水泥土攪拌樁在堤防工程中的應(yīng)用

王桂智，楊慶慶，趙津磊，田志軍

(1.江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007)

水泥土攪拌樁是處理堤防軟土地基問(wèn)題的一種常用手段。它主要運(yùn)用水泥作為固化劑，通過(guò)特制攪拌機(jī)器對(duì)軟土部位進(jìn)行就地?cái)嚢?，使固化劑和土體產(chǎn)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成具有一定強(qiáng)度和穩(wěn)定性的水泥土，從而提高地基土的承載力及整體性[1]。由于其具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、施工周期短且成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程中得到了廣泛運(yùn)用[2]。

水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)及施工可參照J(rèn)GJ 79—2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，但水泥土攪拌樁在實(shí)際工程中如何提高土體抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定堤防的作用，規(guī)范中未作詳細(xì)解釋說(shuō)明。本文將結(jié)合具體工程實(shí)例，運(yùn)用樁土分離原理及復(fù)合地基強(qiáng)度等效原理進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)水泥土攪拌樁在堤防加固工程中的作用效果做出總體評(píng)價(jià)。

1 工程概況

西直湖港河道(無(wú)錫段)位于京杭運(yùn)河與錫溧漕河之間無(wú)錫境內(nèi)，是溝通西直湖港北樞紐南涵首與西直湖港閘站樞紐輸水河道的一部分，全長(zhǎng)約2.7km。該段主要為平地開(kāi)挖河道，現(xiàn)狀場(chǎng)地地面高程在3.0～4.5m左右，局部河道堤防需填筑圍堰進(jìn)行河底清基。河道設(shè)計(jì)最大過(guò)流流量為90m3/s，河底高程為-1.00m，河底寬為30m。河道兩側(cè)堤防等級(jí)為3級(jí)，堤頂高程為6.50m，堤頂寬5.0m，在河道迎水坡高程4.0m處設(shè)置寬度為3.0m的平臺(tái)。

西直湖港河道工程施工開(kāi)挖期間，在河道西岸某處發(fā)現(xiàn)古河槽沉積的灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾薄層砂壤土，引起河道岸坡坍塌失穩(wěn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查可知，軟弱堤基部位位于兩個(gè)原勘探斷面之間，針對(duì)這種情況勘察單位對(duì)軟弱段進(jìn)行了加密補(bǔ)勘，進(jìn)一步查明該開(kāi)挖部位的土層、土質(zhì)分布情況，為地基處理提供地質(zhì)資料。勘探成果表明，堤基所在的②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾砂壤土力學(xué)強(qiáng)度較低，各層土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

軟基段現(xiàn)狀堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典條分法，計(jì)算得施工期原堤防整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為0.956，小于規(guī)范[3]規(guī)定值1.10，需進(jìn)行地基處理?？够€(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)堤防施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算示意圖

2 水泥土攪拌樁方案設(shè)計(jì)

軟基堤防水泥土攪拌樁與周?chē)馏w形成承受豎向荷載的復(fù)合地基，水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)主要參數(shù)為置換率、樁長(zhǎng)、復(fù)合地基承載力等。

2.1 攪拌樁設(shè)計(jì)

結(jié)合同類(lèi)工程情況，本工程水泥土攪拌樁樁徑定為0.6m。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，為減少地表水及地下水對(duì)樁體的腐蝕導(dǎo)致樁體開(kāi)裂強(qiáng)度降低，因此樁身設(shè)計(jì)采用普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)42.5，以保證水泥土抗腐蝕性能。考慮淤泥質(zhì)土厚度較深，承載力較小，本工程中水泥摻入比取18%。

表1 工程地質(zhì)勘察綜合成果建議值表

圖2 堤防攪拌樁處理斷面圖(單位：cm)

由地勘報(bào)告可知，該處軟基堤防在淤泥質(zhì)粘土層下分布有性質(zhì)優(yōu)良的深厚粘土層⑥2層，該層土為硬塑態(tài)粉質(zhì)粘土，地基承載力為250kPa，可作為水泥土攪拌樁復(fù)合地基的持力層。設(shè)計(jì)水泥土攪拌樁深入該層土1.5m，樁底高程為-11.50m，樁頂高程為現(xiàn)狀地面平均高程3.50m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)15.0m。

2.2 樁土面積置換率確定

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，本工程中水泥土攪拌樁采用等邊三角形布置方式，樁距1.0m。具體布置形式如圖2所示。樁位布置圖如圖3所示。

圖3 樁位布置圖

根據(jù)規(guī)范[4]，樁土面積置換率m計(jì)算公式為：

(1)

de=1.5s

(2)

