打松木桩抛石在乾江围海堤护脚基础加固中的应用

2023-11-11靳志欢

广西水利水电 2023年5期

靳志欢

（广西北海市海河堤管理所，广西北海 536000）

乾江围海堤全长16.724 km，按20 a 一遇防洪（潮）标准标准设计，堤身断面型式采用单一斜坡土堤，坡脚设有护脚挡墙。桩号0+000～11+570 段堤防工程主要是对周江感潮段左岸的旧堤进行加固，旧堤堤身宽4～8 m，标准海堤堤身宽18 m 左右，内外护脚挡墙较旧堤向两侧横向位移5～7 m，大多延伸至浅滩乃至河床内，加之工程区内河网密布，潮汐冲刷流速较快，鱼、虾塘众多，地层岩性以淤泥等松散土层为主，岩性较杂，变化频繁，因此需要根据实际地形情况对堤防挡墙护脚采取加固措施。对以软土层为主的护脚挡墙基础采用打松木桩和抛石的方法进行处理，切合实际，起到了很好的加固作用。

1 堤防工程地质特征

1.1 地形地貌

工程区位于北部湾北面的海积漫滩地貌、河口三角洲地貌及河流冲积阶地地貌相互汇的区域，场区地面标高-1～5 m，地势向南往北部湾微倾斜。场区东面与南康盆地边缘呈渐变过渡关系，西面与南流江冲积平原相接，南部与北部湾滩涂相邻。工程区内河网密布，鱼、虾塘众多，植被较为发育，多为竹丛、灌木及杂草，海岸滩涂区则分布有一些红树林。

1.2 地层岩性

工程区出露的地层岩性以松散土层为主，岩性较杂，变化频繁。根据时代成因主要有：

（1）泥盆系中下统桂头群（D1-2gt）砂岩，出露于堤防工程区中部氮肥厂一带。

（2）第四系下更新统湛江组河湖相沉积层（Q1z）黏土、中粗砂、砾砂土层，主要出露于堤防工程区南部及东面。

（3）第四系中更新统北海组（Q2b）含黏性土中粗砂、含黏性土圆砾，主要工程区东面。

（4）第四系全新统早期河流冲积层（Q41 al）黏土、含砂质黏土、淤泥质土、淤泥质中砂、中粗砂、圆砾等土层，主要出露于工程区北段。

（5）第四系全新统早期泻湖沉积（Q41ml）黏土、粗砂土层，主要分布于堤防中、南段的东面。（6）第四系全新统中期三角洲沉积（Q42 mal）含砂质淤泥、淤泥质中砂、含贝壳粗砂砾砂土层，主要出露于堤防北段以西。

（7）第四系全新统现代海相沉积（Q42m）中细砂、砾砂土层，含少量贝壳碎片，主要出露于堤防南段西侧。

在桩号0+000～11+500（即感潮段）内沿堤线取90 个剖面进行分析，揭露的岩土层依据成因类型、物质组成及工程地质特性自上而下分为10层，其中表层为①填筑土（旧堤土）等人工填土，③～⑥层为第四系全新统早期河流冲积层（Q41al）。按堤线范围岩性特征，参照《堤防工程地质勘察规程》（SL 188-2005）附录C“堤基地质结构分类”，堤基地质结构分类为一般为双层结构（Ⅱ）类型。

各岩土层特征及部分物理力学指标见表1。

表1 各岩土层特征及部分物理力学指标

堤防迎水面至堤轴线出露地层典型断面见图1。

图1 堤防迎水面至堤轴线出露地层典型断面图

1.3 水文地质条件

堤防沿线地表水体主要有河流、河沟、鱼塘及虾塘等。堤防西侧为周江，周江河床宽40～100 m，水位受潮汐影响明显；河沟分布在堤防东侧，流向自东向西经排水涵闸及沟渠排入周江，水位受季节性影响较为明显；鱼塘及虾塘多分布在堤防东侧。海堤沿线河沟水的化学类型与海水相同，说明其与海水有较强的水力联系，已被海水污染，但仍具有淡水特征。根据区域地层岩性及地表河网分布，工程区地表水直接补给地下潜水。在揭露的土层中，①填筑土、③黏土、③1淤泥质土、③2淤泥质中砂、⑦黏土质砂及⑧强风化砂岩层均为弱透水局部含水土层；④级配不良粗砂、⑤级配不良砾、⑥含细粒土粗砂为强透水土层，富含地下水。海堤沿线地下水位埋藏较浅，水位埋深1.20～5.00 m，不同地段地下水位的变幅与季节性、潮汐及鱼塘、虾塘蓄水程度关系密切，变幅多在1.00～2.50 m。本感潮段沿线河沟水与地下水均对普通水泥混凝土结构具有弱～中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。

