混凝土框架結構改造型式在海塘加固中的應用研究

楊望 鄒戰軍 朱杰驊

收稿日期：

2023-06-13

作者簡介：

楊? 望，男，工程師，主要從事水工結構設計工作。E-mail： 1019087685@qq.com

引用格式：

楊望，鄒戰軍，朱杰驊.混凝土框架結構改造型式在海塘加固中的應用研究

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：52-57.

摘要：

在浙江“海塘安瀾工程”建設過程中，為了使海塘加固滿足工程自身穩定性需求，同時兼顧對周邊生態環境，提出了一種新型海塘改造形式——混凝土框架結構。結合浙江東部健跳塘提升改造工程，分析了結構作用機理，對工程穩定性進行了計算，并結合塘身沉降監測數據對混凝土框架結構的實際應用情況進行了研究。結果表明：混凝土框架結構穩定性及樁基受力滿足要求，適用于軟土環境工程；該結構形式安全穩定，能夠減小工程建設對周邊生態環境的影響。該結構改造形式可為海塘工程提供參考。

關鍵詞：

海塘加固； 混凝土框架結構； 淤泥質土； 穩定性計算； 樁身受力

中圖法分類號：TV871；U656.31

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.009

文章編號：1006-0081（2024）01-0052-06

0? 引? 言

海塘是指浙江省在沿海部位修建的用于御洪潮水的堤防工程，又稱海堤，是沿海地區防御風暴潮襲技術設施體系的重要組成部分，是抵御臺風等自然災害，保障周邊居民生命財產安全的重要舉措［1］。“海塘安瀾工程”建設旨在對海塘保護區的防洪御潮體系進行完善，保障海塘防洪御潮體系和生態景觀等方面的新需求［2］。

在海塘建設過程中，往往需要面對復雜的地質條件和周邊環境，尤其對于老舊海堤的改造加固工程，不僅需要對現狀海堤進行修復，還需要結合工程地質條件綜合設計，設計建設難度較大。近年來，眾多專家學者針對海堤加固工程的設計方案展開了深入的研究工作，吳正中［3］采用層次分析法和德爾菲法建立了海塘工程安全評價體系，用于對海塘工程安全進行全方位評價；葛雙成等［4］研究了注漿加固在海堤工程中的應用情況；郭國林［5］對鋼筋混凝土柵欄板在海堤加固中的消浪機理進行研究。以往的研究工作針對含淤泥質土底層下的海塘加固方案方面較少，基于此，本文在前人基礎上，結合健跳塘提升改造工程實際，針對該項目工程地質中的淤泥質土問題，提出混凝土框架海塘加固方案，并分析混凝土框架結構在海堤加固改造中的應用情況，以論證其在含淤泥質土地層下海塘安瀾工程中的可行性，為后續相關工程的建設提供參考。

1? 工程概況

1.1? 工程簡介

健跳塘位于健跳鎮鎮南、健跳港北岸，其中健跳鎮位于浙江東部黃金海岸線中段、三門縣城海游鎮東面，距海游鎮30 km。健跳港港長17 km，寬300～1 000 m，深9～47 m。現狀海塘塘身為混合式土石結構，迎潮面鎮壓層以上塘身采用混凝土護面。防浪墻頂高程6.4～6.6 m，塘頂寬度約為3.3～5.5 m。

1.2? 工程地質及水文地質條件

根據工程地質勘察成果分析，工程場地地層物理力學參數如表1所示。海塘塘基中Ⅲ層淤泥質黏土，高壓縮性，工程地質性質差；Ⅲcl層粉質黏土，以可塑為主，中等壓縮性，工程地質性質相對較好；Ⅳ層淤泥質粉質黏土，以軟塑、高壓縮性為主，工程地質性質較差；Ⅴ層黏質粉土，稍密，工程地質性質相對較好；Ⅸ層熔結凝灰巖，工程地質性質好。由于淤泥質黏土具有高壓縮性、天然含水量大于液限，屬軟土范疇，工程性質較差，會對工程穩定性產生較大的影響。

