水泥搅拌桩加固堤防工程的设计及优化
2012-10-13郭涛
郭 涛
（广东省公路建设有限公司，广东 广州 5106001）
水泥搅拌桩加固堤防工程的设计及优化
郭 涛
（广东省公路建设有限公司，广东 广州 5106001）
工程安全是工程设计时优先考虑的因素，必须满足《堤防工程设计规范》所规定的最低要求.某堤防工程在施工阶段为了满足度汛的要求，填筑碎石于堤脚，形成了一级加固平台，改变了原有设计的基础条件.本文在确保桩体强度达到0.5MPa基础上，对加固方案进行了设计和优化，将沿堤防横向的6排桩改为5排，沿堤防纵向桩间距由1.25m改为1.5m，取得了良好的经济效益.
水泥搅拌桩；堤防工程；方案设计优化
1 引言
随着我国经济和社会快速发展，一些原不被重视，受潮水淹没地区逐渐纳入市政规划范围.但原有的堤防工程由于设计标准偏低，且年久失修，造成水涝灾害的损失逐年增加，给地区经济发展带来严重的影响.为此，某沿海城市对原海堤工程进行加固加高.
由于水泥土搅拌桩经济性和适用性，在我国公路工程和堤防工程等领域中得到广泛应用[2,3]，设计采用了水泥土搅拌桩对原堤防地基进行加固处理.
施工期间，由于汛期突遇海文大潮，施工被迫终断.复工后，监测发现部分加固后的堤防出现局部滑坡，承包商及时于堤脚填筑碎石，形反压平台，堤防的抗滑安全系数有了一定提高，为了取得经济适用的堤防加固效果，本文对加固方案进行了重新设计和优化.
2 搅拌桩方案设计
水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土等软弱地基.由水泥与土搅拌形成的水泥土搅拌桩，与周围土体形成承受竖向荷载的复合地基.深层搅拌桩的设计主参数为：置换率、桩长、水泥掺入量.具体设计如下：
2.1 搅拌桩设计
水泥搅拌桩桩径为55cm.根据地勘报告发现，海水可直接补给海堤内地表水及地下水.由于海水中溶有大量硫酸根离子，可与水泥发生反应形成对水泥土具有侵蚀结晶体，造成水泥土搅拌装体开裂、崩解从而丧失强度，因此设计采用了矿渣或普通硅酸盐水泥，标号大于等于42.5，使水泥土中产生的膨胀结晶体的数量控制在一定范围内，以提高水泥土的抗侵蚀性能.
2.2 桩长设计
实践证明，水泥土搅拌桩装底穿透软弱土层嵌入强度相对较高的持力层，形成桩端阻力，桩的沉降量将显著减小.
该堤防工程地基于淤泥层之下（埋深10m左右）有性质良好、层位稳定且厚度较大的积粘土层，可作为水泥搅拌桩复合地基的底持力层.因此，为避免桩体“悬浮”，选取下卧粘土层为桩体持力层，设计桩体深入粘土层1.0m，桩底平均高程-12.0m；桩顶高程为原堤顶标高，设计桩长15.0m.
2.3 置换率m计算
考虑施工因素，水泥搅拌桩仅布置于堤防顶范围内，参照以往布设经验，布置为：垂直于堤防轴线方向间隔1.0m布设1根，即共6排；沿堤防轴线方向间隔1.5m设一排，桩位呈矩形布置，如图1所示（单位:mm）.
根据水泥搅拌桩的布置，桩土置换率m则为：
2.4 水泥掺入量计算
当使用普通硅酸盐水泥作为加固材料，在其它条件不变时，在同一土层中水泥掺入量不同，水泥土强度也不同.根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）[4]，水泥搅拌桩中水泥掺入比一般采用被加固土重的7%～18%，考虑海堤荷载较大，上部淤泥土承载力小，含水量大，取水泥掺入比的上限18%，计算得每延米水泥掺入量为80kg.
2.5 桩承载力计算
单桩竖向承载力特征值Ra取决于桩身水泥土的强度和所加固的桩间土的性能两个指标.桩体水泥土不同于土，因它掺入了水泥，对土进行了改性.桩体水泥土强度主要与水泥掺入比、被加固土的物理力学性质及成桩龄期三个因素有关.它的大小影响搅拌桩的单桩承载力，因为承载力应满足桩体强度要求，不致在荷载作用下桩身被压破裂.由此可确定桩身被压不致破裂的承载力，即桩身结构承载力：
式中：fcu——与桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；
η——桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.30；湿法可取 0.25～0.33；
Ra——单桩竖向承载力特征值；
Ap——桩的截面积.
