岸線結(jié)構(gòu)軟基處理方案優(yōu)化計(jì)算

田義升

（中國(guó)水電十三局國(guó)際部，山東 德州253009）

1 概述

中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)卡塔爾魯塞場(chǎng)地準(zhǔn)備項(xiàng)目中，根據(jù)合同文件及技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，對(duì)海岸線結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)為海成泥的軟基進(jìn)行置換處理。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，須對(duì)淤泥基礎(chǔ)大開挖，施工難度大且項(xiàng)目成本高。另外，基礎(chǔ)大開挖對(duì)該區(qū)南部邊界現(xiàn)有防浪堤穩(wěn)定帶來(lái)不利影響，存在較大安全隱患。項(xiàng)目技術(shù)人員經(jīng)深入分析計(jì)算，綜合考慮，建議業(yè)主及咨詢改換水泥土深層攪拌樁地基加固處理。結(jié)果證明，采用此軟基處理方法，確保了工程質(zhì)量，降低了工程造價(jià)，加快了工程進(jìn)度。

深層水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過(guò)特制的深層攪拌機(jī)械在地基深部將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和，利用固化劑和軟土之間產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥、粉土、飽和黃土、素填土、粘性土以及無(wú)流動(dòng)地下水的飽和松散砂等地基，加固深度可達(dá)20m。當(dāng)?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?%、大于70%或地下水pH值小于4時(shí)不宜采用。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)項(xiàng)目標(biāo)書文件 《巖土解讀報(bào)告第1卷》，地基土pH=7.8，不會(huì)給混凝土耐久性帶來(lái)破壞性影響。因此，可采用水泥作為固化劑的水泥土攪拌法對(duì)地基進(jìn)行處理。固化劑宜選用強(qiáng)度等級(jí)為32.5級(jí)及以上的普通硅酸鹽水泥。海成泥平均天然含水量為31%，應(yīng)采用濕法，即深層水泥攪拌法。

為確定與地基土加固相適應(yīng)的水泥品種、標(biāo)號(hào)和水泥摻入比，預(yù)先進(jìn)行水泥土室內(nèi)配比試驗(yàn)。水泥摻量宜為12%～20%，水泥漿水灰比選用0.45～0.55。外加劑可根據(jù)工程需要和土質(zhì)條件選用早強(qiáng)、緩凝、減水等作用的材料，避免污染環(huán)境。

根據(jù)該工程特點(diǎn)，選定2A區(qū)南端138號(hào)鉆孔地質(zhì)報(bào)告作為設(shè)計(jì)計(jì)算的基本資料。

138號(hào)孔資料顯示：上層海成沙（MSD）層較薄，約3m；其下軟弱的海成泥（MSI）層較厚，約6m，以下為風(fēng)化灰?guī)r（WSL）。

2.1 設(shè)計(jì)方案

填筑區(qū)進(jìn)行深層水泥攪拌樁施工，海成泥土層內(nèi)注漿攪拌，海成沙地層采用原設(shè)計(jì)方案挖除、置換。水泥攪拌樁初步擬定樁長(zhǎng)7m （有效樁長(zhǎng)6m），樁徑φ500mm，樁距1.5m，置換率8.7%。

2.2 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）攪拌樁單樁豎向承載力設(shè)計(jì)計(jì)算。單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁載荷試驗(yàn)確定，也可按式（1）和式（2）進(jìn)行計(jì)算，取其中較小值。

式中 Ra—單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；fcu—與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊 （邊長(zhǎng)70.7mm的立方體）的90d齡期的無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa，按照國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)取2200kPa；AP—樁的截面積，取0.196m2；η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，濕法可取0.25～0.5，該工程取0.4；qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力，淤泥可取4～7kPa，淤泥質(zhì)土可取6～12kPa，軟塑狀態(tài)的粘性土可取10～15kPa，可塑狀態(tài)的粘性土可取 12～18kPa，該項(xiàng)目暫取 10kPa；UP—樁周長(zhǎng)，1.571m；li—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度，m；qp—樁端天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)實(shí)測(cè)資料取1000kPa；α—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，可取0.4～0.6，該工程取0.5。

根據(jù)式（1），（2）則

取小值 Ra＝172.8kN。

（2）攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算。豎向承載水泥土攪拌樁復(fù)合地基的承載力應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁或多樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)確定。初步設(shè)計(jì)可用式（3）估算。

式中 fspk—復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；m—面積置換率，0.087；Ap—樁截面積，取 0.196m2；fsk—樁間天然地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)平均標(biāo)貫擊數(shù)，取50kPa；β—樁間土承載力折減系數(shù) （當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力特征值大于樁周土的承載力的平均值時(shí)，可取0.1～0.4，差值大時(shí)取低值；當(dāng)樁端土未經(jīng)修正的承載力小于或等于樁周土的承載力的平均值時(shí)，可取0.5～0.9，差值大時(shí)或設(shè)置褥墊層時(shí)均取高值；當(dāng)不考慮樁間軟土的作用時(shí)，可取零），該工程取0.4；Ra—單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值，根據(jù)計(jì)算為172.8kN。

