剛性樁復(fù)合地基在港口工程岸坡處理中的應(yīng)用

◎ 王濤 廣西納海交通設(shè)計咨詢有限公司

1.概述

港口工程因建設(shè)選址的因素影響，河道或海岸由于長期受河道淤積沉積或海水進退過程中的泥沙淤積，港口建設(shè)地點往往存在厚度大、承載力低、地基穩(wěn)定性差的軟土地基。特別是在碼頭水工結(jié)構(gòu)臨水處，港池開挖與港口面高程存在較大高差時，由于受河道或海岸沉積作用明顯，常存在軟厚的軟弱土層，在高樁梁板結(jié)構(gòu)港口水工建筑物方案中，港池與碼頭后方銜接需要采用岸坡過渡，原狀土開挖無法滿足岸坡穩(wěn)定的情況經(jīng)常出現(xiàn)，需要針對軟弱地基土層的岸坡結(jié)構(gòu)進行工程加固。

目前在我國沿海及內(nèi)河流域，針對軟土地基高樁碼頭岸坡結(jié)構(gòu)加固常采用復(fù)合地基法進行加固，如開挖換填法、振沖置換法、深層水泥攪拌樁法等[1]。復(fù)合地基根據(jù)樁體材料性質(zhì)，可分為散體材料樁復(fù)合地基、柔性樁復(fù)合地基和剛性樁復(fù)合地基。散體材料樁復(fù)合地基，樁體主要有散體材料通過施工密實組成，如振沖置換法置換形成的砂樁、碎石樁等；柔性樁復(fù)合地基，樁體為剛度較小的豎向增強體如CFG樁、素混凝土樁、深層水泥攪拌樁、旋噴樁等；剛性樁復(fù)合地基，為剛度較大的豎向增強體如灌注樁、管樁、鋼管樁等進行地基加固。在港口工程岸坡處理中，常采用散體材料樁復(fù)合地基和柔性樁復(fù)合地基，本文針對剛性樁復(fù)合地基在港口工程岸坡處理中的應(yīng)用進行探討。

2.港口工程岸坡地基處理常用方法及問題

2.1 開挖換填法

換填法是將基礎(chǔ)底面以下一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后以質(zhì)地堅硬、強度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填，并同時以人工或機械方法分層壓、夯、振動，使之達到要求的密實度，成為良好的人工地基。換土墊層與原土相比，具有承載力高、剛度大、變形小等優(yōu)點[2]。

受港口岸坡形式的影響，岸坡高差較大，在軟弱土層分布較厚的情況下，岸坡滑動面較深，采用換填法需開挖換填至滑動面以下方能起到換填作用，導(dǎo)致工程開挖回填量過大，在開挖回填施工過程中存在施工期臨時岸坡失穩(wěn)的風(fēng)險。該方法在岸坡處理中，針對分布較淺的軟土或局部存在的軟土處理較為理想，在分布較厚的軟土地基經(jīng)濟性較差。

2.2 振沖置換法

振沖置換法，是指加固軟粘土地基時利用振沖器反復(fù)水平振動和沖水的作用，在加固土體中成孔，并振填碎石，形成碎石樁，構(gòu)成碎石與加固土體的復(fù)合地基。碎石樁自身強度高于加固土體，并可發(fā)揮一定排水作用，加速土體固結(jié)的方法[2]。

該方法在工程中廣泛應(yīng)用，在實際工程應(yīng)用中比較容易出現(xiàn)由于地質(zhì)條件的變化、現(xiàn)場施工設(shè)備條件等因素導(dǎo)致施工質(zhì)量無法滿足設(shè)計要求的情況出現(xiàn)，處理效果在土層豎向地基承載力提升上較明顯，在岸坡失穩(wěn)土體剪切破壞中的作用不夠明顯。

2.3 深層水泥攪拌樁法

深層水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械在地基將軟土或沙等和固化劑強制拌和，使軟基硬結(jié)而提高地基強度[2]。

該處理方法在港口工程中有較多應(yīng)用，常用于提高重力式結(jié)構(gòu)地基承載力，在岸坡處理中也有應(yīng)用。在岸坡處理中，由于受攪拌機械的性能及施工監(jiān)控系統(tǒng)的差異影響，容易出現(xiàn)處理結(jié)果無法滿足設(shè)計要求、斷樁等問題，同時水泥攪拌樁的使用受土層物理化學(xué)性質(zhì)制約，在施工中易出現(xiàn)處理方案無法實施的情況。

3.剛性樁復(fù)合地基在岸坡處理中的應(yīng)用

3.1 散體材料樁及柔性樁復(fù)合地基

目前，采用散體材料進行地基處理，其地基的穩(wěn)定可采用圓弧滑動法分析，已得到工程界的共識，對于采用具有膠結(jié)強度的材料進行地基處理，其地基的穩(wěn)定性分析方法還有不同的認識。同時，不同的穩(wěn)定分析方法其保證工程安全的最小穩(wěn)定系數(shù)的取值不同，采用具有膠結(jié)強度的材料進行地基處理，其地基整體失穩(wěn)是增強體斷裂，并逐漸形成連續(xù)滑動面的破壞現(xiàn)象，已得到工程的驗證[3]。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）規(guī)范修訂組的研究，采用無配筋的豎向增強體的地基處理，其提高穩(wěn)安全性的能力是有限的。工程需要時應(yīng)配置鋼筋，增加增強體的抗剪強度[3]。目前在現(xiàn)行水運行業(yè)規(guī)范中，尚未有相關(guān)內(nèi)容的說明。