1.4 地质条件评价和建议

1.4.1 地质条件及评价

（1）堤基地质土层岩性中，①1素填土、③1淤泥质土、③2淤泥质中砂为软土，属高压缩性土层，沿线多有分布，由于软土抗剪强度低、渗透性微弱、排水固结缓慢，对堤基的抗滑及承载力稳定性有较大的影响，尤其是③1淤泥质土呈软塑状，属饱和软黏土，力学强度低，渗透性小，具高压缩性，在基础地层中大范围分布，不宜直接作为堤防的地基基础持力层；其余岩性土层均为良好的地基基础持力层及下卧层。根据《堤防工程地质勘察规程》（SL 188-2005）附录E.1“堤基工程地质条件分类”判别，堤基工程地质条件分类以属B类（即工程地质条件较好类）为主，部分堤段（占总长25%）属C 类（即工程地质条件较差类）。

（2）堤基各岩土层抗冲刷流速建议值（水深≥3 m）：①填筑土（旧堤土）、③黏土：0.80～0.90 m/s；③1淤泥质土：0.20～0.25 m/s；③2淤泥质中砂：0.30～0.40 m/s；②、④、⑥、⑦各砂层：0.70～0.80 m/s。

堤基岩性以砂土和砂砾石层为主，土层结构松散，抗冲刷能力差，影响堤防工程的稳定。当遇到较急水流冲刷、侵蚀，特别是周江在设计潮洪组合洪峰流量下的水流流速为3.50 m/s 左右，远高于上述堤基土层抗冲刷流速建议值的情况下，极易造成堤防工程破坏。因此应采取有效的保护措施，防止河（潮）水的冲刷和掏空。

1.4.2 建议

当③1淤泥质土、③2淤泥质中砂作为堤脚基础持力层或下卧层时，为提高其承载力、摩擦系数及整体稳定性，建议采用打松木树根桩进行加固。位于河床处的护脚挡墙，为防止水流淘空基础，墙外应抛填石块以增强其抗倾、抗滑和抗冲刷稳定性。

2 工程布置

该海堤工程堤轴线起始于双江桥左岸桥头下游侧，沿周江左岸而下至水儿闸右侧止为感潮段，长11.57 km；临海段起于水儿闸沿廉州湾海岸延伸至戏水乐园止，长5.154 km。全长16.724 km，按堤路结合布置。堤身断面型式为单一斜坡土堤，外坡坡比为1∶1.75，坡脚设C20 砼护脚挡墙，墙高2.5 m（顶宽0.6 m，底宽1.96 m）；内坡坡比为1∶1.5，坡脚设2.5 m 高C20 砼护脚挡墙（埋深0.8 m 左右）；堤顶采用混凝土路面，总宽度为6.0 m（含防浪墙），防浪墙高0.6 m。

3 打松木桩抛石应用

打松木桩和抛石是软基处理中应用比较广泛的方式。松木不易开裂或变形，干缩小，同时含有丰富的松脂，能很好地防止地下水和细菌的腐蚀，适宜水下基础加固处理工作。采用松木桩加固的软土地基属于复合地基，由天然地基土和桩体两部分组成。其加固机理一是利用桩体的支撑作用，在承受外荷时，地基中应力按桩土应力比重新分配，逐渐向桩体集中，桩周土体所承受的应力相应减少，大部分荷载由松木桩承受。由于桩的强度和抗变形能力均优于土体，故而形成后的复合地基承载力、模量也优于原土体，从而达到减小变形，提高承载力的效果。二是利用其挤密作用，松木桩施工时被锤击打入，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高，从而使桩间土的承载力得到提高，压缩性降低。

乾江围海堤感潮段地表水与地下水具中等腐蚀性，对桩体影响较小，适宜打松木桩处理。针对堤基工程地质条件较差的C类，护脚挡墙大部分处于河床内，且堤脚基础为较为深厚的③1淤泥质土、③2淤泥质中砂（总层厚2 m左右），采用墙基打松木桩、墙外抛填块石二者相结合的处理方法，抛石则主要提供侧向荷载而非地基承载力，以增强护脚挡墙的抗倾、抗滑和抗冲刷稳定性。

堤防工程等级为4级，堤脚挡墙级别为4级，采用C20砼结构，梯形断面，墙高2.5 m，墙顶宽0.6 m，墙底宽1.96 m，墙后填筑黏土质砂，压实度不小于0.9。在护脚挡墙基础下打入新鲜松木桩（马尾松），梢径不小于150 mm，根长3 m左右，纵、横向桩距均为0.5 m，桩底端进入持力层不小于1.0 m；抛填块石加固护脚，沿墙边线向外侧抛填2 m 平台后，按1∶1.5 坡比抛至现状河床基底，块石粒径应不小于0.2 m。加固后的典型断面如图2所示。

图2 堤脚护脚挡墙基础加固断面图

3.1 稳定性分析

3.1.1 打松木桩复合地基的承载力

参考《木结构设计规范》（GB 50005-2017）表4.3.1-3，确定适用松木桩的抗压强度。根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）7.3.3式计算单桩竖向承载力特征值：