在進行海塘設計工作中，除需要明確場地常規水文地質條件外，還需進一步明確所在區域的設計潮位以及設計洪水過程等。

健跳站潮位資料系列為1975～2015年，年最高潮位頻率計算采用P-Ⅲ型曲線擬合，設計低潮位采用下述極值Ⅰ型模型進行分析計算，計算結果見表2［6-7］。

2? 健跳塘混凝土框架結構特點

健跳塘升級改造工程要求海塘加固工程完工后塘身沉降小，以利于老舊塘身的穩定，保護現狀灘涂，盡量減小對海洋生態環境的影響。塘頂擴寬工作盡可能不占用現狀海塘內部土體。健跳塘升級改造工程涵蓋景觀部分，海塘結構設置需將沿岸景觀資源價值利用最大化。基于此，傳統海塘加固方式不能滿足健跳塘海塘加固的部分需求，需針對工程實際進行海塘加固工作。

為應對淤泥質土對工程建設帶來的影響，結合工程實際需求并綜合分析后，對健跳塘采用混凝土框架結構型式進行改造。

混凝土框架結構改造形式如圖1所示。混凝土框架結構是在現狀塘身位置采用混凝土框架結構向外側擴寬，海塘地基部分采用高壓旋噴樁處理，混凝土框架結構地基部分采用混凝土灌注樁處理。在海塘現狀結構布置基礎，塘頂及塘頂外海側布置寬

8.0～13.5 m的混凝土梁板結構平臺，將塘頂向外海側拓寬7.0～10.0 m，原塘身堤頂下部采用高壓旋噴樁對海塘防滲進行加固，原塘身迎潮面混凝土護面外采用混凝土結構進行加固。

針對地層中的淤泥質土，海塘地基采用高壓旋噴樁加固，平臺地基采用混凝土灌注樁處理。海塘地基采用高壓旋噴樁，樁徑70 cm，間隔1 m布置。平臺下部地基采用混凝土灌注樁參數位D80cmC40。此外，因混凝土灌注樁樁位布置在海塘外海，需要設置側拋石鎮壓，拋石鎮壓層厚度約1.2～2.6 m。地基基巖埋深較深地段，混凝土灌注樁樁長為37.0 m，基巖埋深較淺地段，要求混凝土灌注樁樁端嵌入強風化巖80 cm。

如圖1所示，從工程建設角度而言，在所采用的混凝土框架結構中，塘身部分框架結構簡潔，為后續景觀設計提供了便捷的條件。基礎部分采用混凝土灌注樁形式，將上部應力傳遞至下部穩定土層中，避免了塘身沉降破壞的隱患。從環境保護角度而言，外擴部分采用混凝土灌注樁支撐，框架結構為頂面，維持了原有海浪沖擊面，對動植物以及微型生態環境基本不產生影響。

3? 穩定性計算

3.1? 海塘整體抗滑穩定計算

邊坡穩定性評價方法包括極限平衡法和數值法。數值法包括有限元、離散元、邊界元等。極限平衡法包括瑞典圓弧法、畢肖普法、薩爾瑪法等。針對畢肖普法和瑞典圓弧法，有研究表明，大多數情況下兩種計算方法所得穩定性系數K的關系為K畢＞K圓，尤其針對黏性土，二者所得K值差別較難判斷。為保證工程整體安全性，采用瑞典圓弧法計算海塘整體抗滑穩定安全系數［8］。

海塘加固斷面采用框架式斷面進行加固，地基采用混凝土灌注樁+高壓旋噴樁型式加固。在海塘運行期正常運用條件下，內側水位取地面以下50 cm地下水位3.5 m，內側水位取50 a一遇設計低潮位-3.85 m或涂面。地基土層參數根據勘察結果進行取值，具體取值見表1。十字板強度Cu=6.054+1.050Z（數值已按系數0.8折減，Z為地基埋深，m）。

高壓旋噴樁布置區域土層參數取值計算公式：

tanφsp=mμptanφp+（1－mμp）tanφs（1）

Csp=mCp+（1－m）Cs（2）

μp=n1+（n－1）m（3）

式中：φsp為復合土層內摩擦角標準值，（°）；m為面積置換率；μp為應力集中系數；φp為樁體材料內摩擦角標準值，（°）；φs為樁間土內摩擦角標準值，（°）；Csp為復合土層黏聚力標準值，kPa；Cp為樁體材料黏聚力標準值，kPa；Cs為樁間土黏聚力標準值，kPa；n為樁土應力比。

