软土海堤工程堤身地基土综合处理技术研究

陈伟威

(东莞市横岗水库管理处，广东 东莞 523000)

0 引言

海堤软土地基的处理方法在施工中常见的有换土垫层法、抛石挤淤法、反压法、打桩法、排水井法、水泥搅拌桩法[1-3]等，作用即为改善堤防及排涝闸址存在的软土地基不良的地质问题。不管用什么方法，其处理的工艺都要因地制宜，根据当地工程地质与水文条件等的影响，从技术、经济、施工条件等多方面综合比较后确定出最为合理的技术方案[4-5]。

1 工程概况

工程区内地势低平，水网纵横，水塘、洼地密布。围内主要河涌有：东西向的一涌、二涌……二十涌及二十一内涌，均贯通蕉门水道与洪奇沥，另有若干条纵向河涌将一至十四涌串联在一起，一至十八涌东西均有水闸控制，十九、二十和二十一涌目前只建有西闸，东闸已规划或正在建设，纵向通外江的河涌也有水闸控制。

二十涌现状河道平均宽约84m，西侧涌口通过水闸连接洪奇沥水道，东侧涌口直接连通蕉门水道，为双向流动。目前河涌主要有排涝、引水等功能。两岸已经整治，现状为干砌石挡墙，堤顶高程在3.7～4.2 m之间，南北两岸均建有5.5 m 宽的碎石路，两岸原有的藕塘农田已建设为标准化鱼塘，通过鱼塘附近的引水渠道与二十涌连通。现状二十涌东涌口无水闸，西侧涌口原建有二十涌西闸，闸门3孔，总净宽为15 m。由于该水闸使用年限长，工程严重老化，不断暴露出许多威胁工程安全和妨碍工程发挥效益的问题，西闸现已完成重建设计，设计闸宽为24 m，闸底高程为-2.8 m。

工程防洪(潮)标准为50 a一遇，二十涌(内河涌)排涝标准为10 a一遇，24h暴雨1 d排干不成灾。外江堤防级别为2级，堤防穿堤建筑物(二十涌东水闸)工程等别为Ⅱ等。主要建筑物包括二十涌东水闸、左右岸连接堤、交通桥等级别为2级，内涌堤防为4级建筑物，其余次要建筑物包括水闸护底护坡等为3级建筑物。

2 场区工程地质条件

2.1 地形地貌

工程区河网纵横，属亚热带季风气候，地形开阔平坦。万顷沙外形轮廓呈三角形，东、南、西三面环水，系人工围垦河网平原，据了解已有数十年历史，周边少有农作物，主要为鱼塘，局部分布有渔民民房。

2.2 岩土特征

根据钻孔揭露连接堤基主要岩土层为：②1-1淤泥、②-2泥质粉细砂、③-1粉质粘土、③-2泥质中粗砂、④-1(全风化)粉砂岩、④-2(强风化)粉砂岩、④-3(弱风化)粉砂岩，具体描述如下：

②1-1河床淤泥：灰色、灰黑色，饱和，呈流塑状，无臭味，主要成分为粉粘粒，局部夹少量砂粒，底部夹较多贝壳，有粘性，切面较光滑。层厚约24～27 m，具弱透水性，分别连续且广泛。

②-2泥质粉细砂层：灰黄、灰白、灰色，饱和，稍密～中密状，主要成分为粉细砂，次为粉粘粒，局部含少量砾石，局部相变为含泥(泥质)中细(粗)砂。层厚约3.10～4.40 m，顶板高程-26.58～-25.68 m，属中等透水性，分布广且连续。

③-1粉质粘土：深灰、灰白色，硬塑状，主要成分为粉粘粒，土质不均匀，不间断夹薄砂层。层厚约13～15 m，顶板高程-36.88～-35.08 m，分布广且连续。

③-2泥质中粗砂：灰白色、浅灰色，饱水，中密～密实状，主要成分为中粗砂，颗粒级配一般，局部夹少量卵砾石。所有钻孔均有揭露，层厚约6.5～7.3 m，相应顶板高程约-52.20～-50.08 m。

④上第三系中新统紫红色粉砂岩，按风化状态分为全、强、弱风化岩，工程地质条件较好，埋深大于50 m。

堤防堤基土层主要为淤泥，承载力较低，压缩性较高，厚度较大，存在软土沉降及抗滑稳定问题。需进行地基处理提高承载力后方可作为堤防的基础持力层。地基处理方法可考虑水泥搅拌桩法。另外，为保证新、旧堤身连接较好，须将旧堤表层杂草、表层腐植土层清除干净后进行培厚加固施工。

