水泥土攪拌樁在珠江堤防地基處理中的應(yīng)用

代長(zhǎng)賢，程 怡，蔣 雷

(1.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510610；2.廣州市水電建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 510699)

水泥土攪拌樁是由固化劑(水泥)與軟土攪拌形成的固結(jié)體[1]，用于復(fù)合地基提高承載力和減少沉降、軟土加固、基礎(chǔ)防滲工程等[2-5]；珠江三角洲軟土多具備含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、承載力低、高靈敏度等特征[6]，土層結(jié)構(gòu)易受破壞，容易產(chǎn)生軟土滑動(dòng)破壞現(xiàn)象；珠江堤防仍存在砼框架碼頭和鋼筋砼或砌石擋墻等型式，部分堤段現(xiàn)已破損嚴(yán)重，堤腳沖刷嚴(yán)重，堤岸雜草叢生，堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低、凌亂無(wú)序，影響珠江兩岸防洪、城市景觀和市民親水需求[7-8]；新建堤岸斷面宜斜則斜，應(yīng)優(yōu)先采用斜坡式復(fù)合式等自然形式的生態(tài)堤岸[9]。

本文以廣州市珠江堤防大學(xué)城南岸二期加固設(shè)計(jì)為例，在堤基存在厚軟土層條件下，選取水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理方式，計(jì)算分析了復(fù)合地基承載力、樁土復(fù)合層抗剪強(qiáng)度、堤身抗滑穩(wěn)定、堤基沉降等內(nèi)容，分析各項(xiàng)檢測(cè)資料結(jié)果，表明設(shè)計(jì)參數(shù)選取基本可信，攪拌樁復(fù)合地基處理方式在混合式堤防堤基處理中合理可行，以供類似工程建設(shè)參考。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)方案

工程位于廣州市番禺區(qū)瀝滘水道，采用預(yù)制沉箱+水泥土攪拌樁復(fù)合地基的斜坡混合式方案作為護(hù)岸結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。沉箱為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)回填中粗砂，沉箱外側(cè)高程0.5 m以下采用拋石護(hù)腳，沉箱底高程為-0.5 m，地基為水泥土攪拌樁復(fù)合地基。沉箱頂設(shè)親水平臺(tái)，平臺(tái)高程為2.0 m，寬為3.0 m；親水平臺(tái)以上1:3放坡至堤頂，坡面采用三維土工網(wǎng)草皮護(hù)坡；堤頂高程為4.0 m，堤頂設(shè)寬8m的防汛道路，路面為水泥砼路面，臨水側(cè)設(shè)石材欄桿，欄桿高為 1.1 m；堤防背水坡坡比為1:3，設(shè)草皮護(hù)坡，坡腳設(shè)縱向排水溝。

親水平臺(tái)下沉箱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算顯示地基承載力特征值需達(dá)到75 kPa，本區(qū)域軟土層天然地基承載力為40 kPa，不滿足沉箱基礎(chǔ)的承載力要求；堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)在正常運(yùn)行條件下需按1級(jí)堤防要求的1.30控制[10]。

1.2 地質(zhì)條件

圖1 堤防典型設(shè)計(jì)斷面示意

淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等軟土天然含水量高，孔隙比大，壓縮系數(shù)較大，具高壓縮性，在上部荷載的作用下，易導(dǎo)致堤基沉降變形過(guò)大，影響建筑物的正常使用，天然地基承載力特征值最低僅40 kPa，不滿足沉箱基礎(chǔ)的承載力需求。

2 地基處理

2.1 地基處理設(shè)計(jì)

地基處理選用水泥土攪拌樁復(fù)合地基，樁徑為 0.60 m，近外江側(cè)第一排攪拌樁采用密排，樁間距為0.45 m，除此之外其他攪拌樁采用正三角形布置，間距為1.25 m，范圍為堤腳沉箱前后緣各一倍沉箱寬度，樁體穿透淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，樁長(zhǎng)為10.7 m，頂部設(shè)0.3 m厚碎石墊層。

2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[11]及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[12]計(jì)算復(fù)合地基承載力，計(jì)算公式如下。

