水泥土攪拌樁在掌洲島堤防加固工程中的應(yīng)用

戴俊

（東莞市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 東莞 523000）

0 前言

水泥土攪拌法是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械，在堤基（身）內(nèi)部將軟土強(qiáng)制攪拌后，由水泥和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理—化學(xué)反應(yīng)，使軟土改性硬化后具有整體性、低滲透性和一定強(qiáng)度的水泥土攪拌樁。可有效提高加固區(qū)軟土的抗剪指標(biāo)強(qiáng)度，增強(qiáng)軟土地基承載力、減少沉降、延長(zhǎng)滲徑等作用。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)位于東莞市道滘鎮(zhèn)，加固段堤防按50 年一遇防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堤防級(jí)別定為3 級(jí)。采用防洪土堤形式加高，設(shè)置二級(jí)平臺(tái)；第一級(jí)為親水平臺(tái)，平臺(tái)高程為3.50 m，寬為4.00 m人行步道；第二級(jí)在堤岸內(nèi)側(cè)填筑土堤，按1∶2.00放坡至堤頂，坡面進(jìn)行景觀綠化，堤頂高程為4.90 m，堤頂?shù)缆穼挾葹?.00 m；背水坡坡比為1∶2.00，設(shè)草皮護(hù)坡，坡腳設(shè)縱向排水溝，堤岸迎水側(cè)采用拋石固腳；并針對(duì)現(xiàn)狀堤防存在的安全問題進(jìn)行達(dá)標(biāo)加固處理。

工程區(qū)主要分布第四系人工填土層（Qs）、第四系沖積層（Qal）和第三系泥巖層（Eb）。地層由上至下：素填土、淤質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥、強(qiáng)風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥巖組成。素填土層呈褐黃色，松軟，成分以粘性土為主，欠固結(jié)，天然含水率29.10%，孔隙比0.917，壓縮系數(shù)0.53 MPa-1，屬高壓縮性，承載力低。淤質(zhì)粉細(xì)砂層呈深灰色，飽和，松散，含淤泥質(zhì)黏粒，滲透系數(shù)大，屬中等透水，易產(chǎn)生滲透變形。淤泥層為灰黑色，飽和，流塑，含少量細(xì)砂，天然含水率63.10%，孔隙比1.697，壓縮系數(shù)1.69 MPa-1，屬高壓縮性，承載力低。粉質(zhì)粘土層呈灰黃色，粘性好，可塑狀，微透水性。強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，巖土力學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，埋藏較深，承載力高，可作為建筑物基礎(chǔ)持力層。各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)建議值表

2 加固設(shè)計(jì)方案

目前堤防工程防滲常用方法有水泥土攪拌防滲墻、混凝土防滲墻、垂直鋪膜防滲等。因工程堤基下臥層為淤泥質(zhì)細(xì)砂和淤泥，采用水泥土防滲墻施工不需開槽，可避免混凝土墻防滲和垂直鋪膜防滲中因開槽出現(xiàn)的塌孔、土層中孔洞無法用泥漿護(hù)壁、槽內(nèi)填土無法夯實(shí)等問題；同時(shí)水泥土攪拌法適用于加固粘土、砂性土、粉質(zhì)粘土、砂礫層、淤泥等土層。因此在靠近外江側(cè)，采用樁徑0.50 m水泥土攪拌樁密排處理，形成一道水泥土攪拌垂直防滲墻。軟土堤基加固則采用樁徑0.50 m水泥攪拌樁復(fù)合地基處理；按正方形布樁，擬定間距為1.30 m，有效樁長(zhǎng)7.00 m，共計(jì)6排；樁身穿透淤質(zhì)粉細(xì)砂和淤泥層，樁端位于粉質(zhì)粘土層。主要技術(shù)參數(shù)：水泥采用強(qiáng)度42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為18%～20%，水灰比控制在0.45～0.60，28 d后芯樣抗壓強(qiáng)度不應(yīng)＜1.00 MPa，滲透系數(shù)i≥1×10-6cm/s，壓縮模量≥100 MPa。設(shè)計(jì)平面布置與標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1、圖2。

圖1 攪拌樁平面布置圖

圖2 堤防加固標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2.1 滲透穩(wěn)定計(jì)算

2.1.1 防滲墻體厚度

防滲墻的厚度應(yīng)滿足墻體抗?jié)B性、耐久性能、墻身強(qiáng)度等要求，還應(yīng)考慮工程地質(zhì)及水文地質(zhì)等因素。根據(jù)《堤防工程手冊(cè)》，通用的防滲墻厚度計(jì)算可按公式（1）計(jì)算：

