軟土地基條件下港區內大型排洪通道結構設計

曹凱平，章 康，孔友南，程培軍

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

港區布置有時會與區域水利規劃發生關聯，后方地區的排洪通道需要從港區內通過。傳統的排洪通道一般可采用斜坡形式，其結構簡單、施工便利，但因頂面寬度大會占用較多的港區面積及較長的岸線。現今，國內岸線資源日益減少，在國家嚴控填海的政策影響下，不少新建港區的堆場面積已顯不足，如繼續采用斜坡式排洪通道，會對港區運營產生不利的影響。

南方某碼頭工程受后方水利規劃影響，需要在港區內設置一條大型排洪通道。工程受填海政策的影響，自身堆場面積較小。如采用斜坡式結構，排洪通道頂寬約140 m，減少堆場面積達2.1 萬m2；如采用直立式方案，則排洪通道頂寬為55 m，僅減少堆場面積0.8 萬m2。因此本工程不宜采用斜坡式結構。同時，工程區域的地質條件較差，存在厚20 m 左右的淤泥及淤泥質土，給結構方案設計帶來了較大的挑戰。

本文依托該工程，對深厚軟土地基條件下的排洪通道結構形式從施工、造價等方面進行比選，對深厚軟土地基的加固方案及計算方法進行研究。軟土地基處理行業已有較多研究成果，并已形成《建筑地基處理技術規范》[1]，其中水泥攪拌樁加固地基國內學者已開展了大量研究，如秦網根等[2]、曾起召[3]分析采用水泥攪拌樁對板樁墻后主動區的軟弱土進行加固的方法；陳麗琴等[4]探討了在板樁墻前應用水泥攪拌樁進行軟土地基加固的可行性。由于水泥攪拌樁加固范圍有限，在加固范圍之外的軟土性質并未提高，如完全按水泥攪拌樁加固體的參數進行板樁計算，結構偏于不安全。目前國內規范對于鋼板樁及水泥攪拌樁組合結構的計算方法尚無規定，本文建議將水泥攪拌樁加固體作為一個整體考慮，經過分析推導加固體與板樁之間作用的理論計算方法，從而避免過度考慮加固體作用而導致結構不安全的情況。

1 工程概況

本工程為南方某港口工程，新建3 個5 萬噸級通用泊位及相應的堆場，陸域總面積約18.13 萬m2。根據后方水利規劃，需要在堆場內設置一條排洪通道，要求過水寬度不小于50 m，過流面積不小于391 m2。

2 地質條件

工程場地內土層結構較復雜，場地表層為厚6 m左右的回填砂，其下主要為第四系沖、海積淤泥類土層，軟弱土層總厚度近20 m，含水量高、孔隙比大、靈敏度高、壓縮性大、抗剪強度低、力學性質差。下部雜色卵石呈中密-密實狀，工程性質較好，為良好的地基土層。各土層主要指標見表1。

表1 主要土層的物理力學指標

工程區域水位差大，設計高水位7.67 m，設計低水位0.25 m，極端高水位(50 a 一遇)9.11 m，極端低水位(50 a 一遇)-1.06 m，水位差對結構設計及施工的影響較大。

3 結構方案比選

為選擇可行、經濟、有效的排洪通道結構方案，需要綜合考慮工程區自然條件、地質條件、施工條件等。排水通道結構一般可采用以下3 種方案:1)箱涵結構。一般采用現澆鋼筋混凝土方形箱涵，因本工程區域下部軟弱土層厚度大，且箱涵位于堆場下方，為滿足使用要求，需要布置灌注樁基礎，見圖1a)。2)低樁承臺結構。利用上部混凝土結構形成直立擋墻，通過灌注樁基礎穿過軟土層至下方良好持力層，上部承臺采用扶壁式現澆混凝土擋墻結構，見圖1b)。3)板樁結構。板樁可穿透軟土層到達下臥持力層，并利用自身樁體形成擋墻，考慮到軟土下方存在卵石層，采用鋼板樁，見圖1c)。