1)單樁豎向承載力特征值可取以下兩公式計(jì)算值的較小值：

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊抗壓強(qiáng)度平均值，1 500 kPa (水泥土試驗(yàn)強(qiáng)度不低于1.5 MPa，水泥摻入比約為18%)；up為樁的周長(zhǎng)，1.88 m；n為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值。對(duì)淤泥可取4～7 kPa，對(duì)淤泥質(zhì)土可取6～12 kPa；li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，取120 kPa；αp為樁端天然地基土的承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.4；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25。

經(jīng)計(jì)算，攪拌樁單樁豎向承載力特征值取為106 kN。

2)攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值按下式計(jì)算：

(3)

式中λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.9；fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率，0.21；Ra為單樁豎向承載力特征值，106 kN；Ap為樁的截面積，0.283 m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.4；fsk為樁間土承載力特征值，40 kPa。

經(jīng)計(jì)算該段樁徑600 mm，置換率為21%，單樁截面積為0.28 m2，樁距為1.25 m×1.25 m三角形布置，復(fù)合地基承載力特征值為86.4 kPa，滿足上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)需求。

2.3 堤身抗滑穩(wěn)定計(jì)算

1)基本資料

堤后地面高程與堤頂高差較小，僅需對(duì)臨水側(cè)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算(各地基土分層及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1)。

表1 巖(土)物理力學(xué)指標(biāo)建議值 kN/m3

2)樁土復(fù)合加固區(qū)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

其中樁土復(fù)合加固區(qū)的強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算如下：

① 樁土復(fù)合加固區(qū)等效強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

c=c1m+c2(1-m)

(4)

(5)

式中m為面積置換率；c1為攪拌樁樁身粘聚力，kPa；φ1為攪拌樁樁身內(nèi)摩擦角，取20°；c2為軟土層粘聚力；φ2為軟土層內(nèi)摩擦角；K1為攪拌樁的剛度，kN/m；K2為樁周軟土部分的剛度，kN/m；β為樁的沉降S1和樁周軟土部分沉降S2之比，取0.5。

② 攪拌樁樁身粘聚力可按下式確定：

(6)

式中fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊立方體抗壓強(qiáng)度平均值，取800 kPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25。

③ 攪拌樁及樁周軟土剛度可按下式確定：

(7)

(8)

式中k1為攪拌樁樁頂土層的剛度，kN/m；k2為攪拌樁樁身的壓縮剛度，kN/m；k2為攪拌樁樁底土層的剛度，kN/m；K1為攪拌樁的剛度，kN/m；K2為樁周軟土部分的剛度，kN/m；A1為攪拌樁截面積，m2；A2為樁周土截面積，m2；E′為樁頂土層的變形模量，kPa；d為攪拌樁直徑，m；μ為泊松比，可取0.3；Ep為攪拌樁的壓縮模量，可取(100～120)fcu，kPa；l為攪拌樁樁長(zhǎng)；E″為樁底土層的變形模量，kPa；ω為形狀系數(shù)，取0.79；Es為樁間土的壓縮模量，kPa。

樁土復(fù)合加固區(qū)換算的抗剪強(qiáng)度為：c=19.4 kPa、φ=13.6°。

3)穩(wěn)定計(jì)算方法

考慮堤基主要滑動(dòng)面位于軟土層，本工程采用了《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]中推薦的瑞典圓弧法，計(jì)算公式如下：

(9)

式中W為土條重量，kN；u為作用于土條底面的孔隙水壓力，kN/m2；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角，°；b為土條寬度，m；c′、φ′為土條底面的強(qiáng)度指標(biāo)，kPa、°。

整體穩(wěn)定分析施工期和水位降落期采用總應(yīng)力法，穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法。經(jīng)有限元計(jì)算(見(jiàn)表2、圖2及圖3)，水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理后，各工況下堤防整體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，安全儲(chǔ)備量有所增加，可見(jiàn)攪拌樁復(fù)合地基處理對(duì)堤防整體穩(wěn)定是有利且必要的。

表2 堤防整體穩(wěn)定計(jì)算成果

圖2 堤防整體穩(wěn)定計(jì)算示意(水位驟降工況—原狀堤基)

圖3 堤防整體穩(wěn)定計(jì)算示意(水位驟降工況—樁土復(fù)合堤基)

