河道工程整體穩定計算中水泥土粉噴樁抗剪強度指標選取討論

顧 威

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

河道邊坡的穩定性是關系邊坡安全的關鍵，邊坡一旦失穩將引起河道岸坡的塌陷、河底的隆起等破壞，嚴重影響邊坡施工及工后的使用安全。目前水泥土粉噴樁在河道邊坡及護岸工程中得到了廣泛應用。

水泥土攪拌樁是加固飽和軟粘土地基的一種成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機械，在地基中就地將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間產生的一些列物理- 化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的優質地基。其中將用水泥粉體與軟土攪拌形成的柱狀固結體成為粉噴樁。目前國內各行業規范及國標對于水泥攪拌樁的應用均以復合地基的形式出現，大多數主要考慮復合地基的地基承載力及復合地基的沉降等設計計算，對水泥攪拌樁復合地基的適用范圍、施工工藝、單樁承載力計算、復合地基承載力計算、復合基底沉降計算及檢測標準進行了詳細的描述，但未提及水泥攪拌樁體抗剪強度指標的計算，也未提及剛性樁復合地基抗剪強度指標的計算。

通過分析現有規范及其他資料，并結合工程實例，對河道工程中水泥土粉噴樁抗剪強度指標、復合地基綜合抗剪強度指標及邊坡的整體穩定進行分析，以供類似項目借鑒。

1 工程概況

廣東省珠海市某河道整治項目，工程等別為Ⅱ等，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第一組。河岸頂高程為3.8 m，部分靠近橋墩的區段填土達到5.5～7.6 m，考慮到地基大部分為淤泥質土，屬軟弱地基土層，承載力低，壓縮性高，對工程結構安全影響較大，靠近橋墩區域河道邊坡整體穩定無法滿足規范要求，對于該工程，最經濟的做法是放緩堤坡和控制施工加荷速率或采用預壓地基，加快土體固結，但河道坡比已調整成1∶4，前者沒有足夠的空間來實現上述方法，而預壓地基需要較長的時間來完成固結，所以只能放棄這兩種方案，擬對該區域局部采用水泥土攪拌樁復合地基加固。地質參數及河道特征水位見表1、表2。

表1 地質參數表

表2 河道特征水位表

2 水泥土粉噴樁抗剪強度指標的選取

目前國內各行業規范及國標對水泥攪拌樁的抗剪強度指標的計算均未提及，《地基處理手冊》（龔曉南主編第三版）[1]對水泥土的抗剪強度開展了一系列直剪試驗，結果見表3。

表3 《地基處理手冊》直剪試驗表

由表3 可知，水泥土較原天然土的黏聚力和內摩擦角有較大的增加，當水泥土的無側限抗壓強度qu在0.6～3 MPa 的范圍內，其黏聚力比天然土大10～20 倍，內摩擦角加大一倍左右。所以水泥土的抗剪強度隨其無側限抗壓強度的增大而增加，其黏聚力與無側限抗壓強度qu的比值約0.2～0.3，其內摩擦角變化在20°～30°之間。

根據以上結果本文做了相關回歸分析，得到黏聚力c 和無側限抗壓強度qu的關系是如下：

設計要求水泥土攪拌樁樁體在標準養護條件下28 d 齡期立方體抗壓強度不小于1.0 MPa，根據式（1）計算得黏聚力c 為237 kPa（此處無側限抗壓強度標準值按28 d 齡期立方體抗壓強度計算），內摩擦角φ 取25°。

另《廣東省海堤工程設計導則》（DB44 T182—2004）[2]附錄R，攪拌樁樁身黏聚力可按式（2）計算；

式中：η 為樁身強度折減系數，取0.20～0.30；fcu為與攪拌樁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28 d 齡期的立方體抗壓強度平均值，kPa；φ 為攪拌樁樁身內摩擦角，取20°～24°。

根據式（2）計算得黏聚力c 為70.02 kPa，內摩擦角取22°，見表4。

表4 水泥土粉噴樁抗剪強度指標

綜合以上兩種計算方法，《地基處理手冊》采用的是無側限抗壓強度，試樣尺寸為φ50×100 mm；而《廣東省海堤工程設計導則》采用的是立方體標準抗壓強度標準值，試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm，根據歐標BS EN 1992-1-1∶2004[3]中表3.1 中所示，圓柱體試塊抗壓強度約只有80%的立方體抗壓強度，因此前者計算所用的無側限抗壓強度強度將小于0.8MPA；另《地基處理手冊》中未區分干法與濕法，干法較濕法所得的黏聚力較小，所以前者計算的參數較后者大，為安全起見，本文推薦廣東省及附近區域的項目擬采用《廣東省海堤工程設計導則》的公式進行水泥土粉噴樁抗剪強度指標的計算。

