深厚軟基加固在板樁岸壁碼頭工程中的設(shè)計研究

胡明

（1.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200090；2.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200090）

深厚軟土地基中建造板樁岸壁碼頭存在以下問題：一是板樁墻后土壓力大，墻前土可提供的抗力小，且開挖面土層軟弱易產(chǎn)生較大變位，這就需要板樁具有更大的截面模量及更多的拉錨約束來解決受力大、變形大的問題；二是在岸壁開挖中，尤其對于深水岸壁，由于一側(cè)挖深較深，墻前抗力不足，容易造成岸壁結(jié)構(gòu)踢腳失穩(wěn)，這就需要板樁插入開挖面以下更大深度；三是碼頭后側(cè)堆載，在深厚軟基中地面沉降更加顯著，對于拉錨式板樁岸壁結(jié)構(gòu)，錨碇塊石棱體易發(fā)生較大沉降，從而造成水平拉桿側(cè)斜，改變原設(shè)計受力情況，影響結(jié)構(gòu)安全。

本文依托某板樁岸壁碼頭工程，研究了在深厚軟土地基條件下，通過攪拌樁方式進行軟基加固，提高土體力學(xué)特性，并研究了其設(shè)計方法，以期對同類項目具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 建筑物概況

某已建碼頭前沿線位于現(xiàn)有護岸大堤線內(nèi)側(cè)，總長400m，其中,包括300m 碼頭和上下游各50m 過渡段。碼頭寬度20m，面標(biāo)高3.30m，前沿設(shè)計泥面標(biāo)高-10.50m。平臺位于碼頭場地后方，擬建后平臺總長300m，寬度20m，平臺面標(biāo)高3.30m。（高程系統(tǒng)采用珠江基準(zhǔn)面）

1.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

（1）水工建筑物安全等級：順岸碼頭、后平臺水工建筑物設(shè)計安全等級為Ⅱ級；設(shè)計使用年限為50 年。

（2）主要荷載：①順岸碼頭荷載：流動荷載為100t 平板車；碼頭面均載為碼頭前沿至前軌區(qū)域按10kPa 考慮，碼頭面其余區(qū)域按20kPa 考慮。②后平臺荷載：流動荷載為模塊車行走范圍內(nèi)(2.5m×8.5m)均載120kPa；均布荷載為30kPa。

1.3 設(shè)計水位

設(shè)計高水位:1.08m（高潮累積頻率10%）

設(shè)計低水位:-1.55m（低潮累積頻率90%）

極端高水位:2.21m（五十年一遇）

極端低水位:-2.17m（五十年一遇）

1.4 工程地質(zhì)條件

擬建場區(qū)地貌單元屬珠江三角洲沖、淤積平原。區(qū)內(nèi)基本為第四系地層所覆蓋，基巖以侵入花崗片麻巖為主。

擬建場地上部覆蓋層屬第四系河口～濱海相沉積層，主要由人工填土、淤泥質(zhì)土、粘性土及砂土等組成，下部基巖以花崗片麻巖為主，挖深范圍內(nèi)主要為深厚的②3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，其下土層為③1粉質(zhì)粘土、③2-1粉質(zhì)粘土夾砂、③2-2中砂夾粉質(zhì)粘土、④粉質(zhì)粘土層，以下為中砂層。

②3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，為近代沉積而成，飽和，呈流塑狀，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主，局部為淤泥質(zhì)粘土，夾有砂、粉土薄層，局部砂性較重，以細(xì)砂為主。該層在場地均有分布，厚度變化較大，層厚約為9.80～19.50m，平均厚度為15.70m，其壓縮模量約2.70MPa。該層土具高含水量、易觸變等特性，屬力學(xué)性質(zhì)差、具高壓縮性的地基土層。

2 設(shè)計方案

順岸碼頭總長400m，前沿泥面設(shè)計標(biāo)高為-10.5m，后方地坪標(biāo)高一般為+3.30m，采用拉錨鉆孔排樁結(jié)構(gòu)型式。

板樁墻結(jié)構(gòu)：板樁墻采用鉆孔灌注排樁，規(guī)格為Ф1200@1350mm，進入⑤層中砂約2m 考慮，樁長約33m。樁后采用一排Ф800@600 高壓旋噴帷幕堵漏，帷幕底標(biāo)高為-15.9m。鉆孔排樁上設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型胸墻結(jié)構(gòu)，胸墻承臺底板底標(biāo)高為-0.50m，板厚為0.8m，承臺底板寬為6.80m。

錨碇墻結(jié)構(gòu)：錨碇墻中心線距離碼頭前沿線一般為33m，錨碇墻高度4.4m，頂標(biāo)高+2.1m，底標(biāo)高-2.3m。墻前設(shè)干砌塊石棱體，在標(biāo)高-0.10m 處設(shè)鋼拉桿一道，間距1450mm。

地基加固：為改善結(jié)構(gòu)受力條件，對駁岸結(jié)構(gòu)主動區(qū)和被動區(qū)第②3層淤泥質(zhì)粘土層采用2Ф700@500雙軸水泥攪拌樁格柵型加固。鉆孔灌注樁排樁駁岸后方約11.5m 范圍內(nèi)加固深度為17.8m，加固體頂標(biāo)高為-0.70m，底標(biāo)高為-18.5m，置換率～50%。鉆孔排樁前方軟基處理范圍一般為～10m，加固體頂標(biāo)高為-10.50，底標(biāo)高為-18.5m，置換率～60%。

