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水泥土搅拌桩在软土堤基处理中的应用

2024-12-22 98 上传者：管理员

摘要：小榄石龙堤段裁弯取直段现状地类为鱼塘,由于塘水常年浸泡,加上基底深厚的软弱土层,土层参数较差。以中顺大围福兴至石龙堤段达标加固及河岸整治工程为例,对裁弯取直段无法满足整体稳定及沉降要求的堤身,设计采用水泥土搅拌桩对堤基进行加固处理,计算分析处理后堤防稳定满足要求且能有效控制沉降。目前,该堤段已完工且投入使用满1年,运行状态良好且沉降较小。

关键词：
地基沉降
堤防稳定
水泥土搅拌桩
裁弯取直
软弱堤基
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1、工程概况

1.1 裁弯取直段基本情况

小榄石龙堤段裁弯取直段位于小榄镇石龙堤段,起点为福兴自来水厂,终点为水厂上游300 m处｡加固前堤防受堤前鱼塘及堤后小区住宅限制弯道较多且转弯较急,堤顶宽度仅为7 m~8 m,堤顶高程不够,已不能满足日益发展的经济社会对于堤防防洪及交通的需求｡在达标加固工程中对该段进行裁弯取直｡在堤顶外江侧设花岗岩防浪墙,防浪墙墙顶高程为7.35 m｡堤顶面低于防浪墙顶0.45 m,堤顶宽度加宽至18.5 m,设外河侧隔离带､沥青混凝土路面和内河侧隔离带｡其中,堤顶外侧隔离带宽2.00 m,其中花岗岩防浪墙宽0.30 m,绿化宽1.45 m,堤顶路缘石宽0.25 m;拆除现状砼路面及堤顶路灯,新建沥青混凝土路面宽15.00 m,厚0.12 m,下设0.3 m厚6%水泥稳定碎石基层和0.3 m厚级配碎石底基层,为利于排水,路面采用向内､外坡倾斜的双向坡,坡比2%;堤顶内侧修建1.5 m宽隔离带,隔离带设置道路灯｡

拆除堤内外坡面乔木,迎水坡设计坡比1∶3,为防止雨水冲刷,坡面种植台湾草草皮护坡｡为利于堤防稳定,本次利用清基土对迎水侧堤脚鱼塘进行填塘固基｡迎水侧坡脚处设置人行道及自行车道,人行道及自行车道高程根据周边地形确定,人行道宽2.00 m,自行车道宽2.50 m｡背水坡设计坡比1∶2.5,为防止雨水冲刷,坡面种植台湾草草皮护坡｡背水侧坡脚处设置人行道,人行道高程根据周边地形确定,人行道宽2.50 m,人行道内河侧设置庭院灯｡为减少新建堤堤防的不均匀沉降,对鱼塘段堤身采用水泥土搅拌桩基础处理｡水泥土搅拌桩桩径0.50 m,桩长15.00 m,纵横间距1.50 m×1.50 m｡

1.2 工程地质条件

根据裁弯取直段附近钻孔所揭露的土层主要有第四系海陆交互沉积层,下伏基岩为燕山期花岗岩｡自上而下的顺序依次描述如下｡

素填土(①Q4ml):黄褐色,松散,主要有黏土､粉砂含少量碎石,局部含较多碎块石,压实程度低,土质不均匀｡

淤泥夹砂(②2Q4mc):深灰色､灰黑色,饱和,流塑,主要成分由黏粒组成,夹薄层粉砂,土质不均匀,具滑腻感和腥臭味｡粉质黏土(②4Q4mc):浅黄色､灰白色,可塑,主要成分由黏粒组成,含少量砂粒和粉粒,稍有光泽,干强度及韧性中等｡工程区内广泛分布｡强风化

花岗岩(③2γ52):灰白色､褐黄色,主要矿物成分为长石､石英和少量云母,中粗粒结构,块状构造,大部分矿物成分已显著风化,原岩结构较清晰,裂隙极发育,岩芯呈土夹碎石状､碎块状,岩块用手可折断,极破碎,极软岩,岩体基本质量等级为Ⅴ级｡各土层的工程特性指标地质建议值见表1｡

表1各岩土层的工程特性指标建议值汇总表

2、堤防沉降计算

2.1 地基处理裁弯取直段地基土层为深厚的淤泥质砂层,该层厚约30 m,孔隙比大,压缩性高,强度低｡为减少工后沉降,需对堤基进行针对性处理｡本文对排水固结法和水泥土搅拌桩法进行比选｡

