基于松花江北岸防汛搶險(xiǎn)通道工程堤防地基處理

劉志剛，滿(mǎn)海洲

(哈爾濱水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150000)

1 地質(zhì)概況

現(xiàn)狀堤防有三種類(lèi)型:土堤數(shù)量較少，主要為混合堤和砂堤。其中，萬(wàn)寶段堤防為混合堤，以低液限黏土及低液限粉土、級(jí)配不良細(xì)砂為主;前進(jìn)段堤防為砂堤和混合堤，以低液限黏土、級(jí)配不良細(xì)砂為主，其中0+000～4+000 為砂堤，其余部分為混合堤。松浦堤防段為混合堤，以低液限黏土、級(jí)配不良細(xì)砂組成。東方紅堤身主要為低液限黏土，大部分含細(xì)粒土細(xì)砂組成。堤基土容許承載力一般為120～200 kPa，堤身高約6 m，堤基承載力一般可滿(mǎn)足要求。腰堡方臺(tái)堤堤基上部為粉質(zhì)黏土，局部為粉土均呈軟塑狀態(tài);其下為飽和松散狀態(tài)的細(xì)砂，淤泥質(zhì)細(xì)砂和淤泥質(zhì)粉土等屬多層結(jié)構(gòu)地基，性狀差、透水性強(qiáng)［1］。

2 老堤加高加固段地基處理

2.1 處理方案擬定

在老堤加高加固段，原有堤防已運(yùn)行多年，邊坡穩(wěn)定性較好。老堤加高加固段堤基部分加高約6.0 m，根據(jù)設(shè)計(jì)的路堤結(jié)構(gòu)，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，呈穩(wěn)定狀態(tài)。

加高部分經(jīng)計(jì)算，引起的沉降量約為0.2～0.5 m，易造成新老結(jié)合部位及各段沉降差。但是，經(jīng)地質(zhì)條件分析，本工程全段地基土一般為砂土層，滲透系數(shù)大，固結(jié)速度快，因此可通過(guò)堆載預(yù)壓(先堆填加高部分填土，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間固結(jié)沉降后再修建路面等結(jié)構(gòu))以減少沉降及沉降差。新老結(jié)合部按1∶2臺(tái)階開(kāi)挖，并在路基頂設(shè)置三層土工格柵。在有混凝土板護(hù)坡段，根據(jù)本次設(shè)計(jì)要求清除，同時(shí)將培厚部分的堤基按新建堤防堤基要求進(jìn)行處理［2］。

根據(jù)地勘勘察，堤基淺表部為含細(xì)粒土細(xì)砂和含細(xì)粒土細(xì)砂，初判為液化土。但是，埋深淺，地下水位較高，結(jié)構(gòu)松散。根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ044—89)，基本烈度為Ⅵ度地區(qū)的公路工程，除國(guó)家特別規(guī)定外，可采用簡(jiǎn)易設(shè)防。本工程區(qū)基本烈度為Ⅵ度，所以設(shè)計(jì)時(shí)采取基底和隔層加筋、平臺(tái)鎮(zhèn)壓、碾壓等措施可滿(mǎn)足要求。

2.2 有限元分析計(jì)算

以東方紅段典型斷面為例，建立斷面二維有限元模型同，模型圖見(jiàn)圖1。天然土層分為三層，分別為低液限黏土、細(xì)砂和粗砂，最上層為回填砂土。回填過(guò)程中共設(shè)3 道土工格柵。路面荷載按JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［3］中一級(jí)車(chē)道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值10.5 kN/m計(jì)取。土工格柵剛度為50 MPa。

二維有限元計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果顯示見(jiàn)圖2。在未計(jì)入道路結(jié)構(gòu)荷載后1個(gè)月與5個(gè)月沉降結(jié)果接近，總沉降約168 mm，與上述分析的土層為砂性土原因一致，說(shuō)明只要施工質(zhì)量保證，土方填筑完1個(gè)月后，新老路堤路堤基本沉降穩(wěn)定，然后可通過(guò)上部路床調(diào)整平整，可達(dá)到新老路基差異沉降。道路結(jié)構(gòu)層施工完成后，工后總沉降約198 mm，二維有限元計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，見(jiàn)圖3。

土工格柵軸力計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)圖4，圖4 同時(shí)顯示了各層土工格柵的軸向應(yīng)力，頂層最大應(yīng)力一般在5 kN/m，而底層最大應(yīng)力為42 kN/m。根據(jù)規(guī)范，實(shí)際底層采用單向土工格柵5% 伸長(zhǎng)率時(shí)拉力≥120 kN/m。

圖1 加寬段斷面二維有限元模型圖

圖2 二維有限元計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果(土方完成后)

圖3 二維有限元計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果(路面完成后)

