軟土地基條件下港區(qū)內(nèi)大型排洪通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹凱平，章 康，孔友南，程培軍

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

港區(qū)布置有時(shí)會與區(qū)域水利規(guī)劃發(fā)生關(guān)聯(lián)，后方地區(qū)的排洪通道需要從港區(qū)內(nèi)通過。傳統(tǒng)的排洪通道一般可采用斜坡形式，其結(jié)構(gòu)簡單、施工便利，但因頂面寬度大會占用較多的港區(qū)面積及較長的岸線。現(xiàn)今，國內(nèi)岸線資源日益減少，在國家嚴(yán)控填海的政策影響下，不少新建港區(qū)的堆場面積已顯不足，如繼續(xù)采用斜坡式排洪通道，會對港區(qū)運(yùn)營產(chǎn)生不利的影響。

南方某碼頭工程受后方水利規(guī)劃影響，需要在港區(qū)內(nèi)設(shè)置一條大型排洪通道。工程受填海政策的影響，自身堆場面積較小。如采用斜坡式結(jié)構(gòu)，排洪通道頂寬約140 m，減少堆場面積達(dá)2.1 萬m2；如采用直立式方案，則排洪通道頂寬為55 m，僅減少堆場面積0.8 萬m2。因此本工程不宜采用斜坡式結(jié)構(gòu)。同時(shí)，工程區(qū)域的地質(zhì)條件較差，存在厚20 m 左右的淤泥及淤泥質(zhì)土，給結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)帶來了較大的挑戰(zhàn)。

本文依托該工程，對深厚軟土地基條件下的排洪通道結(jié)構(gòu)形式從施工、造價(jià)等方面進(jìn)行比選，對深厚軟土地基的加固方案及計(jì)算方法進(jìn)行研究。軟土地基處理行業(yè)已有較多研究成果，并已形成《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[1]，其中水泥攪拌樁加固地基國內(nèi)學(xué)者已開展了大量研究，如秦網(wǎng)根等[2]、曾起召[3]分析采用水泥攪拌樁對板樁墻后主動區(qū)的軟弱土進(jìn)行加固的方法；陳麗琴等[4]探討了在板樁墻前應(yīng)用水泥攪拌樁進(jìn)行軟土地基加固的可行性。由于水泥攪拌樁加固范圍有限，在加固范圍之外的軟土性質(zhì)并未提高，如完全按水泥攪拌樁加固體的參數(shù)進(jìn)行板樁計(jì)算，結(jié)構(gòu)偏于不安全。目前國內(nèi)規(guī)范對于鋼板樁及水泥攪拌樁組合結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法尚無規(guī)定，本文建議將水泥攪拌樁加固體作為一個(gè)整體考慮，經(jīng)過分析推導(dǎo)加固體與板樁之間作用的理論計(jì)算方法，從而避免過度考慮加固體作用而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全的情況。

1 工程概況

本工程為南方某港口工程，新建3 個(gè)5 萬噸級通用泊位及相應(yīng)的堆場，陸域總面積約18.13 萬m2。根據(jù)后方水利規(guī)劃，需要在堆場內(nèi)設(shè)置一條排洪通道，要求過水寬度不小于50 m，過流面積不小于391 m2。

2 地質(zhì)條件

工程場地內(nèi)土層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，場地表層為厚6 m左右的回填砂，其下主要為第四系沖、海積淤泥類土層，軟弱土層總厚度近20 m，含水量高、孔隙比大、靈敏度高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、力學(xué)性質(zhì)差。下部雜色卵石呈中密-密實(shí)狀，工程性質(zhì)較好，為良好的地基土層。各土層主要指標(biāo)見表1。

表1 主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)

工程區(qū)域水位差大，設(shè)計(jì)高水位7.67 m，設(shè)計(jì)低水位0.25 m，極端高水位(50 a 一遇)9.11 m，極端低水位(50 a 一遇)-1.06 m，水位差對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的影響較大。

3 結(jié)構(gòu)方案比選

為選擇可行、經(jīng)濟(jì)、有效的排洪通道結(jié)構(gòu)方案，需要綜合考慮工程區(qū)自然條件、地質(zhì)條件、施工條件等。排水通道結(jié)構(gòu)一般可采用以下3 種方案:1)箱涵結(jié)構(gòu)。一般采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土方形箱涵，因本工程區(qū)域下部軟弱土層厚度大，且箱涵位于堆場下方，為滿足使用要求，需要布置灌注樁基礎(chǔ)，見圖1a)。2)低樁承臺結(jié)構(gòu)。利用上部混凝土結(jié)構(gòu)形成直立擋墻，通過灌注樁基礎(chǔ)穿過軟土層至下方良好持力層，上部承臺采用扶壁式現(xiàn)澆混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，見圖1b)。3)板樁結(jié)構(gòu)。板樁可穿透軟土層到達(dá)下臥持力層，并利用自身樁體形成擋墻，考慮到軟土下方存在卵石層，采用鋼板樁，見圖1c)。