(1)排水固结法

排水固结法是指通过预压荷载作用,使土体中的孔隙水排出,孔隙体积变小,地基发生固结变形的过程,同时,随超静孔隙水压力逐渐消散,有效应力逐渐提高,从而达到增强地基强度,减小残余变形的效果｡排水固结法由排水系统和加压系统两部分组成｡根据加压系统的不同,又分为堆载预压及真空预压两种方法[1]｡这两种方法施工工艺可靠,在广东地区均有较多工程采用,加固效果相似且良好｡采用真空预压法如不进行隔断防漏气措施难以达到设计要求的真空度,且真空预压施工工艺较堆载预压复杂且费用高｡故排水固结法为采用施打塑料排水板堆载预压排水固结对该段进行堤基加固｡

(2)水泥土搅拌桩法

水泥土搅拌桩是利用水泥､石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械,在地基深处就地将软土与粉体强制搅拌,利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应,使软土硬结成具有整体性､稳定性和一定强度的良好复合地基,减少沉降｡水泥土搅拌桩桩身固化剂采用42.5R普通硅酸盐水泥,其掺入量暂定为20%(重量比),水泥浆水灰比为0.50,添加剂暂定采用0.05%三乙醇胺和1%氯化钠｡

(3)堤基处理方案确定

1)处理效果

排水固结法和水泥土搅拌桩法均能达到地基处理的效果,排水固结法需靠堆堤压载,排水固结时间较长｡水泥土搅拌桩法前期1~2月强度上升较缓慢,28天强度仅能达到0.8 MPa左右,达到90天以上龄期后一般可达到1.5 MPa左右｡

2)施工难度

该区域场地空间大,不存在场地限制｡塑料排水板施工速度快,施工工期短,施工过程中对地基扰动较小｡水泥土搅拌桩施工机械较大,施工速度相对较慢,施工工期长｡

3)工程造价

根据计算,在相同地基处理范围内,水泥土搅拌桩法造价约为排水固结法的1.6~1.7倍｡

综上所述,排水固结法和水泥土搅拌桩法均为较为成熟的软土地基处理方法,从施工难度及造价上,排水固结法要优于水泥土搅拌桩法｡但从施工周期上看,要达到设计所需要的土层参数,排水固结所需要的时间要远大于水泥土搅拌桩成型的时间｡因此,从工程施工周期上,为尽快达到地基处理效果,本文选择水泥土搅拌桩法｡

2.2 计算方法

该段为新填筑堤身段,沉降量包括堤身和堤基沉降量之和｡

(1)中心荷载下的基底压力计算

式中:F为作用在基础上的竖向力,kN,此处竖向力采用道路集中荷载值;G为基础及其上回填土的总重,kN;A为基底面积,m2｡

(2)偏心荷载下的基底压力计算

式中:e为竖直荷载的偏心距,m;B为基底宽度,m｡

按式本公式计算,基底压力分布有下列三种情况:

1)当e<B/6时,Pmin为正值,基底压力为梯形分布;

2)当e=B/6时,Pmin=0,基底压力按三角形分布;

3)当e>B/6时,Pmin为负值,表示基础底面与地基之间一部分出现拉应力｡但实际上,在地基土与基础之间不可能存在拉力,因此基础底面下的压力将重新分布｡这时,可根据力的平衡原理确定基础底面的受压宽度和应力大小｡

(3)分层总和法计算地基变形量

1)条形基底均布荷载作用下地基附加应力

3)水泥搅拌桩复合土层的变形计算

Esp=mEp+(1-m)Es式中:Esp为搅拌桩复合土层的压缩模量,kPa;Ep为搅拌桩的压缩模量,可取(100~120)fcu,kPa;Es为天然土层的压缩模量,kPa｡

4)堤基最终沉降量计算

式中:S为土质堤基最终沉降量,mm;n为土质堤基压缩层计算深度范围内的土层数;e1i为基础底面以下第i层土在平均自重应力作用下,由压缩曲线查得的相应孔隙比;e2i为基础底面以下第i层土在平均自重应力加平均附加应力作用下,由压缩曲线查得的相应孔隙比;hi为基础底面以下第i层土的厚度,m;m为堤基沉降量修正系数,取m=1.3;∆pi为压力增量,kPa;Es为天然土层的压缩模量,MPa｡