碼頭后沿20m～40m 地坪范圍設(shè)置后平臺結(jié)構(gòu)，平臺長300m，寬20m，平臺面標(biāo)高+3.30。塊石棱體頂面直接位于石渣墊層下，承擔(dān)了一部分平臺荷載，綜合考慮，在后平臺區(qū)域，約26.4m 范圍內(nèi)加固體深度為7m，加固體頂標(biāo)高為-2.4m，底標(biāo)高為-9.4m，置換率～50%。

3 加固地基的設(shè)計計算

采用水泥攪拌樁進行地基加固，改善土層力學(xué)性質(zhì)，主要包括三部分：一為板樁墻后地基土的加固，減小板樁后土壓力；二為板樁墻前地基加固，主要為提高墻前被動土壓力和增加土水平剛度；三為平臺區(qū)地基加固，提高地基承載力和增加豎向剛度。

3.1 主動加固區(qū)設(shè)計方法

墻后處理部分，主要考慮對主動破壞時的滑楔體范圍，即墻后處理寬度為L=h0*tan（45°-ψs/2），墻后處理深度為h0。其中h0對應(yīng)的零點為土壓力應(yīng)力零點，此部分可采用階梯型攪拌樁加固。

復(fù)合土體綜合強度指標(biāo)可采用面積比法，復(fù)合土體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的計算公式根據(jù)文獻[1]：

式3.1～3.3 中：

m-為復(fù)合地基置換率；

Csp、ψsp-分別為處理后復(fù)合土體的內(nèi)聚力（kpa）和內(nèi)摩擦角(°)；

Cs、Cp-分別為樁間土和樁體的內(nèi)聚力（kpa），Cp 可取0.2qu～0.3qu，qu 可取28d 水泥土強度；

ψs、ψp-分別為樁間土和樁體的內(nèi)摩擦角(°)，水泥內(nèi)摩擦角ψp 可取20o～30o；

qu28-為樁體28 天齡期水泥土無側(cè)限抗壓強度（kpa）；

η-干法可取0.20～0.30，濕法可取0.25～0.33。

3.2 被動加固區(qū)計算方法

根據(jù)文獻[1],被動區(qū)加固土體的寬度不宜小于基坑開挖深度的0.4 倍，且不宜小于4m；加固土體的深度不宜小于3m，宜為土壓力應(yīng)力零點位置高度hp。

圖3.1 被動區(qū)加固范圍示意圖

當(dāng)被動區(qū)加固寬度小于計算寬度時，復(fù)合土體指標(biāo)可按下式計算：

式3.4～3.6 中：

Csp*、Cs、Csp-分別為被動區(qū)等效內(nèi)聚力、樁間土內(nèi)聚力及格柵加固土體復(fù)合內(nèi)聚力（kpa）；Csp 計算可詳見3.1 式；

ξ-為坑內(nèi)被動區(qū)加固部分置換率；

a-加固區(qū)寬度；

b-沿墻邊加固區(qū)寬度；

L-非連續(xù)布置加固體中心距。

3.3 復(fù)合地基豎向承載力計算

多樁型復(fù)合地基承載力特征值，應(yīng)采用多樁復(fù)合地基靜載荷試驗確定，初步設(shè)計時可根據(jù)文獻[2]進行估算采用下列公式估算：

式3.7～3.8 中：

m-為復(fù)合地基的面積置換率；

λ-為樁體的單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；

Ra-為單樁承載力特征值（kN）；

Ap-為單樁的截面積（m2）；

β-為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；無經(jīng)驗時可取0.9～1.0；

fsk-為處理后復(fù)核地基樁間土承載力特征值（kPa）；

Es、Ep、Esp-為土體、樁體、復(fù)合地基壓縮模量（kPa）。

表3.1 主動區(qū)土體綜合計算指標(biāo)對比表

表3.2 板樁處理計算指標(biāo)對比表

表3.3 處理前后地基土層計算指標(biāo)對比表

4 結(jié)語

（1）采用攪拌樁對板樁后土體進行加固，范圍主要為主動破壞時的滑楔體范圍。處理后，可較大程度提高墻后復(fù)合土體內(nèi)聚力，從而減小墻后土壓力。

（2）采用攪拌樁對板樁前土體進行加固，可較大程度提高被動區(qū)土壓力及變形剛度。墻前處理范圍宜為被動滑楔體范圍。墻前處理寬度或深度不能滿足上述要求時，宜按處理體積占比被動滑楔體比例進行相應(yīng)指標(biāo)的等效。墻前m 值宜根據(jù)處理后等效土層的指標(biāo)選用相近指標(biāo)進行計算。

（3）采用攪拌樁對土體進行加固，可較大程度提高墻后復(fù)合地基的承載力及壓縮模量。處理寬度主要為對沉降變形有所要求的區(qū)域，處理深度主要為軟弱土層。通過地基處理，減小錨碇塊石棱體沉降而造成的水平拉桿側(cè)斜問題。