式中，d—樁身平均直徑，m；de—一根樁分擔(dān)的處理地基面積等效圓直徑，m；s—樁間距，m。

計(jì)算可得本工程中樁土面積置換率m=32.6%。

2.3 單樁承載力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[4]可知，水泥土攪拌樁單樁承載力由樁周土和樁端土的抗力所提供，即：

(3)

式中，up—樁周長(zhǎng)，m；up=1.884m；n—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；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)，α=0.5；qp—樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；Ap—樁的截面積,m2，Ap=0.2826m2。

同時(shí)，單樁承載力應(yīng)滿(mǎn)足樁體強(qiáng)度要求，即樁身結(jié)構(gòu)承載力：

Ra=nfcuAp

(4)

式中，fcu—與攪拌樁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，fcu=900kPa。

單樁承載力由公式(3)、(4)共同確定，取其中的小值。通過(guò)計(jì)算可得本工程水泥土攪拌樁單樁承載力Ra=77kN。

2.4 復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[4]可知，水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載計(jì)算公式如下：

(5)

式中，fspk—復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk—天然地基承載力特征值,kPa,fsk=250kPa；m—面積置換率；β—樁間土承載力折減系數(shù)，β=0.4。

根據(jù)公式(5)計(jì)算可得復(fù)合地基承載力為157kPa，滿(mǎn)足上部荷載要求。

3 堤防邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

軟基堤防進(jìn)行水泥土攪拌樁加固處理后，如何進(jìn)行加固堤防的整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，目前水利行業(yè)通常有兩種常用算法：一種是樁土分離原理，即運(yùn)用有限元法在劃分好網(wǎng)格的計(jì)算單元中對(duì)水泥土攪拌樁及各土層進(jìn)行單獨(dú)的參數(shù)賦值，并進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算；另一種是強(qiáng)度等效原理，將水泥土攪拌樁和樁間土進(jìn)行“均質(zhì)化”處理，將樁土等效為“均質(zhì)復(fù)合體”，計(jì)算出加固土體的等效強(qiáng)度指標(biāo)，繼而進(jìn)行堤防整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算[5]。

本節(jié)將選取Autobank軟件，根據(jù)兩種不同計(jì)算原理，對(duì)本工程加固后堤防進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算復(fù)核并作評(píng)價(jià)。

3.1 計(jì)算工況

堤防邊坡整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算工況采用完建期、設(shè)計(jì)低水位、設(shè)計(jì)高水位三種控制工況，水位組合見(jiàn)表2。

表2 水位組合表

3.2 Autobank軟件建模

Autobank軟件計(jì)算模塊采用有限元原理，可用于堤防、土石壩等水工建筑物的滲流、穩(wěn)定計(jì)算，結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠，是目前國(guó)內(nèi)水利設(shè)計(jì)院通用的水利計(jì)算軟件[6]。

模型計(jì)算時(shí)首先在CAD中繪制計(jì)算斷面，然后導(dǎo)入到Autobank軟件中，在材料表中導(dǎo)入土層的相關(guān)信息。接著對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本次計(jì)算采用三角形單位劃分模式，單元長(zhǎng)度為0.5cm。然后進(jìn)行水位線繪制，求解各工況對(duì)應(yīng)水位線，最后進(jìn)行堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

3.3 樁土分離法計(jì)算

模型土體物理學(xué)指標(biāo)采用表1相關(guān)指標(biāo)，計(jì)算荷載主要考慮堤防土體自重荷載及水荷載作用，并對(duì)水泥土攪拌樁進(jìn)行間距、樁截面積及抗剪強(qiáng)度等參數(shù)賦值。計(jì)算工況采用表2所示工況，抗滑穩(wěn)定采用瑞典條分法，計(jì)算成果如圖4所示，計(jì)算成果整理見(jiàn)表3。堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖4 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖

工況水位組合河道/m堤身/m邊坡抗滑安全系數(shù)Kmin[K]完建期-1.004.002.51.151.10設(shè)計(jì)低水位3.454.001.591.20設(shè)計(jì)高水位4.906.001.671.20

3.4 復(fù)合地基強(qiáng)度等效法計(jì)算

強(qiáng)度等效原理即將水泥土攪拌樁和樁間土進(jìn)行“均質(zhì)化”處理，將樁土等效為“均質(zhì)復(fù)合體”，計(jì)算出加固土體的等效強(qiáng)度指標(biāo)，繼而進(jìn)行堤防整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