5)堤基的压缩层厚度计算

式中:σB为堤基计算层面处土的自重应力,kPa;σZ为堤基计算层面处土的附加应力,kPa｡2.3计算结果

经计算,加固前及加固后的沉降量见表2｡

表2加固前及加固后的沉降

3、堤防稳定计算

3.1 计算方法

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013),稳定渗流期应采用有效应力法,施工期可采用总应力法,外水位降落期可同时采用有效应力法和总应力法,并应以较小的安全系数为准[2]｡抗滑稳定计算可采用瑞典圆弧法或简化毕肖普法进行计算,本次复核计算采用瑞典圆弧法｡堤防级别为2级,相应的抗滑稳定安全系数正常运用条件下为1.25,非常运用条件Ⅰ下为1.15｡计算公式如下:

式中:W为土条重度,kN;Q､V为水平和垂直地震惯性力,kN;u为作用土条地面的孔隙压力(kN/m2);α 为条块重力线与通过此条块地面中点的半径之间的夹角,(°);b为土条宽度,m;c'､φ'为土条底面的有效凝聚力(kN/m2)和有效内摩擦角(°);Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩,kN·m;R为圆弧半径,m｡

3.2 计算工况

1)正常运用工况

正常运用工况1:稳定渗流期迎水侧为设计洪水位5.20 m,背水侧坡脚无水｡

正常运用工况2:水位降落期1迎水侧由设计洪水位5.20 m骤降至滩地高程,背水侧坡脚无水｡

正常运用工况3:水位降落期2迎水侧由多年平均最高潮位3.20 m骤降至多年平均最低潮位-0.68 m,背水侧坡脚无水｡

2)非常运用工况

非常运用工况1:施工期1迎水侧为多年平均潮水位-0.68 m,背水侧为相应断面的地下水位｡

非常运用工况2:施工期2迎水侧为5年一遇洪水位4.18 m,背水侧坡脚无水｡

3.3 水泥土搅拌桩加固区等效强度指标

采用水泥土搅拌桩对堤基基础进行加固处理,搅拌桩顶高程为-0.50 m,桩长15 m,处理范围土层主要为素填土及淤泥夹砂｡桩间距为1.50 m×1.50 m正方形布置｡面积置换率为0.087｡在计算稳定过程中,对于搅拌桩处理过的范围应采用加固后的土层参数｡根据《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182-2004)附录R搅拌桩复合地基计算中的公式(R.1.1-1､R.1.1-2､R.1.2､R.1.3-1~5)计算,素填土加固区域C=27.6 kPa､φ=18.3°;淤泥夹砂层加固区域C=14.8 kPa､φ=12.5°[3]｡

3.4计算结果

根据以上标准断面､土层参数及加固后等效强度指标,加固前及加固后的计算结果见表3｡

表3加固前及加固后堤防稳定计算结果

根据计算结果,在进行堤基加固前,非常运用工况下临水坡抗滑稳定系数不满足规范要求,加固后堤防稳定安全系数均能满足规范要求｡从计算上看,水泥土搅拌桩对于增加堤防稳定效果明显｡

4、检测资料分析

根据施工过程中对堤基水泥土搅拌桩的质量检测,水泥土搅拌桩桩身完整性均能满足要求｡根据堤顶路面完工后的测量资料显示,自2022年1月1日路面建成通车起到2022年12月26日,每月最少测两次,测出2022年全年累计沉降量为18 cm｡与计算结果基本吻合｡

5、结语

随着城市的发展,堤防的功能不在局限于防洪功能,还有兼顾有交通功能､景观休闲等多重功能｡相应功能的增加,对与堤防基础的要求也更高｡本文以中顺大围福兴至石龙堤段达标加固及河岸整治工程为例,采用水泥土搅拌桩对较为深厚的软弱土层堤基进行加固处理,解决堤防稳定及堤防沉降问题,结合检测及为期一年的观测资料,现状堤顶路面运行完好,堤顶无裂缝,堤防稳定满足要求｡堤顶路面累计沉降量与计算结果基本吻合,堤防沉降也满足要求,水泥土搅拌桩处理效果较好,可供类似堤防加固工程参考｡

参考文献

[1] 唐见,朱琳.浅析渠化航道护岸软基加固方法[J].珠江水运, 2015.

[2] GB 50286-2013, 堤防工程设计规范[S].

[3] DB 44/T 182-2004, 广东省海堤工程设计导则[S].

文章来源:张向松,李玉娥.水泥土搅拌桩在软土堤基处理中的应用[J].陕西水利,2024,(12):129-131.