即，海成泥（MSI）層地基載力標(biāo)準(zhǔn)值為50kPa，通過(guò)上述地基處理后，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)到94.8kPa。

（3）攪拌樁復(fù)合地基沉降驗(yàn)算。該工程中，攪拌樁復(fù)合地基的變形包括樁頂高程以上土的壓縮變形s1、攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形s2與樁端下未加固土層的壓縮變形s3：

①樁頂高程以上土（MSD）的壓縮變形s1：

式中 s1—地基最終變形量，mm；ψs—沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.9；P0—基礎(chǔ)底面處的附加壓力，取72kPa；Es—基礎(chǔ)底面下土的壓縮模量，取 15MPa；z2，z1—基礎(chǔ)底面至本層土底面、頂面的距離，z2=3m，z1=0m；a2，a1—基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至本層土底面、頂面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，根據(jù)本工程大面積地面荷載作用的特點(diǎn)，按15m寬條形荷載作用計(jì)算附加應(yīng)力系數(shù)，a2=0.993，a1=1。

②攪拌樁復(fù)合土層壓縮變形s2：

式中pz—攪拌樁復(fù)合土層頂面附加壓力值，pz=72×0.977=70.3kPa；pz1—攪拌樁復(fù)合土層底面附加壓力值，pz1=72×0.755＝54.4kPa；Esp—攪拌樁復(fù)合土層壓縮模量，Esp＝0.087×220000+(1-0.087)×1500=20500kPa；Ep——攪拌樁壓縮模量，?。?00～120）fcu（kPa），對(duì)樁較短或樁身強(qiáng)度較低者取低值，反之取高值，220000kPa；Es—樁間土的壓縮模量，取1500kPa；m—面積置換率，取 0.087。

③樁端下未加固土層壓縮變形s3。該工程樁體打到 WSL 層，則 s3＝0。

④復(fù)合地基的變形s。s=s1+s2+s3=12.9+18.2+0=31.1mm。

⑤地基不進(jìn)行處理，海成泥（MSI）層可能的壓縮變形 s2′。

式中 s2′—海成泥（MSI）層最終變形量，mm；ψs—沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.0；P0—基礎(chǔ)底面處的附加壓力，取72kPa；Es—基礎(chǔ)底面下土的壓縮模量，取1.5MPa；z2，z1—基礎(chǔ)底面至本層土底面、頂面的距離，z2=9m，z1=3m；a2，a1—基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至本層土底面、頂面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，a2=0.915，a1=0.993。

經(jīng)計(jì)算地基變形 s′=s1+s2′+s3=12.9+252.3+0=265.2mm。

（4）攪拌樁復(fù)合地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。復(fù)合地基中的樁體可提高土坡的整體穩(wěn)定性。復(fù)合土層的抗剪強(qiáng)度Ssp，分別由樁與樁間土兩部分強(qiáng)度組成，Aboshi等提出按平面面積加權(quán)法求得：

復(fù)合地基粘聚力csp

式中 csp—復(fù)合地基的粘聚力，kPa；cp—水泥土的粘聚力，根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)一般約為fcu的20%～30%，取 25%，則 cp＝0.25×2200＝550kPa；cu—樁間土的粘聚力，取10kPa；m—面積置換率，取0.087。

則 csp＝（1－0.087）×10＋0.087×550＝57.0kPa，取55kPa。

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)，水泥土的內(nèi)摩擦角φp約為30°，按平面面積加權(quán)法求復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角。原狀MSI的內(nèi)摩擦角φu為20°，則復(fù)合地基的內(nèi)摩擦角 φsp=(1-m)φu+mφp=(1-0.087)×20+0.087×30=20.9°。

地基處理前后，分別進(jìn)行防浪堤邊坡穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算參數(shù)見表1。

堤頂高程考慮30kPa的均布荷載，計(jì)算結(jié)果分別如圖 1，2。

經(jīng)計(jì)算，地基處理前，防浪堤邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.02；處理后，安全系數(shù)為3.18。說(shuō)明深層攪拌樁復(fù)合地基大大提高了邊坡穩(wěn)定性。

表1 土層參數(shù)表

圖1 地基處理前防浪堤邊坡穩(wěn)定示意圖

圖2 地基深層攪拌樁處理后防浪堤邊坡穩(wěn)定示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)項(xiàng)目技術(shù)人員方案優(yōu)化計(jì)算，最終說(shuō)服業(yè)主及資詢，確定了2A，軟基填筑區(qū)采用深層水泥攪拌樁地基處理方案，替代大開挖換填的最初設(shè)計(jì)方案。實(shí)際結(jié)果證明，采用上述方案，地基承載力得到了較大提高，地基沉降減小，降低了工程造價(jià)，加快了施工進(jìn)度。

[1]JGJ79－2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]YBJ 225-91，軟土地基深層攪拌加固法技術(shù)規(guī)程[S].