圖1 3 種結構方案

本工程堆場面積較小、潮差大，施工受潮水影響較大。根據實際情況，對以上3 種結構形式優缺點進行對比，見表2。

表2 各結構形式優缺點對比

經綜合分析，箱涵方案雖然可以節省陸域面積，但造價高，同時箱涵區域的堆場需要限載，無法充分發揮使用功能；低樁承臺結構施工受潮水影響，需要開挖基坑并搭設圍堰，施工工序較多、工期長；鋼板樁結構密閉性好、無需形成基坑、施工便利、速度快、施工費用較低，故推薦采用鋼板樁板樁結構方案。擋墻采用單錨AZ42-700N 型鋼板樁，上部通過現澆胸墻連成一體，拉桿直徑70 mm，間距1.4 m，錨定板采用預制鋼筋混凝土結構，板前設置10～100 kg 碼砌塊石。為確保排洪通道兩側堆場的交通，在排洪通道中部設置一座渠橋連接兩側陸域，并對堆場內的路網布置進行調整，確保排洪通道不影響堆場整體交通。

4 軟土地基加固

4.1 加固方案適用性分析

本工程軟土層厚度大、含水量大、工程性質差，如不經過加固處理，無法滿足工程需要。根據《建筑地基處理技術規范》，對軟土地基的主要加固方法有強夯法、擠密砂樁法以及水泥攪拌樁法等。本工程軟土層為淤泥、淤泥質黏土，含水量高、強度低，強夯法難以抵達軟土底部，因此不適宜采用強夯法；擠密砂樁通過土體置換改善場地性能，本工程軟土層厚度大，砂樁須穿透軟土層，長度過長，施工質量難以保證，同時工程區域附近缺乏良好砂源，因此也不適宜使用。水泥攪拌樁是一種有效的地基加固形式，以水泥作為固化劑，將水泥噴入土體并充分攪拌，與軟土產生物理化學反應，硬化固結成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥加固土樁體，并與樁間土形成復合地基，尤其適用于淤泥、淤泥質土等含水量高且地基承載力較低的軟土加固處理。

利用水泥攪拌樁加固板樁結構的方法，既可采用水泥攪拌樁對板樁墻后主動區的軟弱土進行加固，也可在板樁墻前應用水泥攪拌樁進行軟土地基加固。兩種加固方案均有可取之處:對板樁墻前進行加固可以提高結構的水平承載能力及整體穩定性；對板樁墻后進行加固則可以加強土體性質，減小作用在板樁上的土壓力，同時水泥攪拌樁可以將表面均載傳遞至深層土層，進一步降低板樁上的荷載。方案1 采用墻前加固的方式，方案2 采用墻后加固的方式，見圖2。

圖2 兩種加固方案斷面(高程:m；尺寸:mm)

4.2 加固方案計算方法比較

水泥攪拌樁加固體的等效抗剪強度指標可按面積置換法計算:

式中:cSP、φSP分別為復合土體的黏聚力、內摩擦角；cP、φP為水泥攪拌樁的黏聚力、內摩擦角；cS、φS分別為樁間土的黏聚力、內摩擦角；m為面積置換率。根據《地基處理手冊》[5]，加固后復合土體黏聚力與無側限抗壓力強度qu的比值為0.2～0.3，其內摩擦角變化范圍在20°～30°。本工程的水泥攪拌樁采用格柵式布置，見圖3，面積置換率大于60%。按上述原則取復合土體等效抗剪強度時的cSP＝120 kPa、φSP＝20°。

圖3 水泥攪拌樁布置(單位:mm)

由于水泥攪拌樁加固范圍有限，在加固范圍之外的軟土性質并未提高，仍須考慮軟土的影響。因此，如完全按水泥攪拌樁加固體的參數進行板樁計算，結構偏于不安全。目前，國內設計規范對于如何開展板樁及水泥攪拌樁加固體的協同計算尚無說明，相關研究成果也較少，本文建議將水泥攪拌樁加固體作為一個整體剛體來進行受力推導。

根據《建筑基坑支護技術規程》[6]，水泥攪拌樁加固體可以提供的抗力包括自身重力產生的摩擦力Gtanφ′及由底部土體黏聚力產生的Bc。在極限情況下，認為水泥攪拌樁加固體的抗力充分發揮。

