談格柵狀布置攪拌樁處理擋墻下深厚軟基

陳嘉環(huán) 韓麗君

(1.天津城建設(shè)計院，天津 300072;2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204)

1 概述

北塘水系工程，位于天津市北塘地區(qū)，濱海新區(qū)中部，塘沽區(qū)東北部，東至渤海海岸線，南至北塘大街，西至塘漢快速路，北至永定新河。本工程的直接影響區(qū)是濱海新區(qū)，本工程的建設(shè)對完善濱海新區(qū)城市中心的重要功能區(qū)，改善人居環(huán)境，促進沿線土地開發(fā)及周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展、推動區(qū)域建設(shè)將起到積極的作用。

水系工程河道長度9.67 km，為配合北塘小鎮(zhèn)規(guī)劃的水鄉(xiāng)風格，便于行船，河道工程中約2 km采用了矩形斷面。矩形斷面護岸采用懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)，墻高4.200 m，底板寬3.700 m。

2 墻下地質(zhì)概況

根據(jù)巖土勘察報告，場地埋深25.00 m范圍內(nèi)，地基土按成因年代可分為3層，按力學性質(zhì)由上而下劃分為:

①人工填土層(Qml)。

厚度1.30 m～4.80 m，該層主要由素填土組成，呈黃褐色，可塑狀態(tài)，無層理，粉質(zhì)粘土質(zhì)，含植物根系，屬中～高壓縮性土。

埋深約2.50 m～20.00 m段，該層土從上而下可分為3個亞層:

第一亞層，淤泥質(zhì)粘土:厚度一般為10.70 m～16.00 m，呈灰色，流塑狀態(tài)，無層理，含有機質(zhì)、腐殖物，屬高壓縮性土。該層地基承載力60 kPa。

第二亞層，粉質(zhì)粘土:厚度一般為1.80 m～8.00 m，呈灰色，軟塑狀態(tài)，有層理，含貝殼，屬中壓縮性土。該層地基承載力110 kPa。

第三亞層，粉土:厚度一般為0.70 m～5.40 m，呈灰色，中密狀態(tài)，無層理，含貝殼，屬中(偏低)壓縮性土。該層地基承載力160 kPa。

勘察未穿透此層，主要由粉質(zhì)粘土組成，呈灰黃～黃灰色，可塑狀態(tài)，無層理，含鐵質(zhì)，屬中壓縮性土。該層地基承載力150 kPa。

3 天然基礎(chǔ)下?lián)鯄Ψ€(wěn)定計算

本工程護岸懸臂式擋墻按3級建筑物、安全級別為Ⅱ級設(shè)計，環(huán)境類別為三類，工程抗震設(shè)防類別為丙類。

根據(jù)水系景觀要求，擋墻墻高4.200 m，頂部厚度0.300 m。估算擋墻尺寸，底寬 3.700 m，埋深0.700 m。

擋墻結(jié)構(gòu)見圖1。

擋墻穩(wěn)定計算以施工期工況為控制工況，分別計算擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定及基底應(yīng)力。經(jīng)計算，擋墻坐落在淤泥質(zhì)粘土地基上，滑移力為55.354 kN，抗滑力為56.824 kN，抗滑安全系數(shù)Kc=1.027，不能滿足安全要求;計算擋墻傾覆力矩為98.25 kN·m，抗傾覆力矩為520.125 kN·m，抗傾覆安全系數(shù) K0=5.294，滿足安全要求;計算基底大小應(yīng)力分別為 σmax=62.035 kPa，σmin=60.828 kPa，不均勻系數(shù)為1.02，基底受力雖均勻，但超過了地基自身的承載力。

圖1 擋墻結(jié)構(gòu)

4 軟基處理方案

根據(jù)巖土勘察報告，擋墻底板以下存在深厚淤泥質(zhì)粘土層。該層土壓縮性較高，且流動性大，同時承載力小，抗剪強度低，護岸結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生整體滑動，擋墻自身抗滑能力也無法滿足?？紤]到墻下淤泥質(zhì)粘土層較厚，擋墻自身重量較小，且重要性一般，故采用剛性樁穿透淤泥層進入到好土持力層的方法是不切實際的。采用復(fù)合樁基進行地基處理應(yīng)該是優(yōu)先考慮的方案。

4.1 復(fù)合地基方案比較

常見的淤泥及淤泥質(zhì)粘土地基的處理方案有:真空預(yù)壓法、置換法和化學固結(jié)法。近年來，采用較多的有高壓旋噴樁和水泥攪拌樁。水泥攪拌樁包括粉噴樁和深層攪拌樁。

由于近年來天津市對施工單位造成的環(huán)境影響進行了嚴格的控制，粉噴樁已經(jīng)逐漸退出了歷史的舞臺，市場上攪拌樁基本為深層攪拌樁。

水泥攪拌樁是一種常用的處理軟弱地基方式，具有低噪聲，抗水平擠壓效果好，投資低的特點，但施工速度較慢，水泥土達到設(shè)計強度需要一定時間，且加固后的復(fù)合地基承載力較低。高壓旋噴樁處理軟弱地基的方式，雖然可以大幅度提高地基承載力，但工程消耗水泥量較多，投資相對較高，施工速度同樣較長。本工程擋墻地基反力僅為62 kPa～65 kPa，采用深層攪拌樁處理較為適宜。

