水泥土攪拌樁在掌洲島堤防加固工程中的應用

戴俊

（東莞市水利勘測設計院有限公司，廣東 東莞 523000）

0 前言

水泥土攪拌法是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械，在堤基（身）內部將軟土強制攪拌后，由水泥和軟土之間所產生的一系列物理—化學反應，使軟土改性硬化后具有整體性、低滲透性和一定強度的水泥土攪拌樁。可有效提高加固區(qū)軟土的抗剪指標強度，增強軟土地基承載力、減少沉降、延長滲徑等作用。

1 工程概況

項目區(qū)位于東莞市道滘鎮(zhèn)，加固段堤防按50 年一遇防洪（潮）標準設計，堤防級別定為3 級。采用防洪土堤形式加高，設置二級平臺；第一級為親水平臺，平臺高程為3.50 m，寬為4.00 m人行步道；第二級在堤岸內側填筑土堤，按1∶2.00放坡至堤頂，坡面進行景觀綠化，堤頂高程為4.90 m，堤頂?shù)缆穼挾葹?.00 m；背水坡坡比為1∶2.00，設草皮護坡，坡腳設縱向排水溝，堤岸迎水側采用拋石固腳；并針對現(xiàn)狀堤防存在的安全問題進行達標加固處理。

工程區(qū)主要分布第四系人工填土層（Qs）、第四系沖積層（Qal）和第三系泥巖層（Eb）。地層由上至下：素填土、淤質粉細砂、淤泥、強風化泥巖及中風化泥巖組成。素填土層呈褐黃色，松軟，成分以粘性土為主，欠固結，天然含水率29.10%，孔隙比0.917，壓縮系數(shù)0.53 MPa-1，屬高壓縮性，承載力低。淤質粉細砂層呈深灰色，飽和，松散，含淤泥質黏粒，滲透系數(shù)大，屬中等透水，易產生滲透變形。淤泥層為灰黑色，飽和，流塑，含少量細砂，天然含水率63.10%，孔隙比1.697，壓縮系數(shù)1.69 MPa-1，屬高壓縮性，承載力低。粉質粘土層呈灰黃色，粘性好，可塑狀，微透水性。強風化泥巖層，巖土力學性質較穩(wěn)定，埋藏較深，承載力高，可作為建筑物基礎持力層。各巖土層主要物理力學參數(shù)見表1。

表1 各巖土層主要物理力學參數(shù)建議值表

2 加固設計方案

目前堤防工程防滲常用方法有水泥土攪拌防滲墻、混凝土防滲墻、垂直鋪膜防滲等。因工程堤基下臥層為淤泥質細砂和淤泥，采用水泥土防滲墻施工不需開槽，可避免混凝土墻防滲和垂直鋪膜防滲中因開槽出現(xiàn)的塌孔、土層中孔洞無法用泥漿護壁、槽內填土無法夯實等問題；同時水泥土攪拌法適用于加固粘土、砂性土、粉質粘土、砂礫層、淤泥等土層。因此在靠近外江側，采用樁徑0.50 m水泥土攪拌樁密排處理，形成一道水泥土攪拌垂直防滲墻。軟土堤基加固則采用樁徑0.50 m水泥攪拌樁復合地基處理；按正方形布樁，擬定間距為1.30 m，有效樁長7.00 m，共計6排；樁身穿透淤質粉細砂和淤泥層，樁端位于粉質粘土層。主要技術參數(shù)：水泥采用強度42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為18%～20%，水灰比控制在0.45～0.60，28 d后芯樣抗壓強度不應＜1.00 MPa，滲透系數(shù)i≥1×10-6cm/s，壓縮模量≥100 MPa。設計平面布置與標準斷面見圖1、圖2。

圖1 攪拌樁平面布置圖

圖2 堤防加固標準斷面圖

2.1 滲透穩(wěn)定計算

2.1.1 防滲墻體厚度

防滲墻的厚度應滿足墻體抗?jié)B性、耐久性能、墻身強度等要求，還應考慮工程地質及水文地質等因素。根據(jù)《堤防工程手冊》，通用的防滲墻厚度計算可按公式（1）計算：

式（1）中：h為最大作用水頭（m），為10.60 m；J允為墻體的滲流允許坡降，一般取50～60，水泥土攪拌樁防滲墻取50；D為防滲墻厚，經計算為0.21 m。考慮到施工時樁位誤差，樁斜等因素影響，此次設計墻厚定為0.30 m，樁間距為0.40 m。施工時采用三軸攪拌樁機單側跳打，即在一次深攪一幅單元墻體后移位至下一幅（見圖3）。

