小木樁處理內河航道護岸軟基初析

2015-04-13 00:31:36錢文軍王倫明

中國水運 2015年3期

錢文軍+王倫明

摘要：本文以蘇南運河鎮江段Ⅲ級航道整治工程陵口鎮～西戰備河段護岸工程為例，對小木樁處理內河航道護岸軟基的結構受力做出詳細的分析計算，試圖剖析它的內在機理，為今后設計提供半理論半經驗依據。

關鍵詞：小木樁軟基處理護岸豎向承載力抗滑力結構穩定

在長三角沖積平原地區航道整治護岸建設工程中，常常遇到軟土地基需要處理的情況。采用小木樁處理內河航道護岸基底下臥薄層軟土，以其安全、經濟、施工方便等諸多優點，受到業主、設計和施工單位的廣泛歡迎。由于缺少相應的計算理論，以往的設計多是以工程實踐經驗作為依據。下面以蘇南運河鎮江陵口段護岸工程為例，對小木樁處理內河航道護岸軟基的結構受力做出詳細的分析計算，嘗試剖析它的內在機理。

設計概況

1、項目概況

蘇南運河鎮江段Ⅲ級航道整治工程（陵口鎮～西戰備河段）于2008年10月完成施工圖設計，2009年10月正式開工建設，2011年7月12日交工驗收。航道護岸采用重力式結構，墻高6m，底板厚度0.6m。

2、地質條件

根據《蘇南運河鎮江段Ⅲ級航道整治工程地質勘察報告》，將蘇南運河鎮江段（陵口鎮—西戰備河段）本斷面有關地層的土性和分布特征，自上而下說明如下：

1b填土：粉質粘土含碎石，主要為原有護岸填土。分布于地表，層厚0.5～5.0，平均厚度2.0m，分布不連續。

1-1砂質粉質：灰黃、黃灰色，松散—稍密狀態，稍濕，分布為粉質粘土夾粉砂，層厚0.4～9.5m，近地表連續分布。推薦地基土容許承載力f=100～140kPa。

1-2淤泥質（粉質）粘土：灰色，流塑，高壓縮性。為本區淺部主要軟土層，多在老河道分布，層厚變化大。層頂標高為▽0.7～▽3.0，層厚1.0～10.0m，分布不連續。推薦地基土容許承載力f=60～90kPa。

1-2a（粉質）粘土：黃灰色、灰色，軟塑～流塑狀態，局部含腐植物，中等～中偏高壓縮性。多與1-2層伴生，一般分布于1-2層中部，層厚0.8～1.6m。推薦地基土容許承載力f=100～120kPa。

1-2b淤泥：灰色，灰黑色，夾腐植物，流塑，高含水率，高壓縮性，含較多有機質。推薦地基土容許承載力f=40～50kPa。

1-2c粉土：灰色、黃灰色，濕～很濕，松散狀態為主。為區內主要的液化砂土層，綜合判別該層的液化等級為中等液化。與1-2層伴生，多位于1-2層上部，層厚1.0～10.0m，平均厚度3.0m。推薦地基土容許承載力f=110～130kPa。

1-3砂質粉土：灰色、黃色，濕～很濕，稍密狀態為主，局部夾粉質粘土薄層或與粉質粘土互層，總體土質欠均勻。層頂標高為▽1.0～▽-3.0，層厚2.0～5.0m，平均厚度3.5m，分布不連續。推薦地基土容許承載力f=110～130kPa。

蘇南運河鎮江段Ⅲ級航道整治工程（陵口鎮～西戰備河段）軟土層分布：主要為1-2層、1-2b層和2-2層，軟土的主要成因為沖湖積成因。土性特征：1-2淤泥質（粉質）粘土，灰色，流塑，高壓縮性。1-2b淤泥，灰色，灰黑色，夾腐植物，流塑，高含水率，高壓縮性。2-2淤泥質（粉質）粘土，灰色，局部夾腐植物，流塑，中等～高壓縮性。

3、設計方案

設計采用經驗法，對護岸結構底板下軟土厚度大于1.0m小于3.5m的采用小木樁加固方案，岸線總長3986m，設計斷面如圖1。小木樁設計長度分別為2m（適用1～1.5m軟土層）、3m（適用1.5～2.5m軟土層）、4m（適用2.5～3.5m軟土層），基礎下設300mm碎石墊層。

小木樁采用梅花形布置，縱向間隔0.8m；橫向前緊后疏，前4排間距0.7m，后6排間隔0.8m。小木樁樁梢直徑不小于0.12m，可采用馬尾松、水杉及質地堅硬、耐水性好的雜材。

結構受力分析

選取地質條件比較差的ZK996鉆孔（航道里程樁號35K+285；左岸）位置的重力式護岸結構作為本文分析斷面（見圖1），豎向承載力和整體穩定性分析計算工況為完建期，水平滑移計算工況為低水期。