對于方案1，水泥攪拌樁加固體加固了板樁墻前的土體，增強了土體的抵抗能力。增強部分由加固體的Gtanφ′及由底部土體黏聚力產生的Bc組成。將此部分抗力簡化為在水泥加固深度范圍內均布，并與加固體外側的被動土壓力疊加，受力轉化如圖4 所示。

圖4 方案1 受力轉換

調整后的被動土壓力公式:

式中:pmax、pmin分別為最大、最小邊緣壓力；E為作用在水泥攪拌樁加固體上的土壓力水平合力；G為水泥攪拌樁加固體自身重力；φ′為水泥攪拌樁加固體底部土層的摩擦角；B為加固寬度；c為底部土層的黏聚力；h為加固體高度；M為將各力作用于水泥攪拌樁加固體中心后的彎矩和；W為抗彎模量。

對于方案2，在加固區深度范圍內，將水泥攪拌樁加固體自身重力及底部抗力與作用于加固體上的土壓力等按剛體轉換至加固體中心并進行合力轉換，可得通過加固體傳遞至板樁上的荷載，具體轉化可見圖5，作用在板樁墻上荷載可按式(5)(6)計算。地面荷載通過加固體傳遞至加固體底部，對于加固區深度外的土體，仍按常規計算板樁上的作用。

圖5 方案2 受力轉換

在設計低水位工況下，將作用在水泥攪拌樁上自重產生的土壓力及水泥攪拌樁的影響按式(3)(4)計算得墻前加固方案上鋼板樁上的反力，按式(5)(6)計算墻后加固方案上鋼板樁上的荷載，結果見圖6、7。

圖6 方案1 被動土壓力經水泥攪拌樁作用至板樁墻(單位:kPa)

圖7 方案2 主動土壓力經水泥攪拌樁作用至板樁墻(單位:kPa)

將轉化后的土壓力荷載作用于板樁墻，方案1通過在墻前采用水泥攪拌樁的方式，增大穩定力矩；方案2 在墻后采用水泥攪拌樁，減小傾覆力矩。經計算兩個方案的穩定性均滿足要求，結果見表3。

表3 設計低水位繞樁尖穩定性計算結果

通過上述理論分析及轉化，可較為實際地考慮水泥攪拌樁加固體的作用，避免過度考慮其作用而使結構偏于不安全。板樁結構可按轉換后的荷載作用進行計算。

4.3 有限元模型驗證

采用PLAXIS 軟件對兩種方案分別進行驗算。板樁墻采用板單元，拉桿采用錨桿單元進行模擬，土體采用三角形單元模擬。有限元模型見圖8。

圖8 PLAXIS 有限元模型

由于軟土層較厚，先期采取堆載預壓處理增強物理力學性質，在設計低水位下，不考慮板樁墻后剩余水頭作用，板樁墻后5 m 范圍為綠化帶，荷載按10 kPa 考慮；5～12 m 為道路，使用荷載按20 kPa 考慮；12 m 范圍后為堆場，使用荷載按50 kPa考慮。采用PLAXIS 軟件計算的結果見表4?？梢钥闯觯桨? 的土體最大水平位移、板樁墻彎矩小于方案2 結果，拉桿拉力略大于方案2 結果。墻前加固增強了板前土體的抵抗能力，效果優于墻后加固。

表4 PLAXIS 計算結果

5 結論

1)對于深厚軟土條件下的港區內大型排洪通道結構形式，鋼板樁結構施工速度快，無需進行基坑及圍堰的施工，減少了施工工序及難度，推薦采用。

2)對于采用水泥攪拌樁加固板樁的結構，目前國內尚無統一計算方法。水泥攪拌樁因加固范圍有限，不宜均按加固后的復合地基參數來計算板樁結構。本文將水泥加固體假設為剛體考慮，推導了理論計算方法，從而較為實際地考慮了加固體的作用，避免過度考慮其作用而導致結構偏于不安全。

3)通過PLAXIS 軟件進行分析，對于水泥攪拌樁加固方案，兩個方案都是可行的。其中方案1墻前加固方案，土體最大水平位移、板樁墻彎矩小于方案2 結果，拉桿拉力略大于方案2 結果，加固效果優于方案2 墻后加固方案，最終采用方案1 墻前加固方案。