4.2 攪拌樁布置

攪拌樁布樁形式對加固效果有較大的影響，根據(jù)擬建工程的工程地質(zhì)條件、構(gòu)筑物荷載以及施工工藝，一般采用矩陣布置、梅花形布置和格柵狀布置三種布樁形式。本工程地基土軟弱且極為深厚，設(shè)計中結(jié)合擋墻抗滑穩(wěn)定分析，對梅花形布置和格柵狀布置兩種布樁進行了計算。

1)攪拌樁按梅花形布置，樁間距2 m，擋墻前后各布置一排咬合攪拌樁，樁距550 mm，形成地下圍擋，既提高基礎(chǔ)整體剛度，又可限制樁間流土變形。攪拌樁樁徑700 mm，樁長15 m。

2)攪拌樁按格柵狀布置，直徑700 mm，樁間距550 mm，縱向肋距2.2 m(順水流方向)，攪拌樁長度10 m。

4.3 復(fù)合地基計算

深層攪拌樁的設(shè)計參數(shù)可參考YBJ 225-91軟土地基深層攪拌加固法技術(shù)規(guī)程。

單樁承載力Nd按下式估算，取其中小值:

其中，qu為與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固土試塊的無側(cè)限抗壓強度，取1 500 kPa;qs為樁周側(cè)摩阻力，根據(jù)地質(zhì)勘察報告取為15 kPa;K為折減系數(shù)，取0.3～0.4;α為樁端承載的折減系數(shù)，本工程樁端位于軟土層，該值取0。經(jīng)計算，φ700攪拌樁的單樁承載力為140 kPa。

采用φ700攪拌樁，單樁承載力140 kPa時，樁深15 m即可滿足承載力要求。

復(fù)合地基承載力設(shè)計值fsp的計算公式為:

其中，m為攪拌樁面積的置換率;fs為樁間土地基承載力標準值;β為樁間土承載力折減系數(shù)，本工程取為0.8。

擋墻基礎(chǔ)攪拌樁樁徑700 mm，單樁承載力140 kPa，設(shè)計面積置換率m=0.3時，經(jīng)處理后的復(fù)合地基承載力達到100 kN。

5 擋墻抗滑穩(wěn)定分析

對于復(fù)合地基下?lián)鯄Φ目够€(wěn)定可參照水閘設(shè)計規(guī)范，按下式計算:

其中，Φ0為擋墻基礎(chǔ)底面與土質(zhì)地基之間的摩擦角，(°);C0為擋墻基底面與土質(zhì)地基之間的粘結(jié)力，kPa;A為擋墻基底面積，m2;∑H為作用在擋墻上的全部水平荷載。

Φ0，C0均可利用28 d齡期攪拌樁抗剪強度值與原狀地基抗剪強度值加權(quán)計算。

5.1 按梅花形布置

在梅花形布置的情況下，目前理論和試驗尚未獲得復(fù)合地基的物理力學參數(shù)計算方法，只能利用原加固地基的物理力學指標，增加攪拌樁后，僅作為安全儲備。根據(jù)前述計算結(jié)果，擋墻抗滑安全系數(shù)，正常水位下為1.240，施工工況下為1.027。

5.2 按格柵狀布置

按格柵狀布置情況下，復(fù)合地基物理力學參數(shù)按以下方法計算:

其中，c1為攪拌樁樁身粘聚力，取100 kPa;c2為被處理土的粘聚力，根據(jù)地質(zhì)報告取為6 kPa;m為水泥攪拌樁的面積置換率，m=0.63;φ1為攪拌樁樁身摩擦角，14 d齡期該值可取為20°;φ2為淤泥質(zhì)粘土土摩擦角，根據(jù)巖土勘察報告取為6°;k1為樁身剛度;k2為被加固土壓縮剛度。

根據(jù)加固土的計算抗剪強度指標，可得擋墻抗滑安全系數(shù)，正常水位下為1.64，施工工況下為1.32。

比較以上兩種情況的抗滑穩(wěn)定結(jié)果，按格柵狀布置對擋墻的抗滑穩(wěn)定有利，但工程量略微增加。本工程實施階段布樁方式見圖2。

圖2 布樁方式

6 結(jié)語

通過實踐，采用水泥攪拌樁加固北塘水系擋墻下深厚軟弱地基方案是可行的，具有造價低、施工簡便等優(yōu)點。在現(xiàn)場施工中，水泥摻入量、軟弱土層含水量等物理力學參數(shù)決定著水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量，必須通過現(xiàn)場試驗確定相關(guān)參數(shù)。此外，水泥攪拌樁成樁后加固土體的抗剪強度指標對計算有著至關(guān)重要的影響。施工擋墻時，應(yīng)在條件允許的情況下，盡量保證水泥攪拌樁的正常養(yǎng)護齡期。只要在施工中加強對樁基的水泥技術(shù)指標的控制，嚴控水泥摻入量，養(yǎng)護得當，那么水泥攪拌樁也是軟土地基處理中值得選用的較好方案。

［1］SL 265-2001，水閘設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］SL 379-2007，水工擋土墻設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］YBJ 225-91，軟土地基深層攪拌樁加固法技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］沈 燁.軟土地基處理方法綜述［J］.山西建筑，2011，37(13):64-65.