圖1 3 種結(jié)構(gòu)方案

本工程堆場面積較小、潮差大，施工受潮水影響較大。根據(jù)實(shí)際情況，對以上3 種結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比，見表2。

表2 各結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)對比

經(jīng)綜合分析，箱涵方案雖然可以節(jié)省陸域面積，但造價(jià)高，同時(shí)箱涵區(qū)域的堆場需要限載，無法充分發(fā)揮使用功能；低樁承臺結(jié)構(gòu)施工受潮水影響，需要開挖基坑并搭設(shè)圍堰，施工工序較多、工期長；鋼板樁結(jié)構(gòu)密閉性好、無需形成基坑、施工便利、速度快、施工費(fèi)用較低，故推薦采用鋼板樁板樁結(jié)構(gòu)方案。擋墻采用單錨AZ42-700N 型鋼板樁，上部通過現(xiàn)澆胸墻連成一體，拉桿直徑70 mm，間距1.4 m，錨定板采用預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板前設(shè)置10～100 kg 碼砌塊石。為確保排洪通道兩側(cè)堆場的交通，在排洪通道中部設(shè)置一座渠橋連接兩側(cè)陸域，并對堆場內(nèi)的路網(wǎng)布置進(jìn)行調(diào)整，確保排洪通道不影響堆場整體交通。

4 軟土地基加固

4.1 加固方案適用性分析

本工程軟土層厚度大、含水量大、工程性質(zhì)差，如不經(jīng)過加固處理，無法滿足工程需要。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，對軟土地基的主要加固方法有強(qiáng)夯法、擠密砂樁法以及水泥攪拌樁法等。本工程軟土層為淤泥、淤泥質(zhì)黏土，含水量高、強(qiáng)度低，強(qiáng)夯法難以抵達(dá)軟土底部，因此不適宜采用強(qiáng)夯法；擠密砂樁通過土體置換改善場地性能，本工程軟土層厚度大，砂樁須穿透軟土層，長度過長，施工質(zhì)量難以保證，同時(shí)工程區(qū)域附近缺乏良好砂源，因此也不適宜使用。水泥攪拌樁是一種有效的地基加固形式，以水泥作為固化劑，將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢?，與軟土產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，硬化固結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土樁體，并與樁間土形成復(fù)合地基，尤其適用于淤泥、淤泥質(zhì)土等含水量高且地基承載力較低的軟土加固處理。

利用水泥攪拌樁加固板樁結(jié)構(gòu)的方法，既可采用水泥攪拌樁對板樁墻后主動區(qū)的軟弱土進(jìn)行加固，也可在板樁墻前應(yīng)用水泥攪拌樁進(jìn)行軟土地基加固。兩種加固方案均有可取之處:對板樁墻前進(jìn)行加固可以提高結(jié)構(gòu)的水平承載能力及整體穩(wěn)定性；對板樁墻后進(jìn)行加固則可以加強(qiáng)土體性質(zhì)，減小作用在板樁上的土壓力，同時(shí)水泥攪拌樁可以將表面均載傳遞至深層土層，進(jìn)一步降低板樁上的荷載。方案1 采用墻前加固的方式，方案2 采用墻后加固的方式，見圖2。

圖2 兩種加固方案斷面(高程:m；尺寸:mm)

4.2 加固方案計(jì)算方法比較

水泥攪拌樁加固體的等效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可按面積置換法計(jì)算:

式中:cSP、φSP分別為復(fù)合土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角；cP、φP為水泥攪拌樁的黏聚力、內(nèi)摩擦角；cS、φS分別為樁間土的黏聚力、內(nèi)摩擦角；m為面積置換率。根據(jù)《地基處理手冊》[5]，加固后復(fù)合土體黏聚力與無側(cè)限抗壓力強(qiáng)度qu的比值為0.2～0.3，其內(nèi)摩擦角變化范圍在20°～30°。本工程的水泥攪拌樁采用格柵式布置，見圖3，面積置換率大于60%。按上述原則取復(fù)合土體等效抗剪強(qiáng)度時(shí)的cSP＝120 kPa、φSP＝20°。

圖3 水泥攪拌樁布置(單位:mm)

由于水泥攪拌樁加固范圍有限，在加固范圍之外的軟土性質(zhì)并未提高，仍須考慮軟土的影響。因此，如完全按水泥攪拌樁加固體的參數(shù)進(jìn)行板樁計(jì)算，結(jié)構(gòu)偏于不安全。目前，國內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范對于如何開展板樁及水泥攪拌樁加固體的協(xié)同計(jì)算尚無說明，相關(guān)研究成果也較少，本文建議將水泥攪拌樁加固體作為一個(gè)整體剛體來進(jìn)行受力推導(dǎo)。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[6]，水泥攪拌樁加固體可以提供的抗力包括自身重力產(chǎn)生的摩擦力Gtanφ′及由底部土體黏聚力產(chǎn)生的Bc。在極限情況下，認(rèn)為水泥攪拌樁加固體的抗力充分發(fā)揮。

