水泥攪拌樁加固堤防工程設計參數優化現場試驗研究

鄭英國

(滄州水利勘測設計院，河北 滄州 061000)

1 工程概況

某堤防工程位于新建水閘的上游，堤身型式采用斜坡堤，防浪墻墻頂高程117.65 m，堤頂高程117.15 m，堤頂寬5.50 m，堤外坡在高程1.70 m 處設置一級平臺，平臺寬10.00 m；二級平臺高程4.20 m，平臺寬5.00 m，外坡坡比均為1∶3.0。設計洪水標準為20 a一遇，堤防等級為4級。在2018年夏季的流域性洪水過程期間，該處堤防經受住了洪水考驗，但是洪水的沖刷和浸泡作用，也對堤防的整體結構造成了顯著的影響。在堤頂和迎水側均出現了縱向裂縫，部分地段出現了不同程度的滑坡。經現場測試，裂縫的寬度為20～90 mm，深度為1.5～2.5 m。經進一步的地質勘查，在堤防修筑期間，并沒有對地基進行徹底的清理，下部存在厚度較大的淤泥質黏土和粉質壤土，含水量高、壓縮性大、抗剪強度低。鑒于該段堤防的軟弱地基分布范圍廣、埋深大，如果全部挖除換填，工程量極大。因此考慮對原有堤身采用水泥攪拌樁進行加固處理，以提高地基承載力和地基的均勻性，有效控制堤身加固區的土體變形[1]。水泥攪拌樁結構形式的初始設計為：樁徑50 cm水泥攪拌樁，加固深度為16 m，并排設計5排，外側第一排樁間咬合30 cm，其余攪拌樁為正方形布置，間距為1.2 m。

2 材料方法

2.1 試驗段的選擇

根據現場勘查，D07+503～D07+556段的地質特征比較典型，其地層主要是第四系沖積和淤積地層，含有湖積黏性土、淤泥質土和礫卵石等，其下伏基巖主要是泥質粉砂巖、灰巖以及頁巖等。受到地質和氣候因素的影響，該段地下水十分豐富，主要由孔隙水和裂隙水構成，整體水位較高。結合施工現場的實際情況以及本次研究的目的，確定D07+503～D07+556段為本次研究的試驗段，通過現場試驗的方式確定水泥攪拌樁的最佳參數組合。

2.2 試驗方案

根據工程的初始設計，水泥攪拌樁按照正方形設計，施工用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為14%。在施工過程中控制攪拌樁機的鉆進和提升速度，在淤泥和黏土層中的鉆進和提升速度為1.2 m/min；在粉土地層中的鉆進和提升速度為1.0 m/min[2]。結合相關的工程經驗，研究中選擇水泥攪拌樁的加固深度、層數和間距作為優化參數。其中，為了研究加固深度的影響，結合工程地質情況，設計14 m、16 m、18 m、20 m 和22 m五種不同的加固深度進行現場試驗[3-5]。為了研究層數對加固效果的影響，結合相關工程經驗和大堤堤頂的寬度，設計了4排、5排、6排、7排和8排等五種不同的水泥攪拌樁排數進行現場試驗。為了研究樁間距對加固效果的影響，設計0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m 五種不同的樁間距進行現場試驗。由于堤防加固的主要目的是控制位移變形，保證大堤的穩定性，因此在試驗過程中選擇壩頂水平和沉降位移作為主要評價指標[6-8]。在試驗段施工完畢之后，由上游水庫放水過流24 h，并于7 d后測量相關的位移數據，然后評價具體的加固效果。

3 試驗結果分析

3.1 加固深度影響的試驗結果與分析

研究中對不同加固深度方案下的試驗數據進行整理，結果如表1所示。

表1 加固深度影響的試驗結果

以加固深度14 m為標準，對沉降位移和水平位移的相對變化量進行計算，結果如圖1所示。

圖1 不同加固深度位移量相對變化曲線

由表1和圖1可知，加固后堤防的沉降位移和水平位移均會隨著加固深度的增加而減小。這說明增加加固深度可以提高堤防本身的整體性，有效控制位移變形。從沉降位移試驗數據考慮，加固深度從14 m增加到16 m時，沉降位移減少了約15.6%；增加到18 m時，沉降位移減少了約26.9%；而繼續增加加固深度，沉降量的減小幅度極為有限。因此，從沉降位移和工程經濟性的視角考慮，加固深度以18 m為宜。從水平位移試驗數據來看，也可以得出類似的結論。當加固深度從14 m增加到16 m時，水平位移減少了約56.2%；增加到18 m時，沉降位移減少了約73.9%；而繼續增加加固深度，水平位移的減小幅度極為有限。因此，綜合考慮沉降位移和水平位移變形控制效果以及工程經濟性，加固深度以18 m為宜。

3.2 排數影響的試驗結果與分析

研究中對不同水泥攪拌樁排數設計方案下的試驗數據進行整理，結果如表2所示。

表2 排數影響的試驗結果

以4排水泥攪拌樁方案為標準，對沉降位移和水平位移的相對變化量進行計算，結果如圖2所示。

圖2 不同排數位移量相對變化曲線

由表2和圖2可知，加固后堤防的沉降位移和水平位移均會隨著水泥攪拌樁排數的增加而減小。這說明增加水泥攪拌樁的排數可以提高堤防本身的整體性，有效控制位移變形。從沉降位移試驗數據來看，水泥攪拌樁的排數由4排增加到8排時，沉降位移總體減少了約6.9%。因此，水泥攪拌樁的排數雖然對沉降位移存在一定的影響，但是影響作用較為有限。從水平位移試驗數據來看，當水泥攪拌樁的排數由4排增加到6排時，水平位移減小幅度較大，總計下降了約29.8 %。而繼續增加水泥攪拌樁的排數，水平位移的減小幅度極為有限。因此，綜合考慮試驗結果和工程經濟性，水泥攪拌樁的排數應該設計為6排。

3.3 樁間距影響的試驗結果與分析

研究中對不同水泥攪拌樁樁間距設計方案下的試驗數據進行整理，結果如表3所示。

表3 樁間距影響的試驗結果

以0.8 m樁間距方案為標準，對沉降位移和水平位移的相對變化量進行計算，結果如圖3所示。

圖3 不同樁間距位移量相對變化曲線

由表3和圖3可知，加固后堤防的沉降位移和水平位移均會隨著水泥攪拌樁樁間距的增加而增加。這說明減小水泥攪拌樁的樁間距可以提高堤防本身的整體性，有效控制位移變形。從沉降位移試驗數據來看，水泥攪拌樁的樁間距由0.8 m增加到1.4 m時，沉降位移總體增加約6.5%，水平位移整體增加約5.9%，但是進一步增加樁間距時，沉降位移和水平位移均急速增大。綜合考慮試驗結果和工程經濟性，水泥攪拌樁的樁間距設計為1.4 m最為合適。

4 結 論

本文以具體的工程為例，通過現場試驗的方法研究了水泥攪拌樁加固堤防工程設計參數優化問題，獲得的主要結論如下：

(1)沉降位移和水平位移均會隨著水泥攪拌樁加固深度的增加而減小，但是加固深度超過18 m時控制位移的作用明顯減弱。

(2)水泥攪拌樁的排數雖然對沉降位移的影響較為有限，排數超過6排時對水平位移的影響較為有限。

(3)沉降位移和水平位移均會隨著水泥攪拌樁樁間距的減小而減小，但是樁間距小于1.4 m時的減小幅度極為有限。

(4)綜合實驗結果和工程經濟性要求，建議在工程設計中采取6排、樁間距為1.4 m，加固深度18 m的設計方案。