水泥攪拌樁加固堤防工程的設計及優化

郭 濤

（廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 5106001）

水泥攪拌樁加固堤防工程的設計及優化

郭 濤

（廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 5106001）

工程安全是工程設計時優先考慮的因素，必須滿足《堤防工程設計規范》所規定的最低要求.某堤防工程在施工階段為了滿足度汛的要求，填筑碎石于堤腳，形成了一級加固平臺，改變了原有設計的基礎條件.本文在確保樁體強度達到0.5MPa基礎上，對加固方案進行了設計和優化，將沿堤防橫向的6排樁改為5排，沿堤防縱向樁間距由1.25m改為1.5m，取得了良好的經濟效益.

水泥攪拌樁；堤防工程；方案設計優化

1 引言

隨著我國經濟和社會快速發展，一些原不被重視，受潮水淹沒地區逐漸納入市政規劃范圍.但原有的堤防工程由于設計標準偏低，且年久失修，造成水澇災害的損失逐年增加，給地區經濟發展帶來嚴重的影響.為此，某沿海城市對原海堤工程進行加固加高.

由于水泥土攪拌樁經濟性和適用性，在我國公路工程和堤防工程等領域中得到廣泛應用[2,3]，設計采用了水泥土攪拌樁對原堤防地基進行加固處理.

施工期間，由于汛期突遇海文大潮，施工被迫終斷.復工后，監測發現部分加固后的堤防出現局部滑坡，承包商及時于堤腳填筑碎石，形反壓平臺，堤防的抗滑安全系數有了一定提高，為了取得經濟適用的堤防加固效果，本文對加固方案進行了重新設計和優化.

2 攪拌樁方案設計

水泥攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質土、粉土等軟弱地基.由水泥與土攪拌形成的水泥土攪拌樁，與周圍土體形成承受豎向荷載的復合地基.深層攪拌樁的設計主參數為：置換率、樁長、水泥摻入量.具體設計如下：

2.1 攪拌樁設計

水泥攪拌樁樁徑為55cm.根據地勘報告發現，海水可直接補給海堤內地表水及地下水.由于海水中溶有大量硫酸根離子，可與水泥發生反應形成對水泥土具有侵蝕結晶體，造成水泥土攪拌裝體開裂、崩解從而喪失強度，因此設計采用了礦渣或普通硅酸鹽水泥，標號大于等于42.5，使水泥土中產生的膨脹結晶體的數量控制在一定范圍內，以提高水泥土的抗侵蝕性能.

2.2 樁長設計

實踐證明，水泥土攪拌樁裝底穿透軟弱土層嵌入強度相對較高的持力層，形成樁端阻力，樁的沉降量將顯著減小.

該堤防工程地基于淤泥層之下（埋深10m左右）有性質良好、層位穩定且厚度較大的積粘土層，可作為水泥攪拌樁復合地基的底持力層.因此，為避免樁體“懸浮”，選取下臥粘土層為樁體持力層，設計樁體深入粘土層1.0m，樁底平均高程-12.0m；樁頂高程為原堤頂標高，設計樁長15.0m.

2.3 置換率m計算

考慮施工因素，水泥攪拌樁僅布置于堤防頂范圍內，參照以往布設經驗，布置為：垂直于堤防軸線方向間隔1.0m布設1根，即共6排；沿堤防軸線方向間隔1.5m設一排，樁位呈矩形布置，如圖1所示（單位:mm）.

根據水泥攪拌樁的布置，樁土置換率m則為：

2.4 水泥摻入量計算

當使用普通硅酸鹽水泥作為加固材料，在其它條件不變時，在同一土層中水泥摻入量不同，水泥土強度也不同.根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）[4]，水泥攪拌樁中水泥摻入比一般采用被加固土重的7%～18%，考慮海堤荷載較大，上部淤泥土承載力小，含水量大，取水泥摻入比的上限18%，計算得每延米水泥摻入量為80kg.

2.5 樁承載力計算

單樁豎向承載力特征值Ra取決于樁身水泥土的強度和所加固的樁間土的性能兩個指標.樁體水泥土不同于土，因它摻入了水泥，對土進行了改性.樁體水泥土強度主要與水泥摻入比、被加固土的物理力學性質及成樁齡期三個因素有關.它的大小影響攪拌樁的單樁承載力，因為承載力應滿足樁體強度要求，不致在荷載作用下樁身被壓破裂.由此可確定樁身被壓不致破裂的承載力，即樁身結構承載力：

式中：fcu——與樁身水泥土配比相同的室內加固土試塊在標準養護條件下90d齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa）；

η——樁身強度折減系數，干法可取0.20～0.30；濕法可取 0.25～0.33；

Ra——單樁豎向承載力特征值；

Ap——樁的截面積.

