥土攪拌樁經(jīng)濟(jì)性和適用性，在我國(guó)公路工程和堤防工程等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[2,3]，設(shè)計(jì)采用了水泥土攪拌樁對(duì)原堤防地基進(jìn)行加固處理.

施工期間，由于汛期突遇海文大潮，施工被迫終斷.復(fù)工后，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)部分加固后的堤防出現(xiàn)局部滑坡，承包商及時(shí)于堤腳填筑碎石，形反壓平臺(tái)，堤防的抗滑安全系數(shù)有了一定提高，為了取得經(jīng)濟(jì)適用的堤防加固效果，本文對(duì)加固方案進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化.

2 攪拌樁方案設(shè)計(jì)

水泥攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土等軟弱地基.由水泥與土攪拌形成的水泥土攪拌樁，與周圍土體形成承受豎向荷載的復(fù)合地基.深層攪拌樁的設(shè)計(jì)主參數(shù)為：置換率、樁長(zhǎng)、水泥摻入量.具體設(shè)計(jì)如下：

2.1 攪拌樁設(shè)計(jì)

水泥攪拌樁樁徑為55cm.根據(jù)地勘報(bào)告發(fā)現(xiàn)，海水可直接補(bǔ)給海堤內(nèi)地表水及地下水.由于海水中溶有大量硫酸根離子，可與水泥發(fā)生反應(yīng)形成對(duì)水泥土具有侵蝕結(jié)晶體，造成水泥土攪拌裝體開裂、崩解從而喪失強(qiáng)度，因此設(shè)計(jì)采用了礦渣或普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)大于等于42.5，使水泥土中產(chǎn)生的膨脹結(jié)晶體的數(shù)量控制在一定范圍內(nèi)，以提高水泥土的抗侵蝕性能.

2.2 樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)

實(shí)踐證明，水泥土攪拌樁裝底穿透軟弱土層嵌入強(qiáng)度相對(duì)較高的持力層，形成樁端阻力，樁的沉降量將顯著減小.

該堤防工程地基于淤泥層之下（埋深10m左右）有性質(zhì)良好、層位穩(wěn)定且厚度較大的積粘土層，可作為水泥攪拌樁復(fù)合地基的底持力層.因此，為避免樁體“懸浮”，選取下臥粘土層為樁體持力層，設(shè)計(jì)樁體深入粘土層1.0m，樁底平均高程-12.0m；樁頂高程為原堤頂標(biāo)高，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)15.0m.

2.3 置換率m計(jì)算

考慮施工因素，水泥攪拌樁僅布置于堤防頂范圍內(nèi)，參照以往布設(shè)經(jīng)驗(yàn)，布置為：垂直于堤防軸線方向間隔1.0m布設(shè)1根，即共6排；沿堤防軸線方向間隔1.5m設(shè)一排，樁位呈矩形布置，如圖1所示（單位:mm）.

根據(jù)水泥攪拌樁的布置，樁土置換率m則為：

2.4 水泥摻入量計(jì)算

當(dāng)使用普通硅酸鹽水泥作為加固材料，在其它條件不變時(shí)，在同一土層中水泥摻入量不同，水泥土強(qiáng)度也不同.根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）[4]，水泥攪拌樁中水泥摻入比一般采用被加固土重的7%～18%，考慮海堤荷載較大，上部淤泥土承載力小，含水量大，取水泥摻入比的上限18%，計(jì)算得每延米水泥摻入量為80kg.

2.5 樁承載力計(jì)算

單樁豎向承載力特征值Ra取決于樁身水泥土的強(qiáng)度和所加固的樁間土的性能兩個(gè)指標(biāo).樁體水泥土不同于土，因它摻入了水泥，對(duì)土進(jìn)行了改性.樁體水泥土強(qiáng)度主要與水泥摻入比、被加固土的物理力學(xué)性質(zhì)及成樁齡期三個(gè)因素有關(guān).它的大小影響攪拌樁的單樁承載力，因?yàn)槌休d力應(yīng)滿足樁體強(qiáng)度要求，不致在荷載作用下樁身被壓破裂.由此可確定樁身被壓不致破裂的承載力，即樁身結(jié)構(gòu)承載力：

式中：fcu——與樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa）；

η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，干法可取0.20～0.30；濕法可取 0.25～0.33；

Ra——單樁豎向承載力特征值；

Ap——樁的截面積.

單樁承載力是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力提供的，即土對(duì)樁的支承力[2]：

式中：qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值；

μp——樁的周長(zhǎng)（m）；

n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

li——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；

α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6，承載力高可取低值；

qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值（kPa），按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB-5007）的有關(guān)規(guī)定確定.

