基于松花江北岸防汛搶險通道工程堤防地基處理

2013-08-06 03:27:14劉志剛滿海洲

黑龍江水利科技 2013年11期

劉志剛，滿海洲

(哈爾濱水務投資集團有限公司，哈爾濱 150000)

1 地質概況

現狀堤防有三種類型:土堤數量較少，主要為混合堤和砂堤。其中，萬寶段堤防為混合堤，以低液限黏土及低液限粉土、級配不良細砂為主;前進段堤防為砂堤和混合堤，以低液限黏土、級配不良細砂為主，其中0+000～4+000 為砂堤，其余部分為混合堤。松浦堤防段為混合堤，以低液限黏土、級配不良細砂組成。東方紅堤身主要為低液限黏土，大部分含細粒土細砂組成。堤基土容許承載力一般為120～200 kPa，堤身高約6 m，堤基承載力一般可滿足要求。腰堡方臺堤堤基上部為粉質黏土，局部為粉土均呈軟塑狀態;其下為飽和松散狀態的細砂，淤泥質細砂和淤泥質粉土等屬多層結構地基，性狀差、透水性強［1］。

2 老堤加高加固段地基處理

2.1 處理方案擬定

在老堤加高加固段，原有堤防已運行多年，邊坡穩定性較好。老堤加高加固段堤基部分加高約6.0 m，根據設計的路堤結構，經邊坡穩定分析計算，呈穩定狀態。

加高部分經計算，引起的沉降量約為0.2～0.5 m，易造成新老結合部位及各段沉降差。但是，經地質條件分析，本工程全段地基土一般為砂土層，滲透系數大，固結速度快，因此可通過堆載預壓(先堆填加高部分填土，經過一定時間固結沉降后再修建路面等結構)以減少沉降及沉降差。新老結合部按1∶2臺階開挖，并在路基頂設置三層土工格柵。在有混凝土板護坡段，根據本次設計要求清除，同時將培厚部分的堤基按新建堤防堤基要求進行處理［2］。

根據地勘勘察，堤基淺表部為含細粒土細砂和含細粒土細砂，初判為液化土。但是，埋深淺，地下水位較高，結構松散。根據《公路工程抗震設計規范》(JTJ044—89)，基本烈度為Ⅵ度地區的公路工程，除國家特別規定外，可采用簡易設防。本工程區基本烈度為Ⅵ度，所以設計時采取基底和隔層加筋、平臺鎮壓、碾壓等措施可滿足要求。

2.2 有限元分析計算

以東方紅段典型斷面為例，建立斷面二維有限元模型同，模型圖見圖1。天然土層分為三層，分別為低液限黏土、細砂和粗砂，最上層為回填砂土。回填過程中共設3 道土工格柵。路面荷載按JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》［3］中一級車道荷載的均布荷載標準值10.5 kN/m計取。土工格柵剛度為50 MPa。

二維有限元計算應力應變的計算結果顯示見圖2。在未計入道路結構荷載后1個月與5個月沉降結果接近，總沉降約168 mm，與上述分析的土層為砂性土原因一致，說明只要施工質量保證，土方填筑完1個月后，新老路堤路堤基本沉降穩定，然后可通過上部路床調整平整，可達到新老路基差異沉降。道路結構層施工完成后，工后總沉降約198 mm，二維有限元計算應力應變結果，見圖3。

土工格柵軸力計算的結果見圖4，圖4 同時顯示了各層土工格柵的軸向應力，頂層最大應力一般在5 kN/m，而底層最大應力為42 kN/m。根據規范，實際底層采用單向土工格柵5% 伸長率時拉力≥120 kN/m。

圖1 加寬段斷面二維有限元模型圖

圖2 二維有限元計算應力應變結果(土方完成后)

圖3 二維有限元計算應力應變結果(路面完成后)

圖4 土工格柵軸力計算結果

3 松浦至科技學院段地基處理

受搶險通道穿越松浦大橋和交通線形要求，該段在堤外灘地加寬，而該段屬于松花江北汊彎道凹案，深槽逼岸，所以該段堤身加寬和護坡需考慮特殊方案。另外，由于該段加寬填土較高，對松浦大橋的橋樁可能會產生影響，需對橋墩進行保護。

