小木樁處理內(nèi)河航道護(hù)岸軟基初析

錢文軍+王倫明

摘 要：本文以蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段Ⅲ級(jí)航道整治工程陵口鎮(zhèn)～西戰(zhàn)備河段護(hù)岸工程為例，對(duì)小木樁處理內(nèi)河航道護(hù)岸軟基的結(jié)構(gòu)受力做出詳細(xì)的分析計(jì)算，試圖剖析它的內(nèi)在機(jī)理，為今后設(shè)計(jì)提供半理論半經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：小木樁 軟基處理 護(hù)岸 豎向承載力 抗滑力 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

在長三角沖積平原地區(qū)航道整治護(hù)岸建設(shè)工程中，常常遇到軟土地基需要處理的情況。采用小木樁處理內(nèi)河航道護(hù)岸基底下臥薄層軟土，以其安全、經(jīng)濟(jì)、施工方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工單位的廣泛歡迎。由于缺少相應(yīng)的計(jì)算理論，以往的設(shè)計(jì)多是以工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)。下面以蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江陵口段護(hù)岸工程為例，對(duì)小木樁處理內(nèi)河航道護(hù)岸軟基的結(jié)構(gòu)受力做出詳細(xì)的分析計(jì)算，嘗試剖析它的內(nèi)在機(jī)理。

設(shè)計(jì)概況

1、項(xiàng)目概況

蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段Ⅲ級(jí)航道整治工程（陵口鎮(zhèn)～西戰(zhàn)備河段）于2008年10月完成施工圖設(shè)計(jì)，2009年10月正式開工建設(shè)，2011年7月12日交工驗(yàn)收。航道護(hù)岸采用重力式結(jié)構(gòu)，墻高6m，底板厚度0.6m。

2、地質(zhì)條件

根據(jù)《蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段Ⅲ級(jí)航道整治工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，將蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段（陵口鎮(zhèn)—西戰(zhàn)備河段）本斷面有關(guān)地層的土性和分布特征，自上而下說明如下：

1b填土：粉質(zhì)粘土含碎石，主要為原有護(hù)岸填土。分布于地表，層厚0.5～5.0，平均厚度2.0m，分布不連續(xù)。

1-1砂質(zhì)粉質(zhì)：灰黃、黃灰色，松散—稍密狀態(tài)，稍濕，分布為粉質(zhì)粘土夾粉砂，層厚0.4～9.5m，近地表連續(xù)分布。推薦地基土容許承載力f=100～140kPa。

1-2淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）粘土：灰色，流塑，高壓縮性。為本區(qū)淺部主要軟土層，多在老河道分布，層厚變化大。層頂標(biāo)高為▽0.7～▽3.0，層厚1.0～10.0m，分布不連續(xù)。推薦地基土容許承載力f=60～90kPa。

1-2a（粉質(zhì)）粘土：黃灰色、灰色，軟塑～流塑狀態(tài)，局部含腐植物，中等～中偏高壓縮性。多與1-2層伴生，一般分布于1-2層中部， 層厚0.8～1.6m。推薦地基土容許承載力f=100～120kPa。

1-2b淤泥：灰色，灰黑色，夾腐植物，流塑，高含水率，高壓縮性，含較多有機(jī)質(zhì)。推薦地基土容許承載力f=40～50kPa。

1-2c粉土：灰色、黃灰色，濕～很濕，松散狀態(tài)為主。為區(qū)內(nèi)主要的液化砂土層，綜合判別該層的液化等級(jí)為中等液化。與1-2層伴生， 多位于1-2層上部， 層厚1.0～10.0m， 平均厚度3.0m。推薦地基土容許承載力f=110～130kPa。

1-3砂質(zhì)粉土：灰色、黃色，濕～很濕，稍密狀態(tài)為主，局部夾粉質(zhì)粘土薄層或與粉質(zhì)粘土互層，總體土質(zhì)欠均勻。層頂標(biāo)高為▽1.0～▽-3.0，層厚2.0～5.0m， 平均厚度3.5m，分布不連續(xù)。推薦地基土容許承載力f=110～130kPa。

蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段Ⅲ級(jí)航道整治工程（陵口鎮(zhèn)～西戰(zhàn)備河段）軟土層分布：主要為1-2層、1-2b層和2-2層，軟土的主要成因?yàn)闆_湖積成因。土性特征：1-2淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）粘土，灰色，流塑，高壓縮性。1-2b淤泥，灰色，灰黑色，夾腐植物，流塑，高含水率，高壓縮性。2-2淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）粘土，灰色，局部夾腐植物，流塑，中等～高壓縮性。

3、設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)法，對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)底板下軟土厚度大于1.0m小于3.5m的采用小木樁加固方案，岸線總長3986m，設(shè)計(jì)斷面如圖1。小木樁設(shè)計(jì)長度分別為2m（適用1～1.5m軟土層）、3m（適用1.5～2.5m軟土層）、4m（適用2.5～3.5m軟土層），基礎(chǔ)下設(shè)300mm碎石墊層。

小木樁采用梅花形布置，縱向間隔0.8m；橫向前緊后疏，前4排間距0.7m，后6排間隔0.8m。小木樁樁梢直徑不小于0.12m，可采用馬尾松、水杉及質(zhì)地堅(jiān)硬、耐水性好的雜材。

結(jié)構(gòu)受力分析

選取地質(zhì)條件比較差的ZK996鉆孔（航道里程樁號(hào)35K+285；左岸）位置的重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)作為本文分析斷面（見圖1），豎向承載力和整體穩(wěn)定性分析計(jì)算工況為完建期，水平滑移計(jì)算工況為低水期。

1、豎向承載力分析

底板以上混凝土（容重r=24KN/m3）、回填土（容重r=18.5KN/m3）等自重（每延米）：784.0KN/m。

小木樁單樁豎向承載力：

式中：Nd—小木樁單樁豎向承載力；qci--樁周i層土的側(cè)壁摩阻力；Ui—小木樁樁周周長；Li—小木樁在i土層中樁長；As—小木樁橫截面積；fs--樁端地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)上述地質(zhì)資料，小木樁樁徑d=12cm，小木樁單樁豎向承載力Nd =30.1KN/根，每延米：11.25根，338.6 KN/m；小木樁樁徑d=15cm，小木樁單樁豎向承載力Nd =42.3KN/根；每延米：11.25根，475.8 KN/m。豎向荷載784.0 KN/m，說明小木樁只能承擔(dān)底板以上荷載的43.2%（d=12cm）和60.7%（d=15cm），剩余的需要土層承擔(dān)。

Nt=Atft

式中：Nt—土層豎向承載力；At—底板扣除小木樁的面積；

ft—土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值；60～90Kpa。

計(jì)算土層豎向承載力Nt=381.2～571.7 KN/m。小木樁和土層疊加的復(fù)合地基：719.8～910.3 KN/m（d=12cm）；857.0～1047.5 KN/m（d=15cm）；豎向荷載784.0 KN/m，安全系數(shù)分別為（719.8～910.3） /784.0=0.92～1.16（d=12cm）；（857.0～1047.5） /784.0=1.09～1.34（d=15cm）。

根據(jù)以上分析，采用樁徑d=15cm的小木樁，或者加密樁徑d=12cm的小木樁（18.6根/m， 安全系數(shù)1.2），安全系數(shù)才足夠。endprint

2、抗滑力分析

2.1 護(hù)岸擋墻墻后水平土壓力

護(hù)岸擋墻墻后土壓力，采用《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（JTS167-2-2009）》條款2.4.1.3的方法，地面為水平時(shí)，在底板垂直上的水平土壓力：

