河道工程整體穩(wěn)定計(jì)算中水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選取討論

顧 威

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

河道邊坡的穩(wěn)定性是關(guān)系邊坡安全的關(guān)鍵，邊坡一旦失穩(wěn)將引起河道岸坡的塌陷、河底的隆起等破壞，嚴(yán)重影響邊坡施工及工后的使用安全。目前水泥土粉噴樁在河道邊坡及護(hù)岸工程中得到了廣泛應(yīng)用。

水泥土攪拌樁是加固飽和軟粘土地基的一種成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機(jī)械，在地基中就地將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間產(chǎn)生的一些列物理- 化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。其中將用水泥粉體與軟土攪拌形成的柱狀固結(jié)體成為粉噴樁。目前國內(nèi)各行業(yè)規(guī)范及國標(biāo)對于水泥攪拌樁的應(yīng)用均以復(fù)合地基的形式出現(xiàn)，大多數(shù)主要考慮復(fù)合地基的地基承載力及復(fù)合地基的沉降等設(shè)計(jì)計(jì)算，對水泥攪拌樁復(fù)合地基的適用范圍、施工工藝、單樁承載力計(jì)算、復(fù)合地基承載力計(jì)算、復(fù)合基底沉降計(jì)算及檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但未提及水泥攪拌樁體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算，也未提及剛性樁復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算。

通過分析現(xiàn)有規(guī)范及其他資料，并結(jié)合工程實(shí)例，對河道工程中水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、復(fù)合地基綜合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)及邊坡的整體穩(wěn)定進(jìn)行分析，以供類似項(xiàng)目借鑒。

1 工程概況

廣東省珠海市某河道整治項(xiàng)目，工程等別為Ⅱ等，抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。河岸頂高程為3.8 m，部分靠近橋墩的區(qū)段填土達(dá)到5.5～7.6 m，考慮到地基大部分為淤泥質(zhì)土，屬軟弱地基土層，承載力低，壓縮性高，對工程結(jié)構(gòu)安全影響較大，靠近橋墩區(qū)域河道邊坡整體穩(wěn)定無法滿足規(guī)范要求，對于該工程，最經(jīng)濟(jì)的做法是放緩堤坡和控制施工加荷速率或采用預(yù)壓地基，加快土體固結(jié)，但河道坡比已調(diào)整成1∶4，前者沒有足夠的空間來實(shí)現(xiàn)上述方法，而預(yù)壓地基需要較長的時(shí)間來完成固結(jié)，所以只能放棄這兩種方案，擬對該區(qū)域局部采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基加固。地質(zhì)參數(shù)及河道特征水位見表1、表2。

表1 地質(zhì)參數(shù)表

表2 河道特征水位表

2 水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取

目前國內(nèi)各行業(yè)規(guī)范及國標(biāo)對水泥攪拌樁的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算均未提及，《地基處理手冊》（龔曉南主編第三版）[1]對水泥土的抗剪強(qiáng)度開展了一系列直剪試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 《地基處理手冊》直剪試驗(yàn)表

由表3 可知，水泥土較原天然土的黏聚力和內(nèi)摩擦角有較大的增加，當(dāng)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu在0.6～3 MPa 的范圍內(nèi)，其黏聚力比天然土大10～20 倍，內(nèi)摩擦角加大一倍左右。所以水泥土的抗剪強(qiáng)度隨其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增大而增加，其黏聚力與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的比值約0.2～0.3，其內(nèi)摩擦角變化在20°～30°之間。

根據(jù)以上結(jié)果本文做了相關(guān)回歸分析，得到黏聚力c 和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的關(guān)系是如下：

設(shè)計(jì)要求水泥土攪拌樁樁體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa，根據(jù)式（1）計(jì)算得黏聚力c 為237 kPa（此處無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按28 d 齡期立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算），內(nèi)摩擦角φ 取25°。

另《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（DB44 T182—2004）[2]附錄R，攪拌樁樁身黏聚力可按式（2）計(jì)算；

式中：η 為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.20～0.30；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d 齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；φ 為攪拌樁樁身內(nèi)摩擦角，取20°～24°。

根據(jù)式（2）計(jì)算得黏聚力c 為70.02 kPa，內(nèi)摩擦角取22°，見表4。

表4 水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

綜合以上兩種計(jì)算方法，《地基處理手冊》采用的是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試樣尺寸為φ50×100 mm；而《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》采用的是立方體標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm，根據(jù)歐標(biāo)BS EN 1992-1-1∶2004[3]中表3.1 中所示，圓柱體試塊抗壓強(qiáng)度約只有80%的立方體抗壓強(qiáng)度，因此前者計(jì)算所用的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度將小于0.8MPA；另《地基處理手冊》中未區(qū)分干法與濕法，干法較濕法所得的黏聚力較小，所以前者計(jì)算的參數(shù)較后者大，為安全起見，本文推薦廣東省及附近區(qū)域的項(xiàng)目擬采用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》的公式進(jìn)行水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算。