式（1）中：h為最大作用水頭（m），為10.60 m；J允為墻體的滲流允許坡降，一般取50～60，水泥土攪拌樁防滲墻取50；D為防滲墻厚，經(jīng)計(jì)算為0.21 m。考慮到施工時(shí)樁位誤差，樁斜等因素影響，此次設(shè)計(jì)墻厚定為0.30 m，樁間距為0.40 m。施工時(shí)采用三軸攪拌樁機(jī)單側(cè)跳打，即在一次深攪一幅單元墻體后移位至下一幅（見圖3）。

圖3 三軸攪拌機(jī)成墻示意圖

2.1.2 堤防滲流計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，填土和砂性土的滲透變形類型主要為流土型；填筑土允許水力坡降為0.40，淤泥質(zhì)粉細(xì)砂允許水力坡降為0.20～0.25。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，按下列水位組合進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算：①穩(wěn)定滲流，臨水側(cè)為50年一遇設(shè)計(jì)洪（潮）水位，背水側(cè)為無水時(shí)，復(fù)核堤防背水側(cè)出逸坡降；②非穩(wěn)定滲流，臨水側(cè)由50 年一遇設(shè)計(jì)洪（潮）水位經(jīng)歷1天后，降至常水位時(shí)，對(duì)臨水倒堤坡穩(wěn)定最不利影響，復(fù)核堤防臨水側(cè)出逸坡降。計(jì)算采用有限單元法，應(yīng)用理正巖土“滲流分析計(jì)算”模塊進(jìn)行計(jì)算分析。水泥土攪拌樁防滲墻加固前、后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

表2 加固前滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

表3 加固后滲流穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由上表可知，垂直防滲措施設(shè)置前堤坡和堤基出逸坡降大于允許水力坡降值，滲透穩(wěn)定不滿足要求；增加垂直防滲措施后，出逸坡降值均小于允許水力坡降值；防滲墻的最大水力坡降為3.51，為允許水力坡降的7.02%，明顯改善了堤基的抗?jié)B能力。同時(shí)兩種工況下的滲透流量分別比加固前分別減少73.23%和78.98%，減小幅度較大，說明防滲效果明顯。

2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

2.2.1 單樁承載力特征值 的取值

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)由樁周土與樁端土的抗力提供單樁豎向抗壓承載力特征值時(shí)可按公式（2）計(jì)算；當(dāng)由樁體自身材料的強(qiáng)度提供單樁豎向抗壓承載力特征值時(shí)可按公式（3）計(jì)算；取兩者較小值。

式（2）（3）中：u p為攪拌樁的周長(zhǎng)，為1.57 m；li為攪拌樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；A p為攪拌樁的截面面積，為0.196 m2；qsi、qp分別為攪拌樁周圍第i層土的側(cè)阻力、樁端阻力特征值；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.50；f cu為與攪拌樁體同配比試塊立方體抗壓強(qiáng)度平均值（kPa），參考已完類似工程的試驗(yàn)報(bào)告，取1 500 kPa；η為樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.30。

2.2.2 復(fù)合地基承載力計(jì)算

設(shè)計(jì)階段，復(fù)合地基承載力特征值按公式（4）計(jì)算：

式（4）中：m為樁土面積置換率，為0.116；f sk為樁間土承載力特征值，取80 kPa；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.60。經(jīng)計(jì)算，復(fù)合地基承載力特征值可滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果見表4。

2.3 整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算

經(jīng)攪拌樁加固軟土地基后，復(fù)合地基加固區(qū)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)“粘聚力”和“內(nèi)摩擦角”值均會(huì)有所提高，以達(dá)到整體提升堤身抗滑穩(wěn)定、提高堤基承載力和減少沉降的目的。

2.3.1 攪拌樁體內(nèi)摩擦角和粘聚力的取值

當(dāng)無土工實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)資料，可知攪拌樁樁身的內(nèi)摩擦角可取20°～30°；復(fù)合土體等效粘聚力計(jì)算公式也一致；但攪拌樁樁身的粘聚力和復(fù)合土體等效內(nèi)摩擦角計(jì)算公式并不同。因項(xiàng)目位于東江南支流流經(jīng)的區(qū)域，且受潮汐影響，則選用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》公式計(jì)算樁身的粘聚力和復(fù)合土體等效內(nèi)摩擦角。

根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，攪拌樁樁身粘聚力C1可按公式（5）計(jì)算：

式（6）（7）中：C為復(fù)合土體的等效粘聚力，kPa；m為攪拌樁土體面積置換率；C2為樁間土粘聚力；φ為復(fù)合土體的等效內(nèi)摩擦角，（°）；φ1、φ2為樁身內(nèi)摩擦角、樁間土內(nèi)摩擦角，（°）；K1、K2為樁身剛度、樁間土體剛度；β為樁的沉降與樁周土沉降之比，取0.50。其余符號(hào)意義同前。攪拌樁及樁周軟土剛度計(jì)算公式見《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》附錄R.1.3。

