談格柵狀布置攪拌樁處理擋墻下深厚軟基

陳嘉環 韓麗君

(1.天津城建設計院，天津 300072;2.天津市水利勘測設計院，天津 300204)

1 概述

北塘水系工程，位于天津市北塘地區，濱海新區中部，塘沽區東北部，東至渤海海岸線，南至北塘大街，西至塘漢快速路，北至永定新河。本工程的直接影響區是濱海新區，本工程的建設對完善濱海新區城市中心的重要功能區，改善人居環境，促進沿線土地開發及周邊地區的經濟發展、推動區域建設將起到積極的作用。

水系工程河道長度9.67 km，為配合北塘小鎮規劃的水鄉風格，便于行船，河道工程中約2 km采用了矩形斷面。矩形斷面護岸采用懸臂式擋墻結構，墻高4.200 m，底板寬3.700 m。

2 墻下地質概況

根據巖土勘察報告，場地埋深25.00 m范圍內，地基土按成因年代可分為3層，按力學性質由上而下劃分為:

①人工填土層(Qml)。

厚度1.30 m～4.80 m，該層主要由素填土組成，呈黃褐色，可塑狀態，無層理，粉質粘土質，含植物根系，屬中～高壓縮性土。

埋深約2.50 m～20.00 m段，該層土從上而下可分為3個亞層:

第一亞層，淤泥質粘土:厚度一般為10.70 m～16.00 m，呈灰色，流塑狀態，無層理，含有機質、腐殖物，屬高壓縮性土。該層地基承載力60 kPa。

第二亞層，粉質粘土:厚度一般為1.80 m～8.00 m，呈灰色，軟塑狀態，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。該層地基承載力110 kPa。

第三亞層，粉土:厚度一般為0.70 m～5.40 m，呈灰色，中密狀態，無層理，含貝殼，屬中(偏低)壓縮性土。該層地基承載力160 kPa。

勘察未穿透此層，主要由粉質粘土組成，呈灰黃～黃灰色，可塑狀態，無層理，含鐵質，屬中壓縮性土。該層地基承載力150 kPa。

3 天然基礎下擋墻穩定計算

本工程護岸懸臂式擋墻按3級建筑物、安全級別為Ⅱ級設計，環境類別為三類，工程抗震設防類別為丙類。

根據水系景觀要求，擋墻墻高4.200 m，頂部厚度0.300 m。估算擋墻尺寸，底寬 3.700 m，埋深0.700 m。

擋墻結構見圖1。

擋墻穩定計算以施工期工況為控制工況，分別計算擋墻抗滑穩定、抗傾覆穩定及基底應力。經計算，擋墻坐落在淤泥質粘土地基上，滑移力為55.354 kN，抗滑力為56.824 kN，抗滑安全系數Kc=1.027，不能滿足安全要求;計算擋墻傾覆力矩為98.25 kN·m，抗傾覆力矩為520.125 kN·m，抗傾覆安全系數 K0=5.294，滿足安全要求;計算基底大小應力分別為 σmax=62.035 kPa，σmin=60.828 kPa，不均勻系數為1.02，基底受力雖均勻，但超過了地基自身的承載力。

圖1 擋墻結構

4 軟基處理方案

根據巖土勘察報告，擋墻底板以下存在深厚淤泥質粘土層。該層土壓縮性較高，且流動性大，同時承載力小，抗剪強度低，護岸結構易產生整體滑動，擋墻自身抗滑能力也無法滿足。考慮到墻下淤泥質粘土層較厚，擋墻自身重量較小，且重要性一般，故采用剛性樁穿透淤泥層進入到好土持力層的方法是不切實際的。采用復合樁基進行地基處理應該是優先考慮的方案。

4.1 復合地基方案比較

常見的淤泥及淤泥質粘土地基的處理方案有:真空預壓法、置換法和化學固結法。近年來，采用較多的有高壓旋噴樁和水泥攪拌樁。水泥攪拌樁包括粉噴樁和深層攪拌樁。

由于近年來天津市對施工單位造成的環境影響進行了嚴格的控制，粉噴樁已經逐漸退出了歷史的舞臺，市場上攪拌樁基本為深層攪拌樁。

水泥攪拌樁是一種常用的處理軟弱地基方式，具有低噪聲，抗水平擠壓效果好，投資低的特點，但施工速度較慢，水泥土達到設計強度需要一定時間，且加固后的復合地基承載力較低。高壓旋噴樁處理軟弱地基的方式，雖然可以大幅度提高地基承載力，但工程消耗水泥量較多，投資相對較高，施工速度同樣較長。本工程擋墻地基反力僅為62 kPa～65 kPa，采用深層攪拌樁處理較為適宜。

