水泥土搅拌桩在珠江堤防地基处理中的应用

2021-05-31代长贤

广东水利水电 2021年5期

代长贤，程怡，蒋雷

(1.广东珠荣工程设计有限公司，广东广州 510610；2.广州市水电建设工程有限公司，广东广州 510699)

水泥土搅拌桩是由固化剂(水泥)与软土搅拌形成的固结体[1]，用于复合地基提高承载力和减少沉降、软土加固、基础防渗工程等[2-5]；珠江三角洲软土多具备含水量高、抗剪强度低、压缩性高、承载力低、高灵敏度等特征[6]，土层结构易受破坏，容易产生软土滑动破坏现象；珠江堤防仍存在砼框架码头和钢筋砼或砌石挡墙等型式，部分堤段现已破损严重，堤脚冲刷严重，堤岸杂草丛生，堤防防洪标准偏低、凌乱无序，影响珠江两岸防洪、城市景观和市民亲水需求[7-8]；新建堤岸断面宜斜则斜，应优先采用斜坡式复合式等自然形式的生态堤岸[9]。

本文以广州市珠江堤防大学城南岸二期加固设计为例，在堤基存在厚软土层条件下，选取水泥土搅拌桩复合地基处理方式，计算分析了复合地基承载力、桩土复合层抗剪强度、堤身抗滑稳定、堤基沉降等内容，分析各项检测资料结果，表明设计参数选取基本可信，搅拌桩复合地基处理方式在混合式堤防堤基处理中合理可行，以供类似工程建设参考。

1 工程概况

1.1 工程设计方案

工程位于广州市番禺区沥滘水道，采用预制沉箱+水泥土搅拌桩复合地基的斜坡混合式方案作为护岸结构(见图1)。沉箱为钢筋砼结构，箱内回填中粗砂，沉箱外侧高程0.5 m以下采用抛石护脚，沉箱底高程为-0.5 m，地基为水泥土搅拌桩复合地基。沉箱顶设亲水平台，平台高程为2.0 m，宽为3.0 m；亲水平台以上1:3放坡至堤顶，坡面采用三维土工网草皮护坡；堤顶高程为4.0 m，堤顶设宽8m的防汛道路，路面为水泥砼路面，临水侧设石材栏杆，栏杆高为 1.1 m；堤防背水坡坡比为1:3，设草皮护坡，坡脚设纵向排水沟。

亲水平台下沉箱结构稳定计算显示地基承载力特征值需达到75 kPa，本区域软土层天然地基承载力为40 kPa，不满足沉箱基础的承载力要求；堤身整体稳定安全系数在正常运行条件下需按1级堤防要求的1.30控制[10]。

1.2 地质条件

图1 堤防典型设计断面示意

淤泥、淤泥质粉质粘土等软土天然含水量高，孔隙比大，压缩系数较大，具高压缩性，在上部荷载的作用下，易导致堤基沉降变形过大，影响建筑物的正常使用，天然地基承载力特征值最低仅40 kPa，不满足沉箱基础的承载力需求。

2 地基处理

2.1 地基处理设计

地基处理选用水泥土搅拌桩复合地基，桩径为 0.60 m，近外江侧第一排搅拌桩采用密排，桩间距为0.45 m，除此之外其他搅拌桩采用正三角形布置，间距为1.25 m，范围为堤脚沉箱前后缘各一倍沉箱宽度，桩体穿透淤泥及淤泥质粉质粘土层，桩长为10.7 m，顶部设0.3 m厚碎石垫层。

2.2 复合地基承载力计算

根据《广东省海堤工程设计导则》[11]及《建筑地基处理技术规范》[12]计算复合地基承载力，计算公式如下。

1)单桩竖向承载力特征值可取以下两公式计算值的较小值：

(1)

Ra=ηfcuAp

(2)

式中fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块抗压强度平均值，1 500 kPa (水泥土试验强度不低于1.5 MPa，水泥掺入比约为18%)；up为桩的周长，1.88 m；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值。对淤泥可取4～7 kPa，对淤泥质土可取6～12 kPa；li为桩长范围内第i层土的厚度，m；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值，取120 kPa；αp为桩端天然地基土的承载力发挥系数，取0.4；η为桩身强度折减系数，取0.25。

经计算，搅拌桩单桩竖向承载力特征值取为106 kN。

2)搅拌桩复合地基承载力特征值按下式计算：

(3)

式中λ为单桩承载力发挥系数，取0.9；fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率，0.21；Ra为单桩竖向承载力特征值，106 kN；Ap为桩的截面积，0.283 m2；β为桩间土承载力发挥系数，取0.4；fsk为桩间土承载力特征值，40 kPa。

经计算该段桩径600 mm，置换率为21%，单桩截面积为0.28 m2，桩距为1.25 m×1.25 m三角形布置，复合地基承载力特征值为86.4 kPa，满足上部结构基础需求。