采用上述方法，參數選取如表1所示工程地質勘察中相關巖土工程試驗結果，計算方法選用瑞典圓弧法，對海塘4個關鍵斷面進行穩定性計算。計算成果見表3。以塘0+200斷面為例，海塘抗滑穩定控制土層為Ⅲ淤泥質黏土層，海塘地基采用十字板強度Cu=6.054+1.050Z進行抗滑穩定復核，現狀灘涂面天然邊坡抗滑穩定安全系數為1.06，現狀塘身整體穩定安全系數為1.02，加固后塘身整體穩定的安全系數為1.204。施工期塘身外側安全系數為1.115。計算結果表明，該結構形式抗滑安全系數大于相關規范要求。

混凝土框架結構的作用機理是將上部荷載通過豎向樁結構傳遞至下部穩定土層，以達到規避不穩定土層、降低結構整體沉降量并增加穩定性的目的。計算結果表明，所提出的混凝土框架結構能夠越過淤泥質土地層，將上部堤身荷載傳遞至下部穩定土層中，避免了軟土層結構對工程建設的影響。同時，穩定性計算結果進一步表明，該結構形式具有可行性。

3.2? 混凝土灌注樁樁基計算

灌注樁樁身沉降變形機理如圖2所示，圖中ds為樁身中某一小段，z為水平位移。混凝土灌注樁的荷載傳遞機理實質上是樁土效應的產生，導致樁與土之間力的傳遞與變形協調的過程。樁身的功能主要是將上部荷載傳遞至地基土，由于樁身構造特點，樁身與土體接觸面較大，樁底與土體接觸面積較小（一般低于1%）。在此結構特點的基礎上，樁身上部首先受到荷載作用而產生壓縮以及向下位移，在位移過程中，樁身與土體所產生的摩阻力逐步與上部荷載形成平衡狀態，樁底處樁身軸力與土體反作用力形成受力平衡，同時持力層也在樁身軸力的作用下產生沉降變形，進一步促進摩阻力的發展，共同抵御上部荷載。樁身位移的產生是在軸力、荷載、摩阻力、持力層沉降、樁底反作用力的共同作用下逐步形成并趨于穩定。

因此，明確樁身豎向軸力對于判定結構穩定性具有十分關鍵的作用。混凝土框架結構中灌注樁任一深度截面荷載可表示為

qs（z）=AEpUd2s（z）dz2（4）

式中：U為樁身截面周長，mm；Ep為樁身彈性模量，MPa；A為樁身截面積，mm2。

該工程所采用的混凝土框架結構中混凝土灌注樁設置方式如圖3所示。以樁號塘1+020處典型斷面為例，對鉆孔灌注樁進行受力計算。樁基相關參數取值如表4所示，計算內容如下。

樁承受的豎向力計算如下［9-10］：

Nk=Fk+Gkn±Mxkyi∑yi2±Mykyi∑yj2（5）

式中：Fk為荷載效應標準組合下，作用于景觀平臺頂面的豎向力，kN，該工程景觀平臺上部荷載為房建永久荷載加人群荷載；Gk為樁基及樁基上部混凝土框架的自重標準值，kN；Nk為樁基的平均豎向力，kN；Mxk，Myk為作用于承臺底面繞通過樁群形心的x、y主軸的力矩，kN·m；yi，yj為第j根樁分別至y，x軸的距離，m；n為樁總數。

混凝土灌注樁單樁豎向承載力標準值為

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+αpskAp（6）

式中：Qsk，Qpk分別為單樁總極限側阻力和總極限端阻力標準值，kN；u為樁身周長，m；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值，kPa；li為樁穿越第i層土的厚度，m；α為樁端阻力修正系數，取0.90；psk為樁端附近的靜力觸探比貫入阻力標準值（平均值），kPa；Ap為樁端面積，m2。

基礎單樁運行期承受的最大豎向力為802 kN，樁豎向力平均值為656.17 kN。鉆孔灌注樁布置方案可滿足承載力及海塘整體抗滑穩定要求。

4? 監測數據分析

自健跳塘混凝土框架結構施工完成后，在堤身不同位置設置監測點位，監測工作于2021年12月

開始，主要監測海塘軸線外側（靠海側）、海塘軸線內側（背海側）以及堤頂外側的沉降量。截至2023年6月，部分監測點位累計沉降量如表5所示。由表5可知，健跳塘混凝土框架結構斷面累計沉降量最大發生在塘1+135外側測點，累計值為-111.0 mm，本月最大變形量發生在塘0+330外側測點，累計沉降-4.8 mm。整體監測數據未超過設計要求報警值（報警值控制標準為日沉降量大于10 mm，且連續3 d超標），監測斷面安全。