2.3 水文地质条件

工程区雨量充沛、河网密布，地表水和地下水资源丰富。地下水主要含水层为第四系覆盖层的孔隙含水层和基岩中广布的裂隙含水层。孔隙含水层主要分布于冲积层的孔隙中，场区冲积层分布广、厚度大，含水量丰富，地下水主要接受大气降水的渗入补给或外围含水层的侧向补给。河水和地下水受潮流影响严重，尤其是后者直接影响着地下水补给、排泄。涨潮时河水位上涨，发生倒流，地下水位上升，退潮时河水位下落，地下水位亦下降。

①人工填土、②-2 泥质砂层和③-2 泥质中粗砂为工程区主要透水层，场地广泛分布，且连续，厚度大，含水量较丰富，勘察期间钻孔水位与河水位相近，说明场地地下水与河水保持较好水系联系。

地表水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性；地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。

3 堤基处理设计

工程基础坐落在淤泥层中，故对堤身地基的稳定性进行复核，以对复合地基处理进行研判。

3.1 堤防稳定计算

根据《海堤工程设计规范》(GB50286-2013)及《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)，由于该工程区域设计烈度为7度，闸室左、右连接段和外江堤防级别为2级，内涌堤防为4级，无需进行抗震计算。由于外江堤围断面取与整治后的断面相同，内涌堤防断面与外江堤围断面类似，但堤防高度较低，且安全系数要求较低，故外江堤防和内涌堤防是安全的，仅需进行闸室左、右连接段断面的稳定分析，计算工况见表1。

表1 稳定计算设计水位组合表

采用北京理正软件设计研究院《岩土工程系列软件》进行分析。采用瑞典圆弧滑动法的总应力法计算公式进行稳定计算分析，稳定渗流和骤降工况采用固结快剪指标。计算结果见表2。

表2 闸室左、右连接段抗滑稳定分析计算成果表

3.2 沉降计算

连接段要进行沉降计算，应包括堤顶中心线处堤身和堤基的最终沉降量，并对计算结果按地区经验加以修正。取用多年平均低潮位(-0.53 m)时的工况作为荷载计算条件。

按照《海堤工程设计规范》推荐的分层总和法采用地基各土层的e～p关系曲线计算最终沉降量；同时按照《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》(JTGTD31-02-2013 )计算不同时刻地基的沉降，即可计算得到各分级加荷下的沉降量与不同时刻的残余沉降量。

连接段为新填筑堤防，选取最大堤高断面进行计算。

沉降计算采用北京理正软件设计研究院《岩土工程系列软件》进行分析。

计算得堤顶中心线处地基沉降量，计算成果见表3。

表3 连接堤沉降计算成果表

施工中堤顶竣工验收高程应按此基准期最终沉降量扣除施工期沉降量后的预留超高考虑。

3.3 堤基处理

根据前述计算，连接堤的水位降落期和施工期的抗滑稳定不能满足要求，堤防沉降较大，需要对堤基进行处理，以提高地基承载力。

采用水泥搅拌桩进行地基处理，桩径选用 φ600 m，矩形布置，间距1.2 m×1.2 m。深层搅拌桩单根桩长应超过危险滑弧以下2 m。桩间土层承载力取50 kPa，根据《地质报告》中水泥土配合比设计成果桩身抗压强度取2 000 kPa，面积置换率须达到28.27%，需要水泥搅拌桩 536根。

根据上述堤防边坡稳定性分析，搅拌桩长取为18m。处理后强度指标： 对于施工期：C=22 kPa；φ=14°，稳定渗流和骤降工况：C=24 kPa；φ=18°。按照处理后强度指标计算的抗滑稳定安全系数Kc见堤防抗滑稳定分析计算成果表2，满足规范要求；处理后沉降计算结果见连接堤沉降计算成果表3。

3.4 桩基设计计算

3.4.1 单桩竖向承载力特征值计算

由于闸址地基土层中有机质含量较高，水泥搅拌桩单桩承载力取决于桩身抗压能力，则单桩承载力标准值按下两式计算，取小值：

Ra=ηfcuAp

(1)

(2)

式中：fcu为在标准养护条件下90 d龄期室内加固土试块(边长为70.7 mm的立方体)的抗压强度平均值(kPa)；取 2 000 kPa；Ap为桩的截面积(m2)；η为桩身强度折减系数，取0.25；up为桩的周长(m)；li为桩长范围内第i层土的厚度(m)；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值。可塑状态的粘性土取值为12～18 kPa；软塑状态的粘性土取值为10～15 kPa；淤泥质土取值为6～12 kPa；淤泥取值为4～7 kPa；a为桩端天然地基土的承载力折减系数，取值为0.4～0.6，承载力越高取值越低。qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值(kPa)；