3 復合地基抗剪強度指標的計算

河道靠近橋墩區域在河道二級斜坡后方采用了水泥土攪拌樁地基處理，靠近河側設置5 m 寬淺層攪拌樁，樁長8 m，再在陸側方向設置15 m 深層攪拌樁，樁長18 m，樁徑500 mm，采用梅花型布置，縱橫向間距均為1.0 m，置換率為19.63%。

《粉體噴攪法加固軟弱土層技術規范》（TB 10113—96）[4]中，在計算用粉噴技術形成的復合地基的基礎及邊坡穩定性時復合地基的抗剪強度計算公式中黏聚力c 的計算方法與《廣東省海堤工程設計導則》一致，但沒有內摩擦角φ 的推薦計算方法，本文推薦采用《廣東省海堤工程設計導則》附錄R中的公式計算復合地基的綜合抗剪強度指標，為河道邊坡的整體穩定計算提供數據支持。

《廣東省海堤工程設計導則》攪拌樁復合地基的等效強度指標按下式計算

式中：c1為攪拌樁樁身黏聚力，kPa，可按式（2）計算；φ1為內摩擦角，取φ1=20°～24°；c2為軟土層黏聚力，kPa；φ2為內摩擦角，（°）；m 為面積置換率；K1為攪拌樁的剛度，kN/m；K2為樁周軟土部分的剛度，kN/m；β 為樁的沉降S1和樁周軟土部分沉降S2之比，對填土，可取β=0.5，對剛性基礎，則β=1。

K1為攪拌樁樁頂土層的剛度，kN/m；K2為攪拌樁樁身的壓縮剛度，kN/m；K3為攪拌樁樁底土層的剛度，kN/m；A1為攪拌樁截面積，m2；A2為樁周土截面積，m2；d 為攪拌樁直徑，m；μ 為泊松比，取0.3；ω 為形狀系數，取0.79；E'，為樁頂土層的變形模量，kPa；E'' 為樁底土層的變形模量，kPa；Ep為攪拌樁的壓縮模量，kPa；Es 為樁間土的壓縮模量，kPa；L 為攪拌樁樁長，m。

復合抗剪強度指標見表5。

表5 復合抗剪強度指標

4 河道邊坡整體穩定計算分析

4.1 斷面結構型式

斷面結構型式見圖1，-1.0～0.5 m 范圍內護坡設置300 mm 厚雷諾護墊，護墊下分別設置碎石墊層及土工布一層，并布置密排木樁，常水位以上護坡設置三維水土保護毯。在靠近橋墩的地方由于填土最高達到7.6 m，河道靠近橋墩區域在河道二級斜坡后方采用了水泥土攪拌樁地基處理。

圖1 河道斷面圖（單位：mm）

4.2 河道邊坡整體穩定計算

采用SLIDE 有限元軟件分別計算了河道斷面在正常工況下未采用地基處理和采用地基處理及非常工況下采用地基處理后的整體穩定，地理處理區域的計算原則是加固區和未加固區土體采用不同的強度指標，未加固區采用天然地基土體強度指標，加固區土體強度指標可采用復合地基土體綜合強度指標，計算參數分別采用表1 和表5。整體穩定有限元分析見圖2。

由表6 和斷面最不利滑動面可知，地基加固后整體穩定性安全系數在各種工況條件下均滿足規范要求。

圖2 整體穩定有限元分析

表6 整體穩定計算結果

本次設計河道護岸采用水泥土粉噴樁加固后，正常工況下整體穩定計算結果較未地基處理前增大約50%，地基處理的效果較好，也說明項目采用水泥土粉噴樁加固是一種合理的處理方式。

5 結 論

（1）通過查閱大量規范及文獻，列舉了部分涉及水泥土粉噴樁抗剪強度指標計算的方法并進行對比分析，確定了工程實例的相關抗剪強度指標參數，并根據推薦的參數計算河道的整體穩定性，計算結果滿足規范要求，且正常工況下整體穩定計算結果較未地基處理前增大約50%，同時項目已實施大半年并安全穩定運行，驗證了本文使用方法的合理性。

（2）推薦廣東省及附近區域的河道邊坡項目在整體穩定計算時擬采用《廣東省海堤工程設計導則》附錄R 的公式進行水泥土粉噴樁抗剪強度指標的計算。