2.4 堤基沉降計(jì)算

按均布荷載75 kPa分別作用在邊長(zhǎng)為1.2 m的承壓板和寬度為3.0 m的條帶上取結(jié)構(gòu)底面作用中點(diǎn)考慮，當(dāng)附加應(yīng)力σz為地基自重應(yīng)力σB的1/10時(shí)[10]，壓縮層厚度為3.0 m和8.8 m，本例樁長(zhǎng)10.7 m，因此可按樁土復(fù)合層的壓縮變形量作為地基設(shè)計(jì)沉降量，計(jì)算公式[1]如下：

(10)

Esp=mEP+(1-m)ES

(11)

式中S為計(jì)算沉降量，m；PZ為樁土復(fù)合層頂面附加壓力，75 kPa；PZL為樁土復(fù)合層底面附加壓力，5.4 kPa和13.5 kPa；L為計(jì)算壓縮層厚度，3.0m和10.7 m；m為面積置換率，0.21；EP為攪拌樁的壓縮模量，可取(100～120)fcu，150 000 kPa；ES為樁間土的壓縮模量，2 270 kPa (Es100-200)。

計(jì)算得荷載板理論沉降量為3.64 mm，工程設(shè)計(jì)沉降量為14.3 mm。

3 檢測(cè)資料分析

工程實(shí)施期間，水泥摻量為18%，期間進(jìn)行了樁體抽芯強(qiáng)度檢測(cè)、單樁靜載荷試驗(yàn)和復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)(正方形承壓板邊長(zhǎng)b=1.2 m)，共抽取了6根樁芯進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果顯示平均樁身強(qiáng)度f(wàn)cu28=1.17 MPa，換算fcu90=1.89 MPa，滿足工程需求。由于樁體均為工程樁，單樁靜載試驗(yàn)及復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)采用非破壞試驗(yàn)方式檢測(cè)，p～s試驗(yàn)結(jié)果均值分別如圖4～5所示。

圖4 單樁靜載荷試驗(yàn)示意

圖5 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)示意

根據(jù)增強(qiáng)體單樁靜載荷試驗(yàn)要點(diǎn)[12]，單樁承載力極限值大于210 kN，滿足單樁承載力要求(見(jiàn)圖4)；根據(jù)復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)要點(diǎn)[12]，荷載—沉降曲線為光滑曲線，本工程設(shè)計(jì)承載力75 kPa時(shí)，靜載荷試驗(yàn)沉降量s≈3.84 mm=0.0042b<0.008b(見(jiàn)圖5)，理論沉降量與試驗(yàn)沉降量較為吻合，表明地基承載力和沉降均能達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)。采用樁身強(qiáng)度換算得到樁土復(fù)合加固區(qū)抗剪強(qiáng)度為c′ = 26.2 kPa、φ′ = 14.1°，與樁土復(fù)合加固區(qū)換算得到的指標(biāo)相近，水位驟降工況下堤身整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.40 > 1.33，超過(guò)規(guī)范[10]指標(biāo)。本段堤防現(xiàn)已基本完工，運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 結(jié)語(yǔ)

堤防工程建設(shè)逐漸更多的關(guān)注綜合功能，為取得防洪效益和水環(huán)境等效益相得益彰的效果[13]，結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，對(duì)地基要求更高，本文以廣州市珠江堤防大學(xué)城南岸二期加固工程為例，采用水泥土攪拌樁進(jìn)行地基處理，結(jié)合檢測(cè)資料分析反饋驗(yàn)證設(shè)計(jì)，得出結(jié)論和建議如下：

1)載荷試驗(yàn)成果表明，水泥攪拌樁單樁承載力、復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，樁土復(fù)合加固區(qū)對(duì)堤身整體穩(wěn)定具有良好的安全儲(chǔ)備效果，設(shè)計(jì)參數(shù)的選取能夠滿足工程建設(shè)需求，可供類似地基處理工程設(shè)計(jì)方案參考。

2)對(duì)現(xiàn)狀復(fù)雜堤防改造的地基處理不僅僅涉及承載力和沉降控制，由于堤身整體抗滑穩(wěn)定控制性土層多為下部軟土區(qū)，所以對(duì)該層的加固極為重要。水泥深層攪拌法作為一種軟土加固方式，在堤基處理方面有良好的效果，可根據(jù)上部荷載型式、地質(zhì)條件和堤防整體安全狀況合理選用。