圖4 土工格柵軸力計(jì)算結(jié)果

3 松浦至科技學(xué)院段地基處理

受搶險(xiǎn)通道穿越松浦大橋和交通線(xiàn)形要求，該段在堤外灘地加寬，而該段屬于松花江北汊彎道凹案，深槽逼岸，所以該段堤身加寬和護(hù)坡需考慮特殊方案。另外，由于該段加寬填土較高，對(duì)松浦大橋的橋樁可能會(huì)產(chǎn)生影響，需對(duì)橋墩進(jìn)行保護(hù)。

3.1 堤身加固方案

根據(jù)穿越線(xiàn)形和現(xiàn)狀灘地，為盡量減小對(duì)外側(cè)橋墩的影響，同時(shí)盡量減小對(duì)行洪的影響，考慮將外側(cè)邊坡調(diào)整為水上1∶2、水下1∶2.5。水下清基完成后，鋪設(shè)高強(qiáng)土工布軟體排，并用鉸鏈排壓排，再進(jìn)行吹泥管袋施工，至常水位以上后，外坡采用土工格柵加筋滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定要求。堤腳位置為防止沖刷，除采用混凝土鉸鏈排保護(hù)外，采用拋石護(hù)腳。

3.2 橋墩保護(hù)方案

3.2.1 處理方案

該段除采用加筋并調(diào)整邊坡外，在松浦大橋位置還考慮綜合運(yùn)用隔離樁、提高基礎(chǔ)承載力和輕質(zhì)材料3 種方式，減輕堆載對(duì)橋墩影響。輕質(zhì)材料主要是在加筋邊坡內(nèi)側(cè)大面積填土采用粉煤灰填筑。隔離樁與基礎(chǔ)承載力提高考慮2 種方案比較:

1)方案一:鉆孔灌注樁+壓密注漿。吹泥管袋施工至常水位以上后，施工鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30 m，樁徑為φ 1 000，并澆筑導(dǎo)梁提高整體性。然后，在樁后施工壓密注漿，深15 m，寬8 m，注漿孔間距3.0 m，梅花形布置。

2)方案二:水泥攪拌樁格構(gòu)布置。吹泥管袋施工至常水位以上后，進(jìn)行水泥攪拌樁施工。水泥攪拌樁形成整體格構(gòu)式，橫向?qū)?.0 m，樁深20 m，近樁側(cè)雙頭雙排，其余雙頭單排。

3.2.2 有限元分析計(jì)算

為研究橋樁右側(cè)采用鉆孔灌注樁和壓密注漿體作為保護(hù)措施的可行性，計(jì)算以下3 種工況:①未有保護(hù)措施;②采用20 m深水泥攪拌樁和壓密注漿體;③采用30 m深鉆孔灌注樁和壓密注漿體。計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 有限元分析計(jì)算模型圖

計(jì)算時(shí)首先考慮地應(yīng)力平衡，在橋樁、承臺(tái)、地基土激活狀態(tài)下進(jìn)行應(yīng)力平衡，后進(jìn)行分層填土，每層填土固結(jié)時(shí)間為20 d，最后一級(jí)填土完成后，固結(jié)30 d。為了比較保護(hù)措施的效果，三種工況計(jì)算過(guò)程相同。

3.2.2.1 沒(méi)有保護(hù)措施工況

橋樁周?chē)鷽](méi)有保護(hù)措施，直接填筑路基。由圖6(a)可知，固結(jié)完成后，路基最大水平位移為22.77 mm;最大沉降量為68.29 mm;橋樁承臺(tái)豎向位移為10.31 mm;橋樁承臺(tái)水平位移為4.61 mm;樁基最大水平位移為5.55 mm。

3.2.2.2 20 m深水泥攪拌樁加壓密注漿體

在橋樁右側(cè)及前后采用20 m深水泥攪拌樁加壓密注漿隔離，后填筑右側(cè)路基。其由圖6(b)可知，固結(jié)完成后，路基最大水平位移為21.85 mm;最大沉降量為64.44 mm;橋樁承臺(tái)豎向位移為10.21 mm;橋樁承臺(tái)水平位移為4.42 mm;樁基最大水平位移為5.47 mm。

3.2.2.3 30 m深鉆孔灌注樁加壓密注漿體

在橋樁右側(cè)及前后采用30 m深鉆孔灌注樁加壓密注漿體隔離，后填筑右側(cè)路基。由圖b(c)可知，固結(jié)完成后，路基最大水平位移為21.24 mm;最大沉降量為63.09 mm;橋樁承臺(tái)豎向位移為9.87 mm;橋樁承臺(tái)水平位移為3.70 mm;樁基最大水平位移為5.02 mm。

圖6 水平位移分布圖

圖7 沉降分布圖

圖8 樁身水平位移分布圖

以上計(jì)算可知，采用圍護(hù)措施后，橋樁及承臺(tái)位移有所減小，水平位移減小的幅度相對(duì)較大，采用20 m深水泥攪拌樁加注漿體方案，承臺(tái)水平位移減少4.1%，承臺(tái)豎向位移減少了1%，樁身最大水平位移減少了1.4%;采用30 m深鉆孔灌注樁加壓密注漿體方案，承臺(tái)水平位移減少19.74%，承臺(tái)豎向位移減少了4.27%，樁身最大水平位移減少了9.55%。