单桩承载力是由桩侧摩阻力和桩端阻力提供的，即土对桩的支承力[2]：
式中：qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值；
μp——桩的周长（m）；
n——桩长范围内所划分的土层数；
li——桩长范围内第i层土的厚度（m）；
α——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，承载力高可取低值；
qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa），按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB-5007）的有关规定确定.
式(3)确定的单桩承载力应满足在上部建筑物荷载作用下，桩不致产生过大的沉降变形.设计时，式(2)和(3)确定的承载力应相匹配，使得桩侧摩阻力及桩端阻力充分发挥的同时，桩体强度也得到充分发挥，即应满足：
这样可保证桩体强度在满足竖向承载力要求的条件下得到充分发挥，不因桩体强度过大而超过承载力要求，造成材料浪费；或桩体强度过低不满足承载力要求，影响堤防安全.
单桩竖向承载力特征值应采用现场载荷试验确定，无载荷试验数据时，搅拌桩单桩承载力标准值取式(2)和(3)中的较小值.
因未做搅拌桩室内水泥土试块试验，根据规范规定，计算时参照（3）式进行水泥土桩的单桩承载力计算.根据（3）式，Ra=180kPa，考虑到实际施工中各种因素的影响，设计强度应予以折减60%～70%，所以取单桩承载力标准值为：Ra=160kPa.
2.6 复合地基承载力的计算
根据规范，搅拌桩复合地基承载力计算公式是：
式中：fsp,k——复合地基承载力特征值（kPa）；
fs,k——桩间天然地基土承载力特征值（kPa）；
m——桩土面积置换率；
β——桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.5～1.0；桩端土为硬土时，可取0.1～0.4；当不考虑桩间软土的作用时，可取零.
复合地基承载力值为：
满足上部荷载承载要求.
海堤加固加高原有加固方案典型剖面图见图2.
3 堤防加固设计方案优化
由于搅拌桩在施工过程中对淤泥产生扰动，淤泥的强度参数降低，从而使堤防在施工过程中出现局部失稳情况.决定在堤外侧再做两级反压平台，在确保海堤稳定的情况下进行搅拌桩施工.
通过室内配合比试验和现场施工工艺试验，施工工艺由原四搅两喷改为四搅四喷，显著提高了桩体中水泥的均匀性.经检测桩体的无侧限抗压强度可确保在0.5Mp以上，复合地基竖向承载力达到186kPa以上.
鉴于上述两方面因素，对水泥搅拌桩的布置进行了优化设计，以提高经济性.经优化，水泥搅拌桩由6排改为5排，横向间距为1.25m，纵向间距为1.5m，同时设计要求桩体的无侧限抗压强度不小于0.5MPa，桩长打穿淤泥入粉质粘土0.5m.优化后的断面图见图3，桩位见图4.
4 优化后堤防加固稳定性分析
为验证方案的合理性，对优化后的设计方案采用有限元法进行稳定性计算.
对水泥搅拌桩采用“均质化”处理[5,6]，即根据强度等效原理，把水泥搅拌桩和桩间土等效处理为强度“均质复合体”，把桩体强度均匀的“弥散”到整个加固区中，有限元法计算中网格的划分不考虑桩的存在.堤身处理前后加固区的地质参数和土体等效参数见表1.采用摩尔－库仑本构模型.
经计算得安全系为1.545，满足Ⅰ级海堤正常运用条件下最小安全系数不小于1.3的要求[7]，而经济方面，节约了工程造价约20～30%，经济效益明显.
表1 水泥搅拌桩加固区的土体等效参数
〔1〕宁宝宽,陈四利,刘斌.水泥土搅拌桩的加固机理及其应用[J].西部探矿工程,2005（6）：26-28.
〔2〕杨少华,徐立新,张继尧.粉体喷射水泥搅拌桩在高速公路桥头软土地基处理中的应用研究[J].公路,2003（2）：57-65.
〔3〕蒋小蒲，王建华.水泥搅拌桩在防洪堤地基处理中的应用 [J].浙江水利水电专科学校学报,2002,14（2）：19-20.
〔4〕建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
〔5〕周建民，丰定祥，郑宏.深层搅拌桩复合地基的有限元分析[J].岩土力学，1997，18（2）：45-51.
〔6〕秦建庆，孟杰武.考虑土的非线性的水泥土桩复合地基特性分析[J].岩土力学，1998，19（3）：54-58.
〔7〕堤防工程设计规范（GB 50286－98）[S].北京：中国计划出版社，2002.
U675
A
1673-260X（2012）05-0049-03
