双排预应力桩在某堤防加固工程中的应用分析

钟伟莉

(广东祥实建设有限公司，广东 中山 528470)

1 工程概况

某堤防加固工程总长2.58 km，常水位1.5 m，开挖最小河底宽25.0 m，堤顶高程4.0 m；堤防加固工程结合水环境和水生态等进行景观设计。工程区河床和堤基主要地层为杂填土、淤泥、淤泥质土，淤泥质砂，淤泥、淤质土厚度1.2～13.5 m，地基土的物理力学性质较差，孔隙比较大、含水量高、压缩性大，抗剪强度低，稳定性差，河道开挖易引起河道岸坡滑移、塌岸等，堤防、建筑物基础易产生较大沉降和不均匀沉降。

工程所在地为城区，征地协调难度大，采用双排预应力桩+放坡堤岸型式进行加固。前排桩为C60混凝土预应力板桩(型号U-CS-550-Ⅲ)，板桩高0.55 m，板厚0.12 m，前排桩桩距1.0 m；后排桩为直径0.4 m的AB型PHC桩，桩距4.0 m，与前排桩排距3.0 m，PHC桩长16.0 m。前排桩桩顶与后排桩桩顶设C30钢筋混凝土承台，承台顶高程为2.0 m、总宽4.4 m，采用板梁结构，前排桩桩顶冠梁宽0.8 m、高0.8 m，后排桩桩顶冠梁宽0.8 m、高0.8 m，前后排冠梁每隔4.0 m设1条横梁，梁宽0.8 m、高0.8 m，承台顶板厚 0.3 m，承台除保证各桩形成整体体系外，还能为附近居民提供亲水空间；承台临水侧设花槽种植花草美化河道。

河底为淤泥层较深，采用格栅式搅拌桩进行河底加固，搅拌桩桩径Φ0.6 m，穿透淤泥层不小于2.0 m且桩长不小于2.0 m；格栅式搅拌桩墙体厚4.2 m，前后墙肢均为两排密排Φ0.6 m搅拌桩，间距0.45m、排距0.45 m，前后墙肢净距2.1 m；墙肋为两排密排Φ0.6 m搅拌桩，搅拌桩间距0.45 m、排距0.45 m，相邻墙肋间距2.1 m。

承台与堤顶之间放坡连接，坡比不陡于1∶3，堤顶高程4.0 m；堤岸坡面为水景观设计范围，水景观主要布置有观景挑台、创意装置、湿地生态岛、人行栈桥、广场平台、跌水净化池、湿地科普、湿地植物观赏、湿地游览栈道、配套设施等。

2 堤型选择

根据堤防设计原则，从地形、地质、占地、生态环境等多方面综合分析考虑，拟定两种堤防断面进行比选。即格栅式搅拌桩+缓坡堤岸方案和双排预应力桩+放坡堤岸方案。两种堤防断面各有其优点及局限性，两方案优缺点详见表1。

从表1可知，栅式搅拌桩+缓坡堤岸型式在河道形态、游憩功能、门户展示性、生态性等方面均有优势，并且造价较低，但该断面占地较大，适合在建设用地较宽阔的河段使用。但是对于建设用地限制较大的河段，为减少实施阶段的征地协调难度，保证工程按进度计划顺利实施，采用双排预应力桩+放坡堤岸方案较为合适。

表1 堤防断面方案优缺点对比

2 堤防渗流计算

依据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[1]，渗流计算主要是计算临水坡渗流出口比降，分析渗流对堤岸的破坏作用以及发生渗透变形的可能性。堤坡逸出段的渗流比降应小于允许比降；当出逸比降大于允许比降时，采取反滤、压重等保护措施。

(1)计算断面及参数。根据断面型式、地基、新增荷载情况，选择具有代表性的典型断面进行渗流稳定计算，按工程实际情况，典型断面选取用地受限的刚性桩支护河段。各土层渗流稳定计算参数见表2。

表2 各土层渗透系数

(2)计算方法。渗流计算的有限元基本方程见式(1)：

(1)

式中：[K]为透水系数矩阵；{H}为总水头向量；[M]为单元储水量矩阵；{Q}为流量向量；t为时间。

(3)计算工况。依据规范GB 50286—2013及《海堤工程设计规范》(SL 435—2008)[2]，渗流计算工况如下：

稳定渗流期：临水侧水位-0.16 m，背水侧水位3.00 m(堤顶以下1.0 m)。

水位骤降期：临水侧水位1.41 m骤降至-0.16 m，历时3.0 h，背水侧水位3.00 m(堤顶以下1.0 m)；临水侧水位2.68 m骤降至-0.16 m，历时9.5 h，背水侧水位3.00 m(堤顶以下1.0 m)。

(4)计算结果及分析。渗流坡降计算成果见表3。

表3 渗流计算成果

根据上表计算成果可知，典型断面的出逸比降均小于允许渗透比降，满足规范要求，堤身不会发生渗透破坏。

3 堤防结构计算

(1)计算断面。选取淤泥层较厚、堤后地面高程较高的断面作为典型计算断面，堤防结构计算典型断面见图1。

图1 堤防结构计算典型断面(单位：mm)