根據(jù)計(jì)算，擋墻墻后水平土壓力：242.6KN/m. 取混凝土與碎石的摩擦系數(shù)0.35，底板以上結(jié)構(gòu)自重784.0 KN/m，784.0×0.35=274.4 KN/m >242.6KN/m。說明墻后水平土壓力可以全部傳遞給小木樁或由小木樁和土層形成的復(fù)合地基。

2.2 小木樁頂?shù)乃饺菰S承載力

根據(jù)河南省交通勘測(cè)設(shè)計(jì)院的簡化“K法”計(jì)算小木樁頂?shù)乃饺菰S承載力：

式中：t—底板底至第一彈性零點(diǎn)的距離（m）；α—小木樁在土中變形系數(shù)；K—土的彈性抗力系數(shù)，流塑粘性土IL≥1，淤泥，100000～200000KN/m3；d—小木樁樁徑（m）；E—小木樁彈性模量，9.8～12Gpa；

[T] —小木樁頂?shù)乃饺菰S承載力（KN）；

[y0] —樁頂容許水平位移，一般取0.5～1.0cm；

當(dāng)小木樁樁徑d=12、15cm，小木樁頂?shù)乃饺菰S承載力為10.5、17.2KN/根；每延米11.25根，即為118.1、193.5 KN/m，占水平土壓力242.6KN/m的48.7%、79.8%，也就是說48.7%（當(dāng)小木樁樁徑d=12cm）、79.8%（當(dāng)小木樁樁徑d=15cm）的水平土壓力由小木樁承擔(dān)，剩余的由土層承擔(dān)。

3、整體穩(wěn)定性

3.1 計(jì)算方法

護(hù)岸結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算采用理正巖土系列軟件邊坡穩(wěn)定分析模塊，分析方法基于《港口及航道工程護(hù)岸工程設(shè)計(jì)與施工規(guī)范（JTJ 300-2000）》條款6.1.6.1～6.1.6.2，地震烈度為7度。計(jì)算孔位處護(hù)岸底板直接坐落于軟土之上，基底下軟土厚度約2.5m，用3m長小木樁處理，采用圓弧滑動(dòng)面計(jì)算。

3.2 計(jì)算工況

計(jì)算工況墻前水位為最低通航水位，墻后水位為地表以下1m。該工況為護(hù)岸正常使用期的危險(xiǎn)工況。

3.3 整體穩(wěn)定驗(yàn)算

計(jì)算土體物理力學(xué)指標(biāo)采用固結(jié)快剪指標(biāo)，地基類型為粘性土土坡，地基處理前，航道護(hù)岸邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為0.92，不滿足有關(guān)規(guī)范要求；采用小木樁地基處理后，處理區(qū)域軟土地基按照復(fù)合地基考慮，復(fù)合土體粘聚力和內(nèi)摩擦角參照相關(guān)規(guī)范計(jì)算，整體穩(wěn)定驗(yàn)算安全系數(shù)為1.36，滿足有關(guān)規(guī)范要求。

結(jié)論

根據(jù)計(jì)算，設(shè)計(jì)小木樁（d≥12cm）承擔(dān)了約43%的豎向荷載，其余由土層承擔(dān)；如果豎向荷載全部由小木樁（d≥12cm）承擔(dān)，則小木樁（d≥12cm）數(shù)量需要增加約65%。

設(shè)計(jì)小木樁（d≥12cm）承擔(dān)了約49%的水平荷載，其余由土層承擔(dān)；如果水平荷載全部由小木樁（d≥12cm）承擔(dān)，則小木樁（d≥12cm）數(shù)量需要增加約一倍。

該段航道護(hù)岸已完成近4年時(shí)間，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，說明該工程設(shè)計(jì)既安全又經(jīng)濟(jì)節(jié)約，是比較成功的。

至于小木樁的擠密作用、吸水作用及作為排水固結(jié)通道對(duì)軟土層的加固效果，有待進(jìn)一步研究。

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（作者單位：江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司）endprint