圖3 三軸攪拌機成墻示意圖

2.1.2 堤防滲流計算

根據(jù)地質勘察資料，填土和砂性土的滲透變形類型主要為流土型；填筑土允許水力坡降為0.40，淤泥質粉細砂允許水力坡降為0.20～0.25。

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》規(guī)定，結合實際運行情況，按下列水位組合進行滲流穩(wěn)定計算：①穩(wěn)定滲流，臨水側為50年一遇設計洪（潮）水位，背水側為無水時，復核堤防背水側出逸坡降；②非穩(wěn)定滲流，臨水側由50 年一遇設計洪（潮）水位經歷1天后，降至常水位時，對臨水倒堤坡穩(wěn)定最不利影響，復核堤防臨水側出逸坡降。計算采用有限單元法，應用理正巖土“滲流分析計算”模塊進行計算分析。水泥土攪拌樁防滲墻加固前、后滲流穩(wěn)定計算結果見表2、表3。

表2 加固前滲流穩(wěn)定計算結果表

表3 加固后滲流穩(wěn)定計算結果表

由上表可知，垂直防滲措施設置前堤坡和堤基出逸坡降大于允許水力坡降值，滲透穩(wěn)定不滿足要求；增加垂直防滲措施后，出逸坡降值均小于允許水力坡降值；防滲墻的最大水力坡降為3.51，為允許水力坡降的7.02%，明顯改善了堤基的抗?jié)B能力。同時兩種工況下的滲透流量分別比加固前分別減少73.23%和78.98%，減小幅度較大，說明防滲效果明顯。

2.2 復合地基承載力計算

2.2.1 單樁承載力特征值 的取值

根據(jù)《復合地基技術規(guī)范》，當由樁周土與樁端土的抗力提供單樁豎向抗壓承載力特征值時可按公式（2）計算；當由樁體自身材料的強度提供單樁豎向抗壓承載力特征值時可按公式（3）計算；取兩者較小值。

式（2）（3）中：u p為攪拌樁的周長，為1.57 m；li為攪拌樁長范圍內第i層土的厚度（m）；A p為攪拌樁的截面面積，為0.196 m2；qsi、qp分別為攪拌樁周圍第i層土的側阻力、樁端阻力特征值；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.50；f cu為與攪拌樁體同配比試塊立方體抗壓強度平均值（kPa），參考已完類似工程的試驗報告，取1 500 kPa；η為樁體強度折減系數(shù)，取0.30。

2.2.2 復合地基承載力計算

設計階段，復合地基承載力特征值按公式（4）計算：

式（4）中：m為樁土面積置換率，為0.116；f sk為樁間土承載力特征值，取80 kPa；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.60。經計算，復合地基承載力特征值可滿足設計要求，計算結果見表4。

2.3 整體抗滑穩(wěn)定計算

經攪拌樁加固軟土地基后，復合地基加固區(qū)的抗剪強度指標“粘聚力”和“內摩擦角”值均會有所提高，以達到整體提升堤身抗滑穩(wěn)定、提高堤基承載力和減少沉降的目的。

2.3.1 攪拌樁體內摩擦角和粘聚力的取值

當無土工實驗實測數(shù)據(jù)時，根據(jù)文獻資料，可知攪拌樁樁身的內摩擦角可取20°～30°；復合土體等效粘聚力計算公式也一致；但攪拌樁樁身的粘聚力和復合土體等效內摩擦角計算公式并不同。因項目位于東江南支流流經的區(qū)域，且受潮汐影響，則選用《廣東省海堤工程設計導則》公式計算樁身的粘聚力和復合土體等效內摩擦角。

根據(jù)《廣東省海堤工程設計導則》，攪拌樁樁身粘聚力C1可按公式（5）計算：

式（6）（7）中：C為復合土體的等效粘聚力，kPa；m為攪拌樁土體面積置換率；C2為樁間土粘聚力；φ為復合土體的等效內摩擦角，（°）；φ1、φ2為樁身內摩擦角、樁間土內摩擦角，（°）；K1、K2為樁身剛度、樁間土體剛度；β為樁的沉降與樁周土沉降之比，取0.50。其余符號意義同前。攪拌樁及樁周軟土剛度計算公式見《廣東省海堤工程設計導則》附錄R.1.3。