经计算，单桩承载力Ra=141.37 kN，满足地基承载力要求。

3.4.2 水泥搅拌桩复合地基承载力特征值计算

复合地基承载力按下式计算：

(3)

式中：Ra为单桩承载力(kPa)；m为搅拌桩的面积置换率(%)；fsk为桩间土体承载力标准值，处理后桩间土承载力特征值(kPa)；β为桩间土承载力折减系数，当桩周土的承载力特征值的平均值不小于桩端土未经修正的承载力特征值时，取值范围为0.5～0.9，差值越大时取值越高；反之取值范围为0.1～0.4，差值越大时取值越低。fspk为复合地基承载力特征值(kPa)；

经计算，复合地基承载力可达159.3 kPa，满足地基承载力要求。

3.4.3 复合地基等效强度指标

根据《导则》，水泥搅拌桩复合地基的等效强度指标可按下式计算：

C=C1m+C2(1-m)

(4)

(5)

式中：m为搅拌桩的面积置换率；C1为搅拌桩桩身粘聚力，kPa；φ1为搅拌桩桩身内摩擦角，取1=20°～24°；C2，φ2为软土层粘聚力、内摩擦角，根据地勘报告取②1-1淤泥层天然快剪指标，C2=2 kPa，φ2=4.4°；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S1和桩周软土部分沉降S2之比，对填土，一般S1

按照处理后强度指标计算的抗滑稳定计算成果见表2，均满足要求。

4 水泥搅拌桩施工工艺

4.1 工艺流程

深层搅拌桩的桩深强度很大程度上取决于搅拌喷浆的均匀程度，结合工程特点与类似工程施工经验，采用“六搅五喷”的施工工艺作基础处理。其工艺如下：搅拌机搅拌下沉 → 搅拌机搅拌喷浆提升→搅拌机搅拌喷浆下沉 → 搅拌机搅拌喷浆提升 → 搅拌机搅拌喷浆下沉 → 搅拌机搅拌喷浆提升(设计桩顶以下10 m桩长范围内喷浆)→形成固结桩体。

4.2 深层搅拌桩施工

该工艺优点是施工工艺简单、设备国产较普及，一般的施工单位都能胜任，且施工振动小、无噪音和基本无污染；缺点主要是施工过程不易控制，施工质量不易保证，对土质中有机质含量、含水量比较敏感，桩长受到限制，一般不超过18 m[6-8]。施工步骤为：

(1)安装成桩设备，要求平整稳固，施工过程中避免晃动，桩架上须安装用于观测斜度与深度的设备。

(2)根据试验得到的水泥浆液配合比，以及固化剂与外掺剂的使用情况，还有设计桩长通过公式计算得出所需喷浆量，制备水泥浆液。

(3)搅拌机预搅下沉：该步骤施工过程中不允许冲水下沉。搅拌机预搅下沉期间按照要求观测加固区的沉降情况，做好加固区沉降变形情况的记录[9-10]。

(4)喷浆成桩：打开灰浆泵连续喷入水泥浆液。注浆泵的出口压力取决于输浆速度，需控制在0.4～0.6 Mpa之间，输浆速度与搅拌提升速度相等。浆液与出浆口持平后，喷浆座底半分钟。

(5)提升搅拌：桩顶设计标高接近地面标高时，要对桩头的施工质量进行检查，搅拌机喷浆搅拌接近地面时，降低搅拌速度，喷浆口与地面接近持平时，提升停止并进行搅拌，确保桩头密实均匀。

(6)成桩完毕：下沉与提升达到“六搅五喷”标准后打开灰浆泵将管路中残存的水泥浆清理完毕。

(7)桩体保护与桩顶开挖：施工完毕一个月后，人工开挖桩顶以上的半米覆盖层，严禁机械开挖。

5 结语

本文以某海堤堤围新建工程为例，针对堤基处淤泥及淤泥质土层承载力较低的问题，采取水泥搅拌桩地基基础处理。结果显示，采用桩径φ600 m，矩形布置，间距1.2 m×1.2 m水泥搅拌桩“六搅五喷”处理后，单桩承载力Ra=141.37 kN，复合地基承载力特征值fspk=159.3 kPa，均满足地基承载力要求，进行水泥搅拌桩处理后地基承载力有显著提升，可为质量评定提供参考，也为类似软土地区地基土处理提供了科学参考。