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；fc为桩身抗压强度，kPa；η为桩身强度折减系数，取0.25；Ap为桩身截面积，m2。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012）式7.1.5-2估算复合地基承载力特征值：

式中：fspk为复合地基承载力特征值，kPa；λ为单桩承载力发挥系数，取1；m为面积置换率，m=d2/d2e；d为桩身平均直径，m；de为根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m；正方形布桩时de=1.13 s，s=0.5 m；β为桩间土承载力发挥系数，取0.8；fsk为处理后桩间土承载力特征值，取处理前桩间土承载力特征值的1.1倍。

堤身填土、基础土层、护脚抛石及打桩复合地基物理力学指标见表2。经计算，打松木桩复合地基的承载力特征值为261 kPa。

表2 基础岩土物理力学指标

3.1.2 抗滑、抗倾和承载力稳定性分析

按《水工挡土墙设计规范》SL 379-2007进行抗滑、抗倾和承载力稳定性分析。

（1）抗滑稳定计算。土质地基上挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数按下式计算：

式中：KC为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑H为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN。

（2）抗倾稳定计算。按下式计算：

式中：K0为挡土墙抗倾覆稳定安全系数；∑My为对挡土墙基底前趾的抗倾覆力矩，kN·m；∑MH为对挡土墙基底前趾的倾覆力矩，kN·m。

（3）挡土墙基底应力计算。按下式计算：

（4）计算工况。①工况1：最低潮位（-1.8 m）时墙前、后均无水，荷载组合为基本组合；②工况2：正常挡水时墙前、后水位均为2.0 m，荷载组合为基本组合；③工况3：退潮时水位降落情况，墙前水位1.0 m，墙后水位1.2 m，荷载组合为特殊组合Ⅰ。计算荷载包括：墙体自重、水压力、扬压力、墙前块石压力和墙后土压力。

（5）计算结果。计算结果见表3。

表3 堤脚护脚挡墙稳定性分析成果表

从表3可以看出，在不进行加固处理的情况下，以③1淤泥质土为主的软基无法满足护脚挡墙的抗滑、抗倾和承载力要求。经加固处理后，挡墙抗滑稳定安全系数KC均大于1.20（荷载基本组合）或1.05（荷载特殊组合）；抗倾稳定安全系数数K0均大于1.4（荷载基本组合）或1.3（荷载特殊组合）；平均基底应力Pˉ均小于地基允许承载力261 kPa，最大基底应力Pmax均小于地基允许承载力的1.2倍，基底应力的最大值与最小值之比Pmax/Pmin均小于2.0（荷载基本组合）或2.5（荷载特殊组合）。加固后的护脚挡墙抗滑、抗倾稳定性和承载力满足规范要求。

3.1.3 抗冲刷稳定性分析

当块石重量范围为12～24 kg、水流最大冲刷速度不大于4.0 m/s时，采用伊兹巴什公式进行计算分析：

式中：Vc为块石起动流速，m/s；K为安全系数，取1.5；g为重力加速度，取9.8 m/s2；γb为块石重度，取2898 kg/m3；γ为水重度，取1000 kg/m3；D为块石粒径，取0.2 m。

经计算，块石起动流速为4.09 m/s，高于设计潮洪组合洪峰流量下的最大流速3.5 m/s，护脚挡墙抛石基础抗冲刷稳定性满足设计要求。

3.2 打松木桩施工控制

打松木桩的施工顺序主要包括：桩位放样、打桩、桩头处理、C20 埋石砼垫层施工。松木桩施工前，由测量人员依据设计图纸进行放样，确定桩位后打试桩以确定淤泥深度及对应桩长。一般要求桩底端插入持力层不小于1.0 m，桩头部高出淤泥顶面0.3 m左右，埋入C20砼垫层。桩头部按高度要求锯平后用塑料带扎紧，最后进行垫层施工。

桩木须材质均匀，桩长应略大于设计要求，弯曲过度的不应采用。桩身不得有蛀孔、裂纹或其它影响强度的瑕疵。吊运、装卸、堆放时，不得冲击或振动木桩桩身。储存地基须坚实平坦，不得有沉陷等现象，避免桩木变形。使用时，应按运抵现场的先后次序依次使用，同时应检查木桩是否完整。按设计要求严格控制桩径，梢径不小于150 mm，且外形顺直光圆，梢端削成30 cm长的尖头，以利于打入持力层。

3.3 抛填块石施工控制

施工前应进行试抛，以确定抛石厚度、基础面坡度、抛石范围等。抛填方向根据河床软土下卧地层横坡而定，横坡平坦时自基础中部逐渐向上下游两侧扩展；横坡陡于1∶10 时，应自高侧向低侧抛填并在低侧多填。为便于控制沉降，每20 m设一处观测点，并做好保护工作，施工期随时观测沉降量并做好记录。抛石顶高程每5 m 检查一个断面，允许偏差应小于10 cm。

选用石料须满足设计及规范要求，控制块石的粒径和块重，粒径不小于20 cm，块重不小于12 kg，以满足抗冲刷稳定性要求。