單樁承載力是由樁側摩阻力和樁端阻力提供的，即土對樁的支承力[2]：

式中：qsi——樁周第i層土的側阻力特征值；

μp——樁的周長（m）；

n——樁長范圍內所劃分的土層數；

li——樁長范圍內第i層土的厚度（m）；

α——樁端天然地基土的承載力折減系數，可取0.4～0.6，承載力高可取低值；

qp——樁端地基土未經修正的承載力特征值（kPa），按現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB-5007）的有關規定確定.

式(3)確定的單樁承載力應滿足在上部建筑物荷載作用下，樁不致產生過大的沉降變形.設計時，式(2)和(3)確定的承載力應相匹配，使得樁側摩阻力及樁端阻力充分發揮的同時，樁體強度也得到充分發揮，即應滿足：

這樣可保證樁體強度在滿足豎向承載力要求的條件下得到充分發揮，不因樁體強度過大而超過承載力要求，造成材料浪費；或樁體強度過低不滿足承載力要求，影響堤防安全.

單樁豎向承載力特征值應采用現場載荷試驗確定，無載荷試驗數據時，攪拌樁單樁承載力標準值取式(2)和(3)中的較小值.

因未做攪拌樁室內水泥土試塊試驗，根據規范規定，計算時參照（3）式進行水泥土樁的單樁承載力計算.根據（3）式，Ra=180kPa，考慮到實際施工中各種因素的影響，設計強度應予以折減60%～70%，所以取單樁承載力標準值為：Ra=160kPa.

2.6 復合地基承載力的計算

根據規范，攪拌樁復合地基承載力計算公式是：

式中：fsp,k——復合地基承載力特征值（kPa）；

fs,k——樁間天然地基土承載力特征值（kPa）；

m——樁土面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數，當樁端土為軟土時，可取0.5～1.0；樁端土為硬土時，可取0.1～0.4；當不考慮樁間軟土的作用時，可取零.

復合地基承載力值為：

滿足上部荷載承載要求.

海堤加固加高原有加固方案典型剖面圖見圖2.

3 堤防加固設計方案優化

由于攪拌樁在施工過程中對淤泥產生擾動，淤泥的強度參數降低，從而使堤防在施工過程中出現局部失穩情況.決定在堤外側再做兩級反壓平臺，在確保海堤穩定的情況下進行攪拌樁施工.

通過室內配合比試驗和現場施工工藝試驗，施工工藝由原四攪兩噴改為四攪四噴，顯著提高了樁體中水泥的均勻性.經檢測樁體的無側限抗壓強度可確保在0.5Mp以上，復合地基豎向承載力達到186kPa以上.

鑒于上述兩方面因素，對水泥攪拌樁的布置進行了優化設計，以提高經濟性.經優化，水泥攪拌樁由6排改為5排，橫向間距為1.25m，縱向間距為1.5m，同時設計要求樁體的無側限抗壓強度不小于0.5MPa，樁長打穿淤泥入粉質粘土0.5m.優化后的斷面圖見圖3，樁位見圖4.

4 優化后堤防加固穩定性分析

為驗證方案的合理性，對優化后的設計方案采用有限元法進行穩定性計算.

對水泥攪拌樁采用“均質化”處理[5,6]，即根據強度等效原理，把水泥攪拌樁和樁間土等效處理為強度“均質復合體”，把樁體強度均勻的“彌散”到整個加固區中，有限元法計算中網格的劃分不考慮樁的存在.堤身處理前后加固區的地質參數和土體等效參數見表1.采用摩爾－庫侖本構模型.

經計算得安全系為1.545，滿足Ⅰ級海堤正常運用條件下最小安全系數不小于1.3的要求[7]，而經濟方面，節約了工程造價約20～30%，經濟效益明顯.

表1 水泥攪拌樁加固區的土體等效參數

〔1〕寧寶寬,陳四利,劉斌.水泥土攪拌樁的加固機理及其應用[J].西部探礦工程,2005（6）：26-28.

〔2〕楊少華,徐立新,張繼堯.粉體噴射水泥攪拌樁在高速公路橋頭軟土地基處理中的應用研究[J].公路,2003（2）：57-65.

〔3〕蔣小蒲，王建華.水泥攪拌樁在防洪堤地基處理中的應用 [J].浙江水利水電專科學校學報,2002,14（2）：19-20.

〔4〕建筑地基處理技術規范（JGJ79-2002）[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

〔5〕周建民，豐定祥，鄭宏.深層攪拌樁復合地基的有限元分析[J].巖土力學，1997，18（2）：45-51.

〔6〕秦建慶，孟杰武.考慮土的非線性的水泥土樁復合地基特性分析[J].巖土力學，1998，19（3）：54-58.

〔7〕堤防工程設計規范（GB 50286－98）[S].北京：中國計劃出版社，2002.

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1673-260X（2012）05-0049-03