3 復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算

河道靠近橋墩區(qū)域在河道二級斜坡后方采用了水泥土攪拌樁地基處理，靠近河側(cè)設(shè)置5 m 寬淺層攪拌樁，樁長8 m，再在陸側(cè)方向設(shè)置15 m 深層攪拌樁，樁長18 m，樁徑500 mm，采用梅花型布置，縱橫向間距均為1.0 m，置換率為19.63%。

《粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范》（TB 10113—96）[4]中，在計(jì)算用粉噴技術(shù)形成的復(fù)合地基的基礎(chǔ)及邊坡穩(wěn)定性時(shí)復(fù)合地基的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式中黏聚力c 的計(jì)算方法與《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》一致，但沒有內(nèi)摩擦角φ 的推薦計(jì)算方法，本文推薦采用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》附錄R中的公式計(jì)算復(fù)合地基的綜合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，為河道邊坡的整體穩(wěn)定計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》攪拌樁復(fù)合地基的等效強(qiáng)度指標(biāo)按下式計(jì)算

式中：c1為攪拌樁樁身黏聚力，kPa，可按式（2）計(jì)算；φ1為內(nèi)摩擦角，取φ1=20°～24°；c2為軟土層黏聚力，kPa；φ2為內(nèi)摩擦角，（°）；m 為面積置換率；K1為攪拌樁的剛度，kN/m；K2為樁周軟土部分的剛度，kN/m；β 為樁的沉降S1和樁周軟土部分沉降S2之比，對填土，可取β=0.5，對剛性基礎(chǔ)，則β=1。

K1為攪拌樁樁頂土層的剛度，kN/m；K2為攪拌樁樁身的壓縮剛度，kN/m；K3為攪拌樁樁底土層的剛度，kN/m；A1為攪拌樁截面積，m2；A2為樁周土截面積，m2；d 為攪拌樁直徑，m；μ 為泊松比，取0.3；ω 為形狀系數(shù)，取0.79；E'，為樁頂土層的變形模量，kPa；E'' 為樁底土層的變形模量，kPa；Ep為攪拌樁的壓縮模量，kPa；Es 為樁間土的壓縮模量，kPa；L 為攪拌樁樁長，m。

復(fù)合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表5。

表5 復(fù)合抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

4 河道邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算分析

4.1 斷面結(jié)構(gòu)型式

斷面結(jié)構(gòu)型式見圖1，-1.0～0.5 m 范圍內(nèi)護(hù)坡設(shè)置300 mm 厚雷諾護(hù)墊，護(hù)墊下分別設(shè)置碎石墊層及土工布一層，并布置密排木樁，常水位以上護(hù)坡設(shè)置三維水土保護(hù)毯。在靠近橋墩的地方由于填土最高達(dá)到7.6 m，河道靠近橋墩區(qū)域在河道二級斜坡后方采用了水泥土攪拌樁地基處理。

圖1 河道斷面圖（單位：mm）

4.2 河道邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算

采用SLIDE 有限元軟件分別計(jì)算了河道斷面在正常工況下未采用地基處理和采用地基處理及非常工況下采用地基處理后的整體穩(wěn)定，地理處理區(qū)域的計(jì)算原則是加固區(qū)和未加固區(qū)土體采用不同的強(qiáng)度指標(biāo)，未加固區(qū)采用天然地基土體強(qiáng)度指標(biāo)，加固區(qū)土體強(qiáng)度指標(biāo)可采用復(fù)合地基土體綜合強(qiáng)度指標(biāo)，計(jì)算參數(shù)分別采用表1 和表5。整體穩(wěn)定有限元分析見圖2。

由表6 和斷面最不利滑動(dòng)面可知，地基加固后整體穩(wěn)定性安全系數(shù)在各種工況條件下均滿足規(guī)范要求。

圖2 整體穩(wěn)定有限元分析

表6 整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

本次設(shè)計(jì)河道護(hù)岸采用水泥土粉噴樁加固后，正常工況下整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果較未地基處理前增大約50%，地基處理的效果較好，也說明項(xiàng)目采用水泥土粉噴樁加固是一種合理的處理方式。

5 結(jié) 論

（1）通過查閱大量規(guī)范及文獻(xiàn)，列舉了部分涉及水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算的方法并進(jìn)行對比分析，確定了工程實(shí)例的相關(guān)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)，并根據(jù)推薦的參數(shù)計(jì)算河道的整體穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求，且正常工況下整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果較未地基處理前增大約50%，同時(shí)項(xiàng)目已實(shí)施大半年并安全穩(wěn)定運(yùn)行，驗(yàn)證了本文使用方法的合理性。

（2）推薦廣東省及附近區(qū)域的河道邊坡項(xiàng)目在整體穩(wěn)定計(jì)算時(shí)擬采用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》附錄R 的公式進(jìn)行水泥土粉噴樁抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算。