剛性樁復合地基在港口工程岸坡處理中的應用

◎ 王濤 廣西納海交通設計咨詢有限公司

1.概述

港口工程因建設選址的因素影響，河道或海岸由于長期受河道淤積沉積或海水進退過程中的泥沙淤積，港口建設地點往往存在厚度大、承載力低、地基穩定性差的軟土地基。特別是在碼頭水工結構臨水處，港池開挖與港口面高程存在較大高差時，由于受河道或海岸沉積作用明顯，常存在軟厚的軟弱土層，在高樁梁板結構港口水工建筑物方案中，港池與碼頭后方銜接需要采用岸坡過渡，原狀土開挖無法滿足岸坡穩定的情況經常出現，需要針對軟弱地基土層的岸坡結構進行工程加固。

目前在我國沿海及內河流域，針對軟土地基高樁碼頭岸坡結構加固常采用復合地基法進行加固，如開挖換填法、振沖置換法、深層水泥攪拌樁法等[1]。復合地基根據樁體材料性質，可分為散體材料樁復合地基、柔性樁復合地基和剛性樁復合地基。散體材料樁復合地基，樁體主要有散體材料通過施工密實組成，如振沖置換法置換形成的砂樁、碎石樁等；柔性樁復合地基，樁體為剛度較小的豎向增強體如CFG樁、素混凝土樁、深層水泥攪拌樁、旋噴樁等；剛性樁復合地基，為剛度較大的豎向增強體如灌注樁、管樁、鋼管樁等進行地基加固。在港口工程岸坡處理中，常采用散體材料樁復合地基和柔性樁復合地基，本文針對剛性樁復合地基在港口工程岸坡處理中的應用進行探討。

2.港口工程岸坡地基處理常用方法及問題

2.1 開挖換填法

換填法是將基礎底面以下一定范圍內的軟弱土層挖去，然后以質地堅硬、強度較高、性能穩定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填，并同時以人工或機械方法分層壓、夯、振動，使之達到要求的密實度，成為良好的人工地基。換土墊層與原土相比，具有承載力高、剛度大、變形小等優點[2]。

受港口岸坡形式的影響，岸坡高差較大，在軟弱土層分布較厚的情況下，岸坡滑動面較深，采用換填法需開挖換填至滑動面以下方能起到換填作用，導致工程開挖回填量過大，在開挖回填施工過程中存在施工期臨時岸坡失穩的風險。該方法在岸坡處理中，針對分布較淺的軟土或局部存在的軟土處理較為理想，在分布較厚的軟土地基經濟性較差。

2.2 振沖置換法

振沖置換法，是指加固軟粘土地基時利用振沖器反復水平振動和沖水的作用，在加固土體中成孔，并振填碎石，形成碎石樁，構成碎石與加固土體的復合地基。碎石樁自身強度高于加固土體，并可發揮一定排水作用，加速土體固結的方法[2]。

該方法在工程中廣泛應用，在實際工程應用中比較容易出現由于地質條件的變化、現場施工設備條件等因素導致施工質量無法滿足設計要求的情況出現，處理效果在土層豎向地基承載力提升上較明顯，在岸坡失穩土體剪切破壞中的作用不夠明顯。

2.3 深層水泥攪拌樁法

深層水泥攪拌樁是利用水泥作為固化劑，通過深層攪拌機械在地基將軟土或沙等和固化劑強制拌和，使軟基硬結而提高地基強度[2]。

該處理方法在港口工程中有較多應用，常用于提高重力式結構地基承載力，在岸坡處理中也有應用。在岸坡處理中，由于受攪拌機械的性能及施工監控系統的差異影響，容易出現處理結果無法滿足設計要求、斷樁等問題，同時水泥攪拌樁的使用受土層物理化學性質制約，在施工中易出現處理方案無法實施的情況。

3.剛性樁復合地基在岸坡處理中的應用

3.1 散體材料樁及柔性樁復合地基

目前，采用散體材料進行地基處理，其地基的穩定可采用圓弧滑動法分析，已得到工程界的共識，對于采用具有膠結強度的材料進行地基處理，其地基的穩定性分析方法還有不同的認識。同時，不同的穩定分析方法其保證工程安全的最小穩定系數的取值不同，采用具有膠結強度的材料進行地基處理，其地基整體失穩是增強體斷裂，并逐漸形成連續滑動面的破壞現象，已得到工程的驗證[3]。

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）規范修訂組的研究，采用無配筋的豎向增強體的地基處理，其提高穩安全性的能力是有限的。工程需要時應配置鋼筋，增加增強體的抗剪強度[3]。目前在現行水運行業規范中，尚未有相關內容的說明。