現(xiàn)狀淤質(zhì)粉細(xì)砂粘聚力為0，內(nèi)摩擦角為18.10°；淤泥粘聚力為10.90 kPa，內(nèi)摩擦角為7.80°。采用上述公式計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 復(fù)合地基等效強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果表

在初設(shè)階段評(píng)審時(shí)，參考專家建議，考慮施工時(shí)不確定因素影響，等效粘聚力宜乘以折減系數(shù)0.80，作為安全儲(chǔ)備。

2.3.3 整體穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，選取設(shè)計(jì)典型斷面進(jìn)行整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算，滑動(dòng)穩(wěn)定采用瑞典圓弧法。穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法進(jìn)行分析，外水位降落期和施工期采用總應(yīng)力法進(jìn)行分析，強(qiáng)度指標(biāo)均選用固結(jié)快剪。應(yīng)用理正巖土“邊坡穩(wěn)定分析”模塊進(jìn)行計(jì)算分析，各工況下堤防整體穩(wěn)定安全系數(shù)均可滿足規(guī)范要求（見表6）。

表6 整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

2.4 沉降計(jì)算

此次在現(xiàn)狀堤防上加高培厚的土方斷面為規(guī)則圖形，應(yīng)力分布較規(guī)則。原天然地面下產(chǎn)生的附加應(yīng)力不隨深度變化而變化，等于填土自重，自重應(yīng)力從原天然地面起算；計(jì)算深度取可壓縮土層厚度，即攪拌樁處理深度。堤基沉降可按復(fù)合地基變形計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》有關(guān)規(guī)定，復(fù)合土層壓縮變形量S可按公式（8）和（9）計(jì)算：

式（8）（9）中：Pz為攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值，取40.00 kPa；Pzl為攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值，25.20 kPa；；l為攪拌樁處理深度，取7 m；Esp為攪拌樁復(fù)合土層壓縮模量，kPa；Ep為攪拌樁壓縮模量，可取（100～120）fcu，取150 000 kPa；Es為樁長(zhǎng)范圍樁間土的壓縮模量加權(quán)平均值，2 485 kPa。經(jīng)計(jì)算，攪拌樁復(fù)合土層的壓縮變形量為11.65 mm。因樁端以下未加固土體為粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化泥巖，無軟弱下臥層，不進(jìn)行下臥層承載力驗(yàn)算，不考慮其變形量。

3 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)

為驗(yàn)證處理后的復(fù)合地基承載力能否滿足設(shè)計(jì)要求，此工程進(jìn)行了樁身抽芯和復(fù)合地基靜載試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)以隨機(jī)抽查的形式選取測(cè)試點(diǎn)，共取樁身36 個(gè)芯樣進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，芯樣抗壓強(qiáng)度平均值為1.60 MPa（齡期≥28 d），實(shí)際樁長(zhǎng)7.00 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值為94.63 kPa，試驗(yàn)加載采用維持荷載法，最大試驗(yàn)荷載為200 kPa。正方形壓板面積為1.69 m2。從荷載沉降P～S曲線圖（見圖4）可知，當(dāng)試驗(yàn)荷載最大加至200 kPa 時(shí)，總沉降量為12.75 mm（選取沉降量最大試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析），沉降量符合相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。P～S曲線上未出現(xiàn)明顯的陡降點(diǎn)，為平緩光滑曲線，復(fù)合地基承載力按相對(duì)變形值確定，取s/b=0.006 對(duì)應(yīng)的荷載值為復(fù)合地基承載力特征值；同時(shí)承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的1/2，因此復(fù)合地基試驗(yàn)承載力特征值為100 kPa（見表7）。

表7 復(fù)合地基承載力特征值檢測(cè)結(jié)果表

圖4 P～S曲線圖

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果表明理論沉降計(jì)算值與試驗(yàn)沉降檢測(cè)值基本吻合，復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

堤防工程具有復(fù)雜性，應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地及周邊區(qū)域的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境情況等，確定安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的堤防加固方案。結(jié)合此次項(xiàng)目實(shí)例，得出以下結(jié)論和建議：①水泥土攪拌樁作為堤防的加固措施能夠有效加強(qiáng)堤防的整體穩(wěn)定性，提高軟土地基承載力、減少沉降和改善堤基的抗?jié)B能力，具有節(jié)約投資、施工工效高、工藝簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境的影響小、截滲效果顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)。②為確保樁身質(zhì)量合格，施工前應(yīng)選擇合適的機(jī)械設(shè)備在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)性施工，通過試樁確定施工技術(shù)參數(shù)。同時(shí)應(yīng)對(duì)攪拌樁樁位、樁頂及樁端高程、樁身垂直度、攪拌頭噴漿速度、漿液水灰比等單樁施工作業(yè)全過程的進(jìn)行檢驗(yàn)，以便達(dá)到預(yù)期效果。