根據(jù)計(jì)算分析，兩種對(duì)橋墩保護(hù)都可行，其中方案一投資約220萬(wàn)元，方案二投資約170萬(wàn)元。

從橋墩安全性考慮，本階段推薦采用方案一即鉆孔灌注樁+壓密注漿方案，下階段根據(jù)施工單位設(shè)備確定施工方案。

4 新建堤段地基處理

4.1 處理方案

松浦改線(xiàn)段、科技學(xué)院段、貯灰池改線(xiàn)段、方臺(tái)陡崖段和黃土山林場(chǎng)段均在灘地上新建路堤。新建路基考慮采用整體基礎(chǔ)、堆載預(yù)壓、平臺(tái)鎮(zhèn)壓等多種組合方式。

為增加地基穩(wěn)定性并減少沉降量，地基鋪設(shè)土工軟體排一層后，通長(zhǎng)布置一層吹泥管袋，再布置一層通長(zhǎng)土工格柵，最后再布置一層吹泥管袋，最后形成整體基層。堆載預(yù)壓法，主要是在土方完成后經(jīng)冬季沉降，第二年春節(jié)再行路面結(jié)構(gòu)施工，使基礎(chǔ)基本達(dá)到穩(wěn)定。平臺(tái)鎮(zhèn)壓，主要是利用堤外消浪平臺(tái)和堤內(nèi)壓滲平臺(tái)，進(jìn)行鎮(zhèn)壓。

4.2 有限元分析計(jì)算

以方臺(tái)陡崖段典型斷面為例，建立斷面二維有限元模型，見(jiàn)圖9。計(jì)算結(jié)果顯示，見(jiàn)圖10、11，道路結(jié)構(gòu)層施工完成后，工后總沉降約234 mm，底層土工格柵的最大軸向應(yīng)力，為53.84 kN/m。

圖9 新建段斷面二維有限元模型

圖10 新建段二維有限元計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果

5 西四環(huán)填土影響分析

為分析堤防加高對(duì)西四環(huán)橋接坡的影響，計(jì)算了堆載附加應(yīng)力。計(jì)算采用填土荷載分區(qū)疊加的方法計(jì)算，計(jì)算步驟如下:

1)根據(jù)填土形狀和填土高度將計(jì)算荷載分成n個(gè)特征區(qū)域，使每個(gè)特征區(qū)域的范圍與荷載有一定規(guī)律(能用較簡(jiǎn)單的函數(shù)表示)。

2)以計(jì)算點(diǎn)為平面坐標(biāo)原點(diǎn)，確定每個(gè)特征區(qū)域的面積分布范圍和填土荷載分布函數(shù)。

3)將每個(gè)特征區(qū)域根據(jù)精度要求劃分為m個(gè)微分區(qū)域，計(jì)算每個(gè)為分區(qū)域中心點(diǎn)的填土荷載，并求每個(gè)微分區(qū)域填土荷載對(duì)計(jì)算點(diǎn)的附加應(yīng)力。

4)累加求出計(jì)算點(diǎn)的總附加應(yīng)力，計(jì)算公式為:

圖11 土工格柵軸力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算地面超載分布按圖12 分區(qū)，其中Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)填土高度為0.6 m，相應(yīng)的地面超載為10.8 kN/m2，Ⅲ區(qū)填土高度為4.0 m，相應(yīng)的地面超載為72 kN/m2。

圖12 地面超載分區(qū)圖

分別計(jì)算A、B、C 3 點(diǎn)的附加應(yīng)力。計(jì)算得A 點(diǎn)附加應(yīng)力最大值為3.63 kN/m2，其應(yīng)力分布與深度關(guān)系見(jiàn)圖13;B 點(diǎn)附加應(yīng)力最大值為5.4 kN/m2，其應(yīng)力分布與深度關(guān)系見(jiàn)圖14 ;C 點(diǎn)附加應(yīng)力最大值為3.20 kN/m2，其應(yīng)力分布與深度關(guān)系見(jiàn)圖15。

圖13 A 點(diǎn)附加應(yīng)力隨深度分布圖

圖14 B 點(diǎn)附加應(yīng)力隨深度分布圖

圖15 C 點(diǎn)附加應(yīng)力隨深度分布圖

計(jì)算結(jié)果顯示，由填土在西四環(huán)路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力比較少，B 點(diǎn)附加應(yīng)力與自重應(yīng)力比最大值在路面以下2.6 m處，最大比值為0.11。因此，填土附加應(yīng)力對(duì)西四環(huán)的路基沉降影響少。

［1］郭志高，李玲，易朝路，等.江漢平原堤防存在的問(wèn)題與防洪減災(zāi)措施［J］.華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，2002，36(01):112－116.

［2］姜景鳳.哈爾濱松花江北岸防洪、搶險(xiǎn)通道管理體系的初步設(shè)想［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2012，18(04):37－39.

［3］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.