以直徑400mm，長20m的C25素混凝土樁在m值為2000的土體中做邊坡處理為例進行驗算，根據《水運工程混凝土結構設計規范》（JTS 151-2011）[4]：

樁體受彎承載力設計值：

式中：

γd——素混凝土結構系數；

γm——截面抵抗矩的塑性影響系數；

ft——混凝土抗拉強度設計值；

Wt——截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

經計算樁體抗彎強度設計值為6.38kNm。

樁體受剪承載力設計值：

式中：

γd——結構系數；

βh——截面高度影響系數；

ft——混凝土軸心抗拉強度設計值；

b——截面受拉邊緣的彈性抵抗矩；

h0——截面受拉邊緣的彈性抵抗矩。

經計算樁體抗剪強度設計值為91.03kN。

假定樁體受可變作用產生的土壓力為均布荷載，在可變作用持續增加達到樁體承載力，采用m法驗算樁體受力情況，見圖1。

圖1 驗算結構內力示意圖

通過驗算，在逐漸增加樁體受可變土壓力作用下，構件受彎首先達到抗彎極限，且抗彎達到極限時抗剪能力遠未發揮到極限，樁體受彎破壞。驗證了采用無配筋的豎向增強體的地基處理，其提高穩安全性的能力是有限的。膠結材料抵抗水平荷載和彎矩的能力較弱，對整體穩定作用假定其樁體完全斷裂，只能按滑動面材料的摩擦性能確定抗剪強度指標，其膠結材料特性未能發揮其優勢。

以驗算情況為例，同樣考慮為有配筋的灌注樁，抗彎強度明顯增加，另外國內某廠家的定型產品400mm地基處理用管樁，抗彎強度為58kNm，遠高于柔性樁抗彎強度。剛性樁（灌注樁、地基處理用管樁、鋼管樁等）的施工質量，較其他柔性樁更容易得到控制，雖單位工程造價較柔性樁高，但在同樣岸坡穩定安全系數的情況下，由于樁體抗彎承載力增強，彎曲破壞的可使用抗剪強度的有效提高，使得地基處理置換率有效降低，施工速度和質量上都較柔性樁有明顯優勢。

3.2 剛性樁復合地基在岸坡穩定中的工程案例

案例一：

在港口工程岸坡處理中，常用柔性樁（水泥攪拌樁、CFG樁等）對岸坡穩定進行處理。廣西壯族自治區梧州市某港口工程，其碼頭岸坡處存在軟弱土層，岸坡無法滿足整體穩定要求，其主要巖土參數見表1。

表1 工程案例一主要巖土參數表

在項目初步設計階段，碼頭岸坡處理設計方案采用D600間距1000mm水泥攪拌樁對岸坡進行加固處理。由于項目工期緊，攪拌樁施工周期長，施工質量控制受設備影響大的情況，在施工圖階段采用剛性樁加固方案。

項目主要軟弱土層為粘土、粉土，打入樁施工條件好，采用D500地基處理用管樁進行驗算，按樁體彎曲破壞的可使用抗剪強度，在巖土計算軟件中以微樁單元對土體進行加筋處理，計算穩定樁間距1500mm，剛性樁復合地基岸坡處理方案見圖2，計算結果見圖3。

圖2 剛性樁復合地基岸坡處理方案

圖3 剛性樁復合地基按微樁單元加筋整體穩定計算

剛性樁復合地基方案降低了地基處理樁基置換率，打入樁相對于水泥攪拌樁施工質量控制更有保障，有效的降低了施工工期，工程造價上也基本相當，在施工過程中也受到參建各方認可，工程案例現場施工見圖4。

圖4 剛性樁（管樁）復合地基現場施工

圖5 剛性樁復合地基岸坡處理方案

圖6 剛性樁（灌注樁）復合地基現場施工

案例二：

廣西壯族自治區貴港市某港口工程，其岸坡部分有較厚雜填土，巖土力學指標較差，經計算岸坡無法滿足穩定要求，在雜填土層中夾雜有大量開山塊石及建筑垃圾，又由于后方緊鄰廠區堆場等設施，開挖換填受限，采用柔性樁效果較難保證，設計階段擬采用剛性樁處理，由于含有大量開山塊石，打入樁條件較差，最終采用低配筋率的灌注樁對岸坡進行加固處理。

4.結語

本文作者通過查閱大量標準規范和文獻，總結歸納出了剛性樁復合地基處理方式在港口工程岸坡穩定中的應用優勢，結合計算及工程實踐進行驗證，對相應類似工程具有很大的借鑒意義。