現(xiàn)狀淤質粉細砂粘聚力為0，內摩擦角為18.10°；淤泥粘聚力為10.90 kPa，內摩擦角為7.80°。采用上述公式計算，所得計算結果見表5。

表5 復合地基等效強度指標計算結果表

在初設階段評審時，參考專家建議，考慮施工時不確定因素影響，等效粘聚力宜乘以折減系數(shù)0.80，作為安全儲備。

2.3.3 整體穩(wěn)定計算

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》的規(guī)定，選取設計典型斷面進行整體抗滑穩(wěn)定計算，滑動穩(wěn)定采用瑞典圓弧法。穩(wěn)定滲流期采用有效應力法進行分析，外水位降落期和施工期采用總應力法進行分析，強度指標均選用固結快剪。應用理正巖土“邊坡穩(wěn)定分析”模塊進行計算分析，各工況下堤防整體穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求（見表6）。

表6 整體穩(wěn)定計算結果表

2.4 沉降計算

此次在現(xiàn)狀堤防上加高培厚的土方斷面為規(guī)則圖形，應力分布較規(guī)則。原天然地面下產生的附加應力不隨深度變化而變化，等于填土自重，自重應力從原天然地面起算；計算深度取可壓縮土層厚度，即攪拌樁處理深度。堤基沉降可按復合地基變形計算方法進行計算。根據(jù)《廣東省海堤工程設計導則》有關規(guī)定，復合土層壓縮變形量S可按公式（8）和（9）計算：

式（8）（9）中：Pz為攪拌樁復合土層頂面的附加壓力值，取40.00 kPa；Pzl為攪拌樁復合土層底面的附加壓力值，25.20 kPa；；l為攪拌樁處理深度，取7 m；Esp為攪拌樁復合土層壓縮模量，kPa；Ep為攪拌樁壓縮模量，可取（100～120）fcu，取150 000 kPa；Es為樁長范圍樁間土的壓縮模量加權平均值，2 485 kPa。經計算，攪拌樁復合土層的壓縮變形量為11.65 mm。因樁端以下未加固土體為粉質粘土和強風化泥巖，無軟弱下臥層，不進行下臥層承載力驗算，不考慮其變形量。

3 復合地基載荷試驗

為驗證處理后的復合地基承載力能否滿足設計要求，此工程進行了樁身抽芯和復合地基靜載試驗。現(xiàn)場以隨機抽查的形式選取測試點，共取樁身36 個芯樣進行了單軸抗壓強度試驗，芯樣抗壓強度平均值為1.60 MPa（齡期≥28 d），實際樁長7.00 m，滿足設計要求。

復合地基承載力設計值為94.63 kPa，試驗加載采用維持荷載法，最大試驗荷載為200 kPa。正方形壓板面積為1.69 m2。從荷載沉降P～S曲線圖（見圖4）可知，當試驗荷載最大加至200 kPa 時，總沉降量為12.75 mm（選取沉降量最大試驗點進行分析），沉降量符合相對穩(wěn)定標準。P～S曲線上未出現(xiàn)明顯的陡降點，為平緩光滑曲線，復合地基承載力按相對變形值確定，取s/b=0.006 對應的荷載值為復合地基承載力特征值；同時承載力特征值不應大于最大加載壓力的1/2，因此復合地基試驗承載力特征值為100 kPa（見表7）。

表7 復合地基承載力特征值檢測結果表

圖4 P～S曲線圖

根據(jù)檢測結果表明理論沉降計算值與試驗沉降檢測值基本吻合，復合地基承載力滿足設計要求。

4 結語

堤防工程具有復雜性，應結合場地及周邊區(qū)域的工程地質及水文地質條件、周邊環(huán)境情況等，確定安全可靠、技術可行、經濟合理的堤防加固方案。結合此次項目實例，得出以下結論和建議：①水泥土攪拌樁作為堤防的加固措施能夠有效加強堤防的整體穩(wěn)定性，提高軟土地基承載力、減少沉降和改善堤基的抗?jié)B能力，具有節(jié)約投資、施工工效高、工藝簡單、對環(huán)境的影響小、截滲效果顯著等諸多優(yōu)點。②為確保樁身質量合格，施工前應選擇合適的機械設備在工地現(xiàn)場進行實驗性施工，通過試樁確定施工技術參數(shù)。同時應對攪拌樁樁位、樁頂及樁端高程、樁身垂直度、攪拌頭噴漿速度、漿液水灰比等單樁施工作業(yè)全過程的進行檢驗，以便達到預期效果。