對于方案1，水泥攪拌樁加固體加固了板樁墻前的土體，增強(qiáng)了土體的抵抗能力。增強(qiáng)部分由加固體的Gtanφ′及由底部土體黏聚力產(chǎn)生的Bc組成。將此部分抗力簡化為在水泥加固深度范圍內(nèi)均布，并與加固體外側(cè)的被動土壓力疊加，受力轉(zhuǎn)化如圖4 所示。

圖4 方案1 受力轉(zhuǎn)換

調(diào)整后的被動土壓力公式:

式中:pmax、pmin分別為最大、最小邊緣壓力；E為作用在水泥攪拌樁加固體上的土壓力水平合力；G為水泥攪拌樁加固體自身重力；φ′為水泥攪拌樁加固體底部土層的摩擦角；B為加固寬度；c為底部土層的黏聚力；h為加固體高度；M為將各力作用于水泥攪拌樁加固體中心后的彎矩和；W為抗彎模量。

對于方案2，在加固區(qū)深度范圍內(nèi)，將水泥攪拌樁加固體自身重力及底部抗力與作用于加固體上的土壓力等按剛體轉(zhuǎn)換至加固體中心并進(jìn)行合力轉(zhuǎn)換，可得通過加固體傳遞至板樁上的荷載，具體轉(zhuǎn)化可見圖5，作用在板樁墻上荷載可按式(5)(6)計(jì)算。地面荷載通過加固體傳遞至加固體底部，對于加固區(qū)深度外的土體，仍按常規(guī)計(jì)算板樁上的作用。

圖5 方案2 受力轉(zhuǎn)換

在設(shè)計(jì)低水位工況下，將作用在水泥攪拌樁上自重產(chǎn)生的土壓力及水泥攪拌樁的影響按式(3)(4)計(jì)算得墻前加固方案上鋼板樁上的反力，按式(5)(6)計(jì)算墻后加固方案上鋼板樁上的荷載，結(jié)果見圖6、7。

圖6 方案1 被動土壓力經(jīng)水泥攪拌樁作用至板樁墻(單位:kPa)

圖7 方案2 主動土壓力經(jīng)水泥攪拌樁作用至板樁墻(單位:kPa)

將轉(zhuǎn)化后的土壓力荷載作用于板樁墻，方案1通過在墻前采用水泥攪拌樁的方式，增大穩(wěn)定力矩；方案2 在墻后采用水泥攪拌樁，減小傾覆力矩。經(jīng)計(jì)算兩個(gè)方案的穩(wěn)定性均滿足要求，結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計(jì)低水位繞樁尖穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

通過上述理論分析及轉(zhuǎn)化，可較為實(shí)際地考慮水泥攪拌樁加固體的作用，避免過度考慮其作用而使結(jié)構(gòu)偏于不安全。板樁結(jié)構(gòu)可按轉(zhuǎn)換后的荷載作用進(jìn)行計(jì)算。

4.3 有限元模型驗(yàn)證

采用PLAXIS 軟件對兩種方案分別進(jìn)行驗(yàn)算。板樁墻采用板單元，拉桿采用錨桿單元進(jìn)行模擬，土體采用三角形單元模擬。有限元模型見圖8。

圖8 PLAXIS 有限元模型

由于軟土層較厚，先期采取堆載預(yù)壓處理增強(qiáng)物理力學(xué)性質(zhì)，在設(shè)計(jì)低水位下，不考慮板樁墻后剩余水頭作用，板樁墻后5 m 范圍為綠化帶，荷載按10 kPa 考慮；5～12 m 為道路，使用荷載按20 kPa 考慮；12 m 范圍后為堆場，使用荷載按50 kPa考慮。采用PLAXIS 軟件計(jì)算的結(jié)果見表4?？梢钥闯?，方案1 的土體最大水平位移、板樁墻彎矩小于方案2 結(jié)果，拉桿拉力略大于方案2 結(jié)果。墻前加固增強(qiáng)了板前土體的抵抗能力，效果優(yōu)于墻后加固。

表4 PLAXIS 計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1)對于深厚軟土條件下的港區(qū)內(nèi)大型排洪通道結(jié)構(gòu)形式，鋼板樁結(jié)構(gòu)施工速度快，無需進(jìn)行基坑及圍堰的施工，減少了施工工序及難度，推薦采用。

2)對于采用水泥攪拌樁加固板樁的結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)尚無統(tǒng)一計(jì)算方法。水泥攪拌樁因加固范圍有限，不宜均按加固后的復(fù)合地基參數(shù)來計(jì)算板樁結(jié)構(gòu)。本文將水泥加固體假設(shè)為剛體考慮，推導(dǎo)了理論計(jì)算方法，從而較為實(shí)際地考慮了加固體的作用，避免過度考慮其作用而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)偏于不安全。

3)通過PLAXIS 軟件進(jìn)行分析，對于水泥攪拌樁加固方案，兩個(gè)方案都是可行的。其中方案1墻前加固方案，土體最大水平位移、板樁墻彎矩小于方案2 結(jié)果，拉桿拉力略大于方案2 結(jié)果，加固效果優(yōu)于方案2 墻后加固方案，最終采用方案1 墻前加固方案。