1、豎向承載力分析

底板以上混凝土（容重r=24KN/m3）、回填土（容重r=18.5KN/m3）等自重（每延米）：784.0KN/m。

小木樁單樁豎向承載力：

式中：Nd—小木樁單樁豎向承載力；qci--樁周i層土的側壁摩阻力；Ui—小木樁樁周周長；Li—小木樁在i土層中樁長；As—小木樁橫截面積；fs--樁端地基承載力標準值。

根據上述地質資料，小木樁樁徑d=12cm，小木樁單樁豎向承載力Nd =30.1KN/根，每延米：11.25根，338.6 KN/m；小木樁樁徑d=15cm，小木樁單樁豎向承載力Nd =42.3KN/根；每延米：11.25根，475.8 KN/m。豎向荷載784.0 KN/m，說明小木樁只能承擔底板以上荷載的43.2%（d=12cm）和60.7%（d=15cm），剩余的需要土層承擔。

Nt=Atft

式中：Nt—土層豎向承載力；At—底板扣除小木樁的面積；

ft—土層承載力標準值；60～90Kpa。

計算土層豎向承載力Nt=381.2～571.7 KN/m。小木樁和土層疊加的復合地基：719.8～910.3 KN/m（d=12cm）；857.0～1047.5 KN/m（d=15cm）；豎向荷載784.0 KN/m，安全系數分別為（719.8～910.3） /784.0=0.92～1.16（d=12cm）；（857.0～1047.5） /784.0=1.09～1.34（d=15cm）。

根據以上分析，采用樁徑d=15cm的小木樁，或者加密樁徑d=12cm的小木樁（18.6根/m，安全系數1.2），安全系數才足夠。endprint

2、抗滑力分析

2.1 護岸擋墻墻后水平土壓力

護岸擋墻墻后土壓力，采用《重力式碼頭設計與施工規范（JTS167-2-2009）》條款2.4.1.3的方法，地面為水平時，在底板垂直上的水平土壓力：

根據計算，擋墻墻后水平土壓力：242.6KN/m. 取混凝土與碎石的摩擦系數0.35，底板以上結構自重784.0 KN/m，784.0×0.35=274.4 KN/m >242.6KN/m。說明墻后水平土壓力可以全部傳遞給小木樁或由小木樁和土層形成的復合地基。

2.2 小木樁頂的水平容許承載力

根據河南省交通勘測設計院的簡化“K法”計算小木樁頂的水平容許承載力：

式中：t—底板底至第一彈性零點的距離（m）；α—小木樁在土中變形系數；K—土的彈性抗力系數，流塑粘性土IL≥1，淤泥，100000～200000KN/m3；d—小木樁樁徑（m）；E—小木樁彈性模量，9.8～12Gpa；

[T] —小木樁頂的水平容許承載力（KN）；

[y0] —樁頂容許水平位移，一般取0.5～1.0cm；

當小木樁樁徑d=12、15cm，小木樁頂的水平容許承載力為10.5、17.2KN/根；每延米11.25根，即為118.1、193.5 KN/m，占水平土壓力242.6KN/m的48.7%、79.8%，也就是說48.7%（當小木樁樁徑d=12cm）、79.8%（當小木樁樁徑d=15cm）的水平土壓力由小木樁承擔，剩余的由土層承擔。

3、整體穩定性

3.1 計算方法

護岸結構整體穩定驗算采用理正巖土系列軟件邊坡穩定分析模塊，分析方法基于《港口及航道工程護岸工程設計與施工規范（JTJ 300-2000）》條款6.1.6.1～6.1.6.2，地震烈度為7度。計算孔位處護岸底板直接坐落于軟土之上，基底下軟土厚度約2.5m，用3m長小木樁處理，采用圓弧滑動面計算。

3.2 計算工況

計算工況墻前水位為最低通航水位，墻后水位為地表以下1m。該工況為護岸正常使用期的危險工況。

3.3 整體穩定驗算

計算土體物理力學指標采用固結快剪指標，地基類型為粘性土土坡，地基處理前，航道護岸邊坡整體穩定安全系數為0.92，不滿足有關規范要求；采用小木樁地基處理后，處理區域軟土地基按照復合地基考慮，復合土體粘聚力和內摩擦角參照相關規范計算，整體穩定驗算安全系數為1.36，滿足有關規范要求。

結論

根據計算，設計小木樁（d≥12cm）承擔了約43%的豎向荷載，其余由土層承擔；如果豎向荷載全部由小木樁（d≥12cm）承擔，則小木樁（d≥12cm）數量需要增加約65%。

設計小木樁（d≥12cm）承擔了約49%的水平荷載，其余由土層承擔；如果水平荷載全部由小木樁（d≥12cm）承擔，則小木樁（d≥12cm）數量需要增加約一倍。

該段航道護岸已完成近4年時間，監測結果顯示護岸結構穩定，說明該工程設計既安全又經濟節約，是比較成功的。

至于小木樁的擠密作用、吸水作用及作為排水固結通道對軟土層的加固效果，有待進一步研究。