式(3)確定的單樁承載力應(yīng)滿足在上部建筑物荷載作用下，樁不致產(chǎn)生過(guò)大的沉降變形.設(shè)計(jì)時(shí)，式(2)和(3)確定的承載力應(yīng)相匹配，使得樁側(cè)摩阻力及樁端阻力充分發(fā)揮的同時(shí)，樁體強(qiáng)度也得到充分發(fā)揮，即應(yīng)滿足：

這樣可保證樁體強(qiáng)度在滿足豎向承載力要求的條件下得到充分發(fā)揮，不因樁體強(qiáng)度過(guò)大而超過(guò)承載力要求，造成材料浪費(fèi)；或樁體強(qiáng)度過(guò)低不滿足承載力要求，影響堤防安全.

單樁豎向承載力特征值應(yīng)采用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定，無(wú)載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，攪拌樁單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值取式(2)和(3)中的較小值.

因未做攪拌樁室內(nèi)水泥土試塊試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，計(jì)算時(shí)參照（3）式進(jìn)行水泥土樁的單樁承載力計(jì)算.根據(jù)（3）式，Ra=180kPa，考慮到實(shí)際施工中各種因素的影響，設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)予以折減60%～70%，所以取單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：Ra=160kPa.

2.6 復(fù)合地基承載力的計(jì)算

根據(jù)規(guī)范，攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算公式是：

式中：fsp,k——復(fù)合地基承載力特征值（kPa）；

fs,k——樁間天然地基土承載力特征值（kPa）；

m——樁土面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，當(dāng)樁端土為軟土?xí)r，可取0.5～1.0；樁端土為硬土?xí)r，可取0.1～0.4；當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí)，可取零.

復(fù)合地基承載力值為：

滿足上部荷載承載要求.

海堤加固加高原有加固方案典型剖面圖見圖2.

3 堤防加固設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

由于攪拌樁在施工過(guò)程中對(duì)淤泥產(chǎn)生擾動(dòng)，淤泥的強(qiáng)度參數(shù)降低，從而使堤防在施工過(guò)程中出現(xiàn)局部失穩(wěn)情況.決定在堤外側(cè)再做兩級(jí)反壓平臺(tái)，在確保海堤穩(wěn)定的情況下進(jìn)行攪拌樁施工.

通過(guò)室內(nèi)配合比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝試驗(yàn)，施工工藝由原四攪兩噴改為四攪四噴，顯著提高了樁體中水泥的均勻性.經(jīng)檢測(cè)樁體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可確保在0.5Mp以上，復(fù)合地基豎向承載力達(dá)到186kPa以上.

鑒于上述兩方面因素，對(duì)水泥攪拌樁的布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高經(jīng)濟(jì)性.經(jīng)優(yōu)化，水泥攪拌樁由6排改為5排，橫向間距為1.25m，縱向間距為1.5m，同時(shí)設(shè)計(jì)要求樁體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.5MPa，樁長(zhǎng)打穿淤泥入粉質(zhì)粘土0.5m.優(yōu)化后的斷面圖見圖3，樁位見圖4.

4 優(yōu)化后堤防加固穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證方案的合理性，對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案采用有限元法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算.

對(duì)水泥攪拌樁采用“均質(zhì)化”處理[5,6]，即根據(jù)強(qiáng)度等效原理，把水泥攪拌樁和樁間土等效處理為強(qiáng)度“均質(zhì)復(fù)合體”，把樁體強(qiáng)度均勻的“彌散”到整個(gè)加固區(qū)中，有限元法計(jì)算中網(wǎng)格的劃分不考慮樁的存在.堤身處理前后加固區(qū)的地質(zhì)參數(shù)和土體等效參數(shù)見表1.采用摩爾－庫(kù)侖本構(gòu)模型.

經(jīng)計(jì)算得安全系為1.545，滿足Ⅰ級(jí)海堤正常運(yùn)用條件下最小安全系數(shù)不小于1.3的要求[7]，而經(jīng)濟(jì)方面，節(jié)約了工程造價(jià)約20～30%，經(jīng)濟(jì)效益明顯.

表1 水泥攪拌樁加固區(qū)的土體等效參數(shù)

〔1〕寧寶寬,陳四利,劉斌.水泥土攪拌樁的加固機(jī)理及其應(yīng)用[J].西部探礦工程,2005（6）：26-28.

〔2〕楊少華,徐立新,張繼堯.粉體噴射水泥攪拌樁在高速公路橋頭軟土地基處理中的應(yīng)用研究[J].公路,2003（2）：57-65.

〔3〕蔣小蒲，王建華.水泥攪拌樁在防洪堤地基處理中的應(yīng)用 [J].浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào),2002,14（2）：19-20.

〔4〕建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（JGJ79-2002）[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

〔5〕周建民，豐定祥，鄭宏.深層攪拌樁復(fù)合地基的有限元分析[J].巖土力學(xué)，1997，18（2）：45-51.

〔6〕秦建慶，孟杰武.考慮土的非線性的水泥土樁復(fù)合地基特性分析[J].巖土力學(xué)，1998，19（3）：54-58.

〔7〕堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50286－98）[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

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1673-260X（2012）05-0049-03