淤泥层属于欠固结土，采用三轴不固结不排水抗剪强度指标；填土层、淤质中细砂、泥质中砂和全风化砂岩采用饱和快剪指标；黏性土和淤质土采用三轴固结不排水抗剪指标。桩前格栅搅拌桩置换率m=0.65，搅拌桩处理区域淤泥层复合地基等效强度指标c=57.68 kPa，Φ=18.66°。

(2)计算结果及分析。采用U型板桩支护+格栅式搅拌桩加固，由于后排桩间距较大，且工程范围内基本为新堆填土，地质条件差，从安全考虑，按前排桩支护的单排桩模型计算，后排桩作为提高冠梁水平侧向刚度的措施。U型板桩规格为U-CS-550-Ⅲ型，板桩截面面积A=194 180 mm2，截面惯性矩I0=609 962×104mm4，截面抵抗矩W0=22 169 730 mm3，抗弯弯矩Mu=383 kN·m，剪力设计值V=307 kN。计算时，假定从桩顶至河底分两步开挖，桩后考虑20 kPa施工荷载。

(3)地表沉降计算成果、桩基内力位移计算成果见图2，本次设计选用弹性法。

图2 桩基内力位移

(4)嵌固稳定验算。第一步开挖嵌固稳定计算Kov=2.019;第二步开挖嵌固稳定计算Kov=1.484。

由计算结果可以看出，采用格栅式水泥搅拌桩基坑底部进行加固后，桩顶位移及地表沉降量均在合理范围，且抗倾覆安全系数满足规范要求。

4 堤防整体稳定计算

根据断面型式、地基、新增荷载情况，选择具有代表性的典型断面进行稳定计算。典型断面选取岸坡较陡、淤泥层较厚断面进行整体稳定计算。

4.1 基本资料

堤防级别为2级，水泥搅拌桩处理区域各土层复合地基等效强度指标[3]按式(2)～式(4)计算，各土层等效强度指标见表4。

c=c1m+c2(1-m)

(2)

tanφ=tanφ1m+tanφ2(1-m)

(3)

(4)

格栅水泥搅拌桩置换率m=0.65，28 d桩身单轴极限抗压强度根据《建筑地基处理技术规范》(GB 50007—2011)[4]各龄期淤泥水泥土试块抗压强度汇总表，选取单轴极限抗压强度为0.58 MPa，搅拌桩复合地基等效强度指标见表4。

表4 搅拌桩复合地基等效强度指标

4.2 稳定计算工况

正常运用工况：稳定渗流期。临水侧水位-0.16 m，背水侧水位3.00 m(堤顶以下1.0 m)，计算临水侧边坡；堤顶均布荷载采用10 kPa。

正常运用工况：水位骤降期。临水侧水位由1.41 m骤降至-0.16 m，历时3 h，背水侧水位3.0 m(堤顶以下1.0 m)，计算临水侧边坡；堤顶均布荷载采用10 kPa。

正常运用工况：水位骤降期。临水侧水位由2.68 m骤降至-0.16 m，历时9.5 h，背水侧水位3.0 m(堤顶以下1.0 m)，计算临水侧边坡；堤顶均布荷载采用10 kPa。

非常运用工况Ⅰ：施工期。临水侧水位取河底高程，背水侧水位3.0 m(堤顶以下1.0 m)，计算临水侧边坡；堤顶均布荷载采用20 kPa。

非常运用工况Ⅱ：地震。临水侧水位2.66 m，背水侧水位3.0 m(堤顶以下1.0 m)，计算临水侧边坡；堤顶均布荷载采用10 kPa，地震动峰值加速度取0.10 g。

(3)稳定计算方法。依据规范GB 50286—2013及规范SL 435—2008的规定，计算方法采用瑞典圆弧法进行整体稳定计算，整体稳定计算见式(5)。

K=

(5)

式中：K为稳定安全系数；C′为土条底面的强度指标，kPa；b为土条宽度，m；β为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)；W1为条块湿重力，kN；W2为条块浮重力，kN；u为孔隙水压力，kPa；Z为堤坡外水位高出条块底面中点距离，m；γω为水的重度，kN/m3；Φ′为土条底面的强度指标，(°)；Z′为浸润线高出条块底面中点距离，m。

整体稳定分析对稳定渗流期、水位骤降期和地震工况采用有效应力法，对施工工况采用总应力法。淤泥层属于欠固结土，其稳定计算强度指标根据规范采用三轴压缩剪切试验中的不固结不排水强度指标；填土层、黏土层、淤质中细砂、泥质中砂和全风化砂岩所采用的是饱和快剪指标。

(5)计算成果分析。各工况堤防整体稳定安全系数计算成果见表5。

表5 整体稳定计算成果

由计算结果可看出，各工况下堤防临水侧边坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求。

5 结 语

进行堤防加固工程设计时，结合环境景观工程，尽量减少对地理环境的影响，与自然环境相协调。以人为本，降低河岸，提供人与水亲近、交流的平台，保留当地的文化特征和民俗风情。根据堤防设计原则，从地形地质条件、占地条件、生态环境等多方面综合分析考虑，采用双排预应力桩可减少工程占地范围、减少土石方工程量、减轻弃渣场及征地的协调难度、提高施工效率，改善工程进度滞后等问题。此外，双排预应力桩完工后，成桩整体美观性好，能满足水环境、水生态、自然和谐美观等需要，在长线路带状工程的设计中具有较大的推广运用价值。