3.1 堤身加固方案

根據穿越線形和現狀灘地，為盡量減小對外側橋墩的影響，同時盡量減小對行洪的影響，考慮將外側邊坡調整為水上1∶2、水下1∶2.5。水下清基完成后，鋪設高強土工布軟體排，并用鉸鏈排壓排，再進行吹泥管袋施工，至常水位以上后，外坡采用土工格柵加筋滿足邊坡穩定要求。堤腳位置為防止沖刷，除采用混凝土鉸鏈排保護外，采用拋石護腳。

3.2 橋墩保護方案

3.2.1 處理方案

該段除采用加筋并調整邊坡外，在松浦大橋位置還考慮綜合運用隔離樁、提高基礎承載力和輕質材料3 種方式，減輕堆載對橋墩影響。輕質材料主要是在加筋邊坡內側大面積填土采用粉煤灰填筑。隔離樁與基礎承載力提高考慮2 種方案比較:

1)方案一:鉆孔灌注樁+壓密注漿。吹泥管袋施工至常水位以上后，施工鉆孔灌注樁，樁長30 m，樁徑為φ 1 000，并澆筑導梁提高整體性。然后，在樁后施工壓密注漿，深15 m，寬8 m，注漿孔間距3.0 m，梅花形布置。

2)方案二:水泥攪拌樁格構布置。吹泥管袋施工至常水位以上后，進行水泥攪拌樁施工。水泥攪拌樁形成整體格構式，橫向寬8.0 m，樁深20 m，近樁側雙頭雙排，其余雙頭單排。

3.2.2 有限元分析計算

為研究橋樁右側采用鉆孔灌注樁和壓密注漿體作為保護措施的可行性，計算以下3 種工況:①未有保護措施;②采用20 m深水泥攪拌樁和壓密注漿體;③采用30 m深鉆孔灌注樁和壓密注漿體。計算模型見圖5。

圖5 有限元分析計算模型圖

計算時首先考慮地應力平衡，在橋樁、承臺、地基土激活狀態下進行應力平衡，后進行分層填土，每層填土固結時間為20 d，最后一級填土完成后，固結30 d。為了比較保護措施的效果，三種工況計算過程相同。

3.2.2.1 沒有保護措施工況

橋樁周圍沒有保護措施，直接填筑路基。由圖6(a)可知，固結完成后，路基最大水平位移為22.77 mm;最大沉降量為68.29 mm;橋樁承臺豎向位移為10.31 mm;橋樁承臺水平位移為4.61 mm;樁基最大水平位移為5.55 mm。

3.2.2.2 20 m深水泥攪拌樁加壓密注漿體

在橋樁右側及前后采用20 m深水泥攪拌樁加壓密注漿隔離，后填筑右側路基。其由圖6(b)可知，固結完成后，路基最大水平位移為21.85 mm;最大沉降量為64.44 mm;橋樁承臺豎向位移為10.21 mm;橋樁承臺水平位移為4.42 mm;樁基最大水平位移為5.47 mm。

3.2.2.3 30 m深鉆孔灌注樁加壓密注漿體

在橋樁右側及前后采用30 m深鉆孔灌注樁加壓密注漿體隔離，后填筑右側路基。由圖b(c)可知，固結完成后，路基最大水平位移為21.24 mm;最大沉降量為63.09 mm;橋樁承臺豎向位移為9.87 mm;橋樁承臺水平位移為3.70 mm;樁基最大水平位移為5.02 mm。

圖6 水平位移分布圖

圖7 沉降分布圖

圖8 樁身水平位移分布圖

以上計算可知，采用圍護措施后，橋樁及承臺位移有所減小，水平位移減小的幅度相對較大，采用20 m深水泥攪拌樁加注漿體方案，承臺水平位移減少4.1%，承臺豎向位移減少了1%，樁身最大水平位移減少了1.4%;采用30 m深鉆孔灌注樁加壓密注漿體方案，承臺水平位移減少19.74%，承臺豎向位移減少了4.27%，樁身最大水平位移減少了9.55%。

根據計算分析，兩種對橋墩保護都可行，其中方案一投資約220萬元，方案二投資約170萬元。

從橋墩安全性考慮，本階段推薦采用方案一即鉆孔灌注樁+壓密注漿方案，下階段根據施工單位設備確定施工方案。