4.2 攪拌樁布置

攪拌樁布樁形式對加固效果有較大的影響，根據擬建工程的工程地質條件、構筑物荷載以及施工工藝，一般采用矩陣布置、梅花形布置和格柵狀布置三種布樁形式。本工程地基土軟弱且極為深厚，設計中結合擋墻抗滑穩定分析，對梅花形布置和格柵狀布置兩種布樁進行了計算。

1)攪拌樁按梅花形布置，樁間距2 m，擋墻前后各布置一排咬合攪拌樁，樁距550 mm，形成地下圍擋，既提高基礎整體剛度，又可限制樁間流土變形。攪拌樁樁徑700 mm，樁長15 m。

2)攪拌樁按格柵狀布置，直徑700 mm，樁間距550 mm，縱向肋距2.2 m(順水流方向)，攪拌樁長度10 m。

4.3 復合地基計算

深層攪拌樁的設計參數可參考YBJ 225-91軟土地基深層攪拌加固法技術規程。

單樁承載力Nd按下式估算，取其中小值:

其中，qu為與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內加固土試塊的無側限抗壓強度，取1 500 kPa;qs為樁周側摩阻力，根據地質勘察報告取為15 kPa;K為折減系數，取0.3～0.4;α為樁端承載的折減系數，本工程樁端位于軟土層，該值取0。經計算，φ700攪拌樁的單樁承載力為140 kPa。

采用φ700攪拌樁，單樁承載力140 kPa時，樁深15 m即可滿足承載力要求。

復合地基承載力設計值fsp的計算公式為:

其中，m為攪拌樁面積的置換率;fs為樁間土地基承載力標準值;β為樁間土承載力折減系數，本工程取為0.8。

擋墻基礎攪拌樁樁徑700 mm，單樁承載力140 kPa，設計面積置換率m=0.3時，經處理后的復合地基承載力達到100 kN。

5 擋墻抗滑穩定分析

對于復合地基下擋墻的抗滑穩定可參照水閘設計規范，按下式計算:

其中，Φ0為擋墻基礎底面與土質地基之間的摩擦角，(°);C0為擋墻基底面與土質地基之間的粘結力，kPa;A為擋墻基底面積，m2;∑H為作用在擋墻上的全部水平荷載。

Φ0，C0均可利用28 d齡期攪拌樁抗剪強度值與原狀地基抗剪強度值加權計算。

5.1 按梅花形布置

在梅花形布置的情況下，目前理論和試驗尚未獲得復合地基的物理力學參數計算方法，只能利用原加固地基的物理力學指標，增加攪拌樁后，僅作為安全儲備。根據前述計算結果，擋墻抗滑安全系數，正常水位下為1.240，施工工況下為1.027。

5.2 按格柵狀布置

按格柵狀布置情況下，復合地基物理力學參數按以下方法計算:

其中，c1為攪拌樁樁身粘聚力，取100 kPa;c2為被處理土的粘聚力，根據地質報告取為6 kPa;m為水泥攪拌樁的面積置換率，m=0.63;φ1為攪拌樁樁身摩擦角，14 d齡期該值可取為20°;φ2為淤泥質粘土土摩擦角，根據巖土勘察報告取為6°;k1為樁身剛度;k2為被加固土壓縮剛度。

根據加固土的計算抗剪強度指標，可得擋墻抗滑安全系數，正常水位下為1.64，施工工況下為1.32。

比較以上兩種情況的抗滑穩定結果，按格柵狀布置對擋墻的抗滑穩定有利，但工程量略微增加。本工程實施階段布樁方式見圖2。

圖2 布樁方式

6 結語

通過實踐，采用水泥攪拌樁加固北塘水系擋墻下深厚軟弱地基方案是可行的，具有造價低、施工簡便等優點。在現場施工中，水泥摻入量、軟弱土層含水量等物理力學參數決定著水泥攪拌樁的成樁質量，必須通過現場試驗確定相關參數。此外，水泥攪拌樁成樁后加固土體的抗剪強度指標對計算有著至關重要的影響。施工擋墻時，應在條件允許的情況下，盡量保證水泥攪拌樁的正常養護齡期。只要在施工中加強對樁基的水泥技術指標的控制，嚴控水泥摻入量，養護得當，那么水泥攪拌樁也是軟土地基處理中值得選用的較好方案。

［1］SL 265-2001，水閘設計規范［S］.

［2］SL 379-2007，水工擋土墻設計規范［S］.

［3］YBJ 225-91，軟土地基深層攪拌樁加固法技術規程［S］.

［4］沈 燁.軟土地基處理方法綜述［J］.山西建筑，2011，37(13):64-65.