岸线结构软基处理方案优化计算

2010-05-31田义升

东北水利水电 2010年4期

田义升

（中国水电十三局国际部，山东德州253009）

1 概述

中国水电建设集团卡塔尔鲁塞场地准备项目中，根据合同文件及技术规范的有关规定，对海岸线结构物基础为海成泥的软基进行置换处理。根据项目实际情况，须对淤泥基础大开挖，施工难度大且项目成本高。另外，基础大开挖对该区南部边界现有防浪堤稳定带来不利影响，存在较大安全隐患。项目技术人员经深入分析计算，综合考虑，建议业主及咨询改换水泥土深层搅拌桩地基加固处理。结果证明，采用此软基处理方法，确保了工程质量，降低了工程造价，加快了工程进度。

深层水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部将软土和固化剂强制拌和，利用固化剂和软土之间产生的物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂等地基，加固深度可达20m。当地基土的天然含水量小于3%、大于70%或地下水pH值小于4时不宜采用。

2 设计计算

根据项目标书文件《岩土解读报告第1卷》，地基土pH=7.8，不会给混凝土耐久性带来破坏性影响。因此，可采用水泥作为固化剂的水泥土搅拌法对地基进行处理。固化剂宜选用强度等级为32.5级及以上的普通硅酸盐水泥。海成泥平均天然含水量为31%，应采用湿法，即深层水泥搅拌法。

为确定与地基土加固相适应的水泥品种、标号和水泥掺入比，预先进行水泥土室内配比试验。水泥掺量宜为12%～20%，水泥浆水灰比选用0.45～0.55。外加剂可根据工程需要和土质条件选用早强、缓凝、减水等作用的材料，避免污染环境。

根据该工程特点，选定2A区南端138号钻孔地质报告作为设计计算的基本资料。

138号孔资料显示：上层海成沙（MSD）层较薄，约3m；其下软弱的海成泥（MSI）层较厚，约6m，以下为风化灰岩（WSL）。

2.1 设计方案

填筑区进行深层水泥搅拌桩施工，海成泥土层内注浆搅拌，海成沙地层采用原设计方案挖除、置换。水泥搅拌桩初步拟定桩长7m （有效桩长6m），桩径φ500mm，桩距1.5m，置换率8.7%。

2.2 方案优化设计计算

（1）搅拌桩单桩竖向承载力设计计算。单桩竖向承载力标准值通过现场单桩载荷试验确定，也可按式（1）和式（2）进行计算，取其中较小值。

式中 Ra—单桩竖向承载力标准值，kN；fcu—与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长70.7mm的立方体）的90d龄期的无测限抗压强度平均值，kPa，按照国内经验取2200kPa；AP—桩的截面积，取0.196m2；η—桩身强度折减系数，湿法可取0.25～0.5，该工程取0.4；qsi—桩周第i层土的侧阻力，淤泥可取4～7kPa，淤泥质土可取6～12kPa，软塑状态的粘性土可取10～15kPa，可塑状态的粘性土可取 12～18kPa，该项目暂取 10kPa；UP—桩周长，1.571m；li—桩长范围内第i层土的厚度，m；qp—桩端天然地基土承载力标准值，根据实测资料取1000kPa；α—桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，该工程取0.5。

根据式（1），（2）则

取小值 Ra＝172.8kN。

（2）搅拌桩复合地基设计计算。竖向承载水泥土搅拌桩复合地基的承载力应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定。初步设计可用式（3）估算。

式中 fspk—复合地基承载力标准值，kPa；m—面积置换率，0.087；Ap—桩截面积，取 0.196m2；fsk—桩间天然地基土承载力标准值，根据平均标贯击数，取50kPa；β—桩间土承载力折减系数（当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力的平均值时，可取0.1～0.4，差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力小于或等于桩周土的承载力的平均值时，可取0.5～0.9，差值大时或设置褥垫层时均取高值；当不考虑桩间软土的作用时，可取零），该工程取0.4；Ra—单桩竖向承载力标准值，根据计算为172.8kN。

即，海成泥（MSI）层地基载力标准值为50kPa，通过上述地基处理后，复合地基承载力标准值可达到94.8kPa。

（3）搅拌桩复合地基沉降验算。该工程中，搅拌桩复合地基的变形包括桩顶高程以上土的压缩变形s1、搅拌桩复合土层的平均压缩变形s2与桩端下未加固土层的压缩变形s3：

①桩顶高程以上土（MSD）的压缩变形s1：

式中 s1—地基最终变形量，mm；ψs—沉降计算经验系数，取0.9；P0—基础底面处的附加压力，取72kPa；Es—基础底面下土的压缩模量，取 15MPa；z2，z1—基础底面至本层土底面、顶面的距离，z2=3m，z1=0m；a2，a1—基础底面计算点至本层土底面、顶面范围内平均附加应力系数，根据本工程大面积地面荷载作用的特点，按15m宽条形荷载作用计算附加应力系数，a2=0.993，a1=1。

②搅拌桩复合土层压缩变形s2：

式中pz—搅拌桩复合土层顶面附加压力值，pz=72×0.977=70.3kPa；pz1—搅拌桩复合土层底面附加压力值，pz1=72×0.755＝54.4kPa；Esp—搅拌桩复合土层压缩模量，Esp＝0.087×220000+(1-0.087)×1500=20500kPa；Ep——搅拌桩压缩模量，取（100～120）fcu（kPa），对桩较短或桩身强度较低者取低值，反之取高值，220000kPa；Es—桩间土的压缩模量，取1500kPa；m—面积置换率，取 0.087。

③桩端下未加固土层压缩变形s3。该工程桩体打到 WSL 层，则 s3＝0。

④复合地基的变形s。s=s1+s2+s3=12.9+18.2+0=31.1mm。

⑤地基不进行处理，海成泥（MSI）层可能的压缩变形 s2′。

式中 s2′—海成泥（MSI）层最终变形量，mm；ψs—沉降计算经验系数，取1.0；P0—基础底面处的附加压力，取72kPa；Es—基础底面下土的压缩模量，取1.5MPa；z2，z1—基础底面至本层土底面、顶面的距离，z2=9m，z1=3m；a2，a1—基础底面计算点至本层土底面、顶面范围内平均附加应力系数，a2=0.915，a1=0.993。