2.3 堤身抗滑稳定计算

1)基本资料

堤后地面高程与堤顶高差较小，仅需对临水侧边坡进行稳定计算(各地基土分层及物理力学性质指标见表1)。

表1 岩(土)物理力学指标建议值 kN/m3

2)桩土复合加固区抗剪强度指标计算

其中桩土复合加固区的强度指标，计算如下：

① 桩土复合加固区等效强度指标计算

c=c1m+c2(1-m)

(4)

(5)

式中m为面积置换率；c1为搅拌桩桩身粘聚力，kPa；φ1为搅拌桩桩身内摩擦角，取20°；c2为软土层粘聚力；φ2为软土层内摩擦角；K1为搅拌桩的刚度，kN/m；K2为桩周软土部分的刚度，kN/m；β为桩的沉降S1和桩周软土部分沉降S2之比，取0.5。

② 搅拌桩桩身粘聚力可按下式确定：

(6)

式中fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块立方体抗压强度平均值，取800 kPa；η为桩身强度折减系数，取0.25。

③ 搅拌桩及桩周软土刚度可按下式确定：

(7)

(8)

式中k1为搅拌桩桩顶土层的刚度，kN/m；k2为搅拌桩桩身的压缩刚度，kN/m；k2为搅拌桩桩底土层的刚度，kN/m；K1为搅拌桩的刚度，kN/m；K2为桩周软土部分的刚度，kN/m；A1为搅拌桩截面积，m2；A2为桩周土截面积，m2；E′为桩顶土层的变形模量，kPa；d为搅拌桩直径，m；μ为泊松比，可取0.3；Ep为搅拌桩的压缩模量，可取(100～120)fcu，kPa；l为搅拌桩桩长；E″为桩底土层的变形模量，kPa；ω为形状系数，取0.79；Es为桩间土的压缩模量，kPa。

桩土复合加固区换算的抗剪强度为：c=19.4 kPa、φ=13.6°。

3)稳定计算方法

考虑堤基主要滑动面位于软土层，本工程采用了《堤防工程设计规范》[10]中推荐的瑞典圆弧法，计算公式如下：

(9)

式中W为土条重量，kN；u为作用于土条底面的孔隙水压力，kN/m2；α为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，°；b为土条宽度，m；c′、φ′为土条底面的强度指标，kPa、°。

整体稳定分析施工期和水位降落期采用总应力法，稳定渗流期采用有效应力法。经有限元计算(见表2、图2及图3)，水泥土搅拌桩进行地基处理后，各工况下堤防整体稳定安全系数均满足规范要求，安全储备量有所增加，可见搅拌桩复合地基处理对堤防整体稳定是有利且必要的。

表2 堤防整体稳定计算成果

图2 堤防整体稳定计算示意(水位骤降工况—原状堤基)

图3 堤防整体稳定计算示意(水位骤降工况—桩土复合堤基)

2.4 堤基沉降计算

按均布荷载75 kPa分别作用在边长为1.2 m的承压板和宽度为3.0 m的条带上取结构底面作用中点考虑，当附加应力σz为地基自重应力σB的1/10时[10]，压缩层厚度为3.0 m和8.8 m，本例桩长10.7 m，因此可按桩土复合层的压缩变形量作为地基设计沉降量，计算公式[1]如下：

(10)

Esp=mEP+(1-m)ES

(11)

式中S为计算沉降量，m；PZ为桩土复合层顶面附加压力，75 kPa；PZL为桩土复合层底面附加压力，5.4 kPa和13.5 kPa；L为计算压缩层厚度，3.0m和10.7 m；m为面积置换率，0.21；EP为搅拌桩的压缩模量，可取(100～120)fcu，150 000 kPa；ES为桩间土的压缩模量，2 270 kPa (Es100-200)。

计算得荷载板理论沉降量为3.64 mm，工程设计沉降量为14.3 mm。

3 检测资料分析

工程实施期间，水泥掺量为18%，期间进行了桩体抽芯强度检测、单桩静载荷试验和复合地基静载荷试验(正方形承压板边长b=1.2 m)，共抽取了6根桩芯进行了强度检测，试验结果显示平均桩身强度fcu28=1.17 MPa，换算fcu90=1.89 MPa，满足工程需求。由于桩体均为工程桩，单桩静载试验及复合地基静载荷试验采用非破坏试验方式检测，p～s试验结果均值分别如图4～5所示。

图4 单桩静载荷试验示意

图5 复合地基静载荷试验示意

根据增强体单桩静载荷试验要点[12]，单桩承载力极限值大于210 kN，满足单桩承载力要求(见图4)；根据复合地基静载荷试验要点[12]，荷载—沉降曲线为光滑曲线，本工程设计承载力75 kPa时，静载荷试验沉降量s≈3.84 mm=0.0042b<0.008b(见图5)，理论沉降量与试验沉降量较为吻合，表明地基承载力和沉降均能达到或超过设计指标。采用桩身强度换算得到桩土复合加固区抗剪强度为c′ = 26.2 kPa、φ′ = 14.1°，与桩土复合加固区换算得到的指标相近，水位骤降工况下堤身整体稳定安全系数为1.40 > 1.33，超过规范[10]指标。本段堤防现已基本完工，运行状态良好。