以直徑400mm，長20m的C25素混凝土樁在m值為2000的土體中做邊坡處理為例進行驗算，根據(jù)《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTS 151-2011）[4]：

樁體受彎承載力設(shè)計值：

式中：

γd——素混凝土結(jié)構(gòu)系數(shù)；

γm——截面抵抗矩的塑性影響系數(shù)；

ft——混凝土抗拉強度設(shè)計值；

Wt——截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

經(jīng)計算樁體抗彎強度設(shè)計值為6.38kNm。

樁體受剪承載力設(shè)計值：

式中：

γd——結(jié)構(gòu)系數(shù)；

βh——截面高度影響系數(shù)；

ft——混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值；

b——截面受拉邊緣的彈性抵抗矩；

h0——截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

經(jīng)計算樁體抗剪強度設(shè)計值為91.03kN。

假定樁體受可變作用產(chǎn)生的土壓力為均布荷載，在可變作用持續(xù)增加達到樁體承載力，采用m法驗算樁體受力情況，見圖1。

圖1 驗算結(jié)構(gòu)內(nèi)力示意圖

通過驗算，在逐漸增加樁體受可變土壓力作用下，構(gòu)件受彎首先達到抗彎極限，且抗彎達到極限時抗剪能力遠未發(fā)揮到極限，樁體受彎破壞。驗證了采用無配筋的豎向增強體的地基處理，其提高穩(wěn)安全性的能力是有限的。膠結(jié)材料抵抗水平荷載和彎矩的能力較弱，對整體穩(wěn)定作用假定其樁體完全斷裂，只能按滑動面材料的摩擦性能確定抗剪強度指標，其膠結(jié)材料特性未能發(fā)揮其優(yōu)勢。

以驗算情況為例，同樣考慮為有配筋的灌注樁，抗彎強度明顯增加，另外國內(nèi)某廠家的定型產(chǎn)品400mm地基處理用管樁，抗彎強度為58kNm，遠高于柔性樁抗彎強度。剛性樁（灌注樁、地基處理用管樁、鋼管樁等）的施工質(zhì)量，較其他柔性樁更容易得到控制，雖單位工程造價較柔性樁高，但在同樣岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的情況下，由于樁體抗彎承載力增強，彎曲破壞的可使用抗剪強度的有效提高，使得地基處理置換率有效降低，施工速度和質(zhì)量上都較柔性樁有明顯優(yōu)勢。

3.2 剛性樁復(fù)合地基在岸坡穩(wěn)定中的工程案例

案例一：

在港口工程岸坡處理中，常用柔性樁（水泥攪拌樁、CFG樁等）對岸坡穩(wěn)定進行處理。廣西壯族自治區(qū)梧州市某港口工程，其碼頭岸坡處存在軟弱土層，岸坡無法滿足整體穩(wěn)定要求，其主要巖土參數(shù)見表1。

表1 工程案例一主要巖土參數(shù)表

在項目初步設(shè)計階段，碼頭岸坡處理設(shè)計方案采用D600間距1000mm水泥攪拌樁對岸坡進行加固處理。由于項目工期緊，攪拌樁施工周期長，施工質(zhì)量控制受設(shè)備影響大的情況，在施工圖階段采用剛性樁加固方案。

項目主要軟弱土層為粘土、粉土，打入樁施工條件好，采用D500地基處理用管樁進行驗算，按樁體彎曲破壞的可使用抗剪強度，在巖土計算軟件中以微樁單元對土體進行加筋處理，計算穩(wěn)定樁間距1500mm，剛性樁復(fù)合地基岸坡處理方案見圖2，計算結(jié)果見圖3。

圖2 剛性樁復(fù)合地基岸坡處理方案

圖3 剛性樁復(fù)合地基按微樁單元加筋整體穩(wěn)定計算

剛性樁復(fù)合地基方案降低了地基處理樁基置換率，打入樁相對于水泥攪拌樁施工質(zhì)量控制更有保障，有效的降低了施工工期，工程造價上也基本相當，在施工過程中也受到參建各方認可，工程案例現(xiàn)場施工見圖4。

圖4 剛性樁（管樁）復(fù)合地基現(xiàn)場施工

圖5 剛性樁復(fù)合地基岸坡處理方案

圖6 剛性樁（灌注樁）復(fù)合地基現(xiàn)場施工

案例二：

廣西壯族自治區(qū)貴港市某港口工程，其岸坡部分有較厚雜填土，巖土力學(xué)指標較差，經(jīng)計算岸坡無法滿足穩(wěn)定要求，在雜填土層中夾雜有大量開山塊石及建筑垃圾，又由于后方緊鄰廠區(qū)堆場等設(shè)施，開挖換填受限，采用柔性樁效果較難保證，設(shè)計階段擬采用剛性樁處理，由于含有大量開山塊石，打入樁條件較差，最終采用低配筋率的灌注樁對岸坡進行加固處理。

4.結(jié)語

本文作者通過查閱大量標準規(guī)范和文獻，總結(jié)歸納出了剛性樁復(fù)合地基處理方式在港口工程岸坡穩(wěn)定中的應(yīng)用優(yōu)勢，結(jié)合計算及工程實踐進行驗證，對相應(yīng)類似工程具有很大的借鑒意義。