張家柱[7]指出，一般水泥土的內(nèi)摩擦角φ約為20°～30°之間，而黏聚力c在0.1～1.1MPa之間，隨著水泥摻入量的提高，黏聚力提高，而內(nèi)摩擦角變化不大；李智彥[8]采用不同水灰比在不同圍壓下進(jìn)行水泥土三軸壓縮試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出摩爾應(yīng)力圓，由此確定剪切強(qiáng)度曲線，進(jìn)而求出水泥土粘聚力和內(nèi)摩擦角。試驗(yàn)結(jié)果表明：由于攪拌作用的破壞與水泥作用的影響，水泥土工程性質(zhì)有重新作用的過(guò)程，土體黏聚力得到很大的提高，隨著水灰比的增加，水泥土的黏聚力提高值變?。荒Σ两堑淖兓軘嚢铇蹲饔煤退嘀匦伦饔糜绊?，變化較為復(fù)雜，變化范圍為15°～25°，與原地土摩擦角比較略有提高。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]相關(guān)理論，復(fù)合土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)可采用面積比法計(jì)算。復(fù)合土體黏聚力Cc和內(nèi)摩擦角φc可用下述公式計(jì)算：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(6)

tanφc=tanφs(1-m)+mtanφp

(7)

式中，Cc、φc—復(fù)合土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；Cs、φs—樁間土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，按表1選取；Cs、φs—樁體的黏聚力和內(nèi)摩擦角；取Cp=180kPa，φp=25°。

計(jì)算可得經(jīng)過(guò)水泥土攪拌樁處理后的②1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度為Cc=65.7kPa，φc=29.8°。

抗滑穩(wěn)定采用瑞典條分法，計(jì)算工況采用表2所示工況，攪拌樁作用范圍以?xún)?nèi)土體采用復(fù)合土體相關(guān)指標(biāo)，攪拌樁作用范圍以外土體采用天然土體相關(guān)指標(biāo)。計(jì)算成果如圖5所示，計(jì)算成果整理見(jiàn)表4。堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算圖

3.5 計(jì)算評(píng)價(jià)

由上述計(jì)算成果可知，經(jīng)過(guò)地基處理后的堤防抗滑穩(wěn)定性得到了很大提高。兩種方法在不同工況下計(jì)算結(jié)果相差較小，進(jìn)而證明兩種方法在材料指標(biāo)選取計(jì)算、邊坡穩(wěn)定模型構(gòu)建方面是合理可靠的。本工程目前已基本實(shí)施完成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，堤身沉降變形在合理范圍之內(nèi)，事實(shí)證明水泥土攪拌樁在堤防加固工程中具有顯著的作用。

表4 堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

比較兩種計(jì)算方法，區(qū)別在于樁土分離法是對(duì)攪拌樁和土體進(jìn)行分別賦值，在模型計(jì)算時(shí)樁體和土體各自發(fā)揮作用，樁土結(jié)合作用很難考慮到，會(huì)對(duì)計(jì)算合理性產(chǎn)生一定影響；復(fù)合地基強(qiáng)度等效法計(jì)算時(shí)將樁體與土體做均質(zhì)化處理，網(wǎng)格劃分時(shí)不再單獨(dú)考慮樁體作用。模型計(jì)算成果表明兩種方法結(jié)果差別不大，證明實(shí)際計(jì)算時(shí)樁體采用自身參數(shù)處理計(jì)算或者與樁間土進(jìn)行均質(zhì)化等效處理，對(duì)邊坡整體抗滑穩(wěn)定沒(méi)有決定性影響，龔曉南在文獻(xiàn)[9]中也提出：“對(duì)復(fù)合地基加固區(qū)的土體強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)可采用復(fù)合土體綜合強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)，也可分別采用散體材料樁樁體和樁間土的強(qiáng)度計(jì)算參數(shù)計(jì)算”。綜上可得兩種計(jì)算原理及方法均符合要求，在工程實(shí)際運(yùn)用中兩種計(jì)算方法也是成熟可行的。從貼合工程實(shí)際角度考慮，在相關(guān)資料均可靠齊全的基礎(chǔ)上，筆者更傾向于復(fù)合地基強(qiáng)度等效法進(jìn)行堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

水泥土攪拌樁可以有效地提高土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，加強(qiáng)堤防的整體穩(wěn)定，加之其施工簡(jiǎn)單、成本較低，因而在堤防工程中得到了廣泛運(yùn)用[10]。本文總結(jié)歸納了水泥土攪拌樁在堤防加固工程中的方案設(shè)計(jì)思路及邊坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)樁土分離原理及復(fù)合地基強(qiáng)度等效原理下的抗滑穩(wěn)定計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證和比較，計(jì)算思路及方法對(duì)于同類(lèi)型堤防地基處理問(wèn)題能起到很好的借鑒作用。如何在平面有限元軟件中更好地模擬水泥土攪拌樁在堤防加固工程中的加固機(jī)理以及荷載傳遞原理，后續(xù)工作還需進(jìn)一步展開(kāi)。