將健跳塘累計沉降變形最大位置塘1+135斷面處累計沉降量繪于圖4。如圖4所示，采用混凝土框架結構加固海塘后，塘1+135斷面處單日沉降量先增大后減小，截至2023年6月，監測沉降基本已呈現穩定狀態。混凝土框架結構施加后，結構從整體上增加了土體的總應力，同時混凝土灌注樁的施加所產生的樁土效應和軟土層中孔隙水壓力的消散逐步抵消結構所產生的總應力，土體應力重分布逐步穩定。結構施加所造成的應力重分布情況在施加前期較為明顯，表現為施加前期塘身結構沉降量較大；土體應力環境隨時間逐步趨于穩定，表現為沉降量逐漸減小至穩定。此外，塘身中軸線外側沉降量大于內側沉降量，其原因在于塘身周線內側為老舊塘身位置，老舊塘身為混合土石結構，在重力作用下，下部土體已發生次固結現象，土體沉降空間較小，因此新結構引起的塘身軸線內側沉降較小。

5? 結? 論

結合健跳塘提升改造工程對混凝土框架結構改造形式進行研究。首先對海塘工程地質條件以及現狀進行分析，并根據工程實際設計混凝土框架結構，然后采用瑞典圓弧法計算海堤穩定性，并計算混凝土灌注樁受力情況，得出結論如下。

（1） 根據健跳塘海堤邊坡的工程地質條件，設計出混凝土框架結構改造形式。該結構形式塘身工后沉降小、對海洋生態環境沒有不利影響、塘頂拓寬不占用海塘內側土地。

（2） 采用瑞典圓弧法對混凝土框架結構所加固的海堤進行穩定性分析，并計算灌注樁樁身豎向力最大值。計算結果表明：外側穩定性系數均大于1.2，最大樁豎向力數值最大豎向力為802 kN、樁豎向力平均數值為656.17 kN，結構穩定性滿足要求。

（3） 混凝土框架結構簡單，采用樁作為荷載傳導結構，對海塘周邊生態環境影響較小。

參考文獻：

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［3］? 吳正中.海塘工程安全評價研究［D］.杭州：浙江工業大學，2014.

［4］? 葛雙成，劉喜亮，趙永輝，等.海塘隱患及防滲注漿效果檢測技術應用研究［J］.地下空間與工程學報，2013，9（1）：42-47.

［5］? 郭國林.海堤加固中的鋼筋混凝土柵欄板消浪機理及應用［J］.水利科技，2007，117（4）：51-52，55.

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［9］? 岳全慶，周寶龍.可溶巖地區樁基施工風險預測及工程處理措施［J］.水利水電快報，2023，44（5）：55-58.

［10］? 呂大為，趙津磊，王鐵力，等.新建河堤堆載下樁基側向變形及加固控制［J］.人民長江，2019，50（增1）：127-130.

（編輯：李? 慧）

Study on application of concrete frame structure modification type in seawall security project

YANG Wang，ZOU Zhanjun，ZHU Jiehua

（Zhejiang Zhongshui Engineering Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310010，China）

Abstract：

In the construction process of Haitang Anlan Project in Zhejiang Prvince，to meet the stability requirements of the project，taking into account the ecological environment surrounding the construction of the project.A new form of seawall，the concrete frame structure was proposed and the in-depth research on the practical application of this structure was conducted in combination with the Jiantiao Pond Modification Project.The structural mechanism was analyzed and its engineering stability was calculated.The practical situation of the proposed concrete frame structure was studied by consideration of the monitoring settlement data of the structure.The results showed that the structural stability of concrete frame and pile foundation force can meet the relevant requirements，which can be applied to soft soil environment.The structure was stable and can greatly reduce the influence of engineering construction on the surrounding ecological environment.The proposed concrete frame structure can provide a reference for the seawall reinforcement work．

Key words：

seawall reinforcement； concrete frame structure； muddy soil； stability calculation； loading of piles