水泥攪拌樁加固堤防工程的設(shè)計及優(yōu)化研究

張慶萍 杜俊

摘 要：水泥攪拌樁是一種以水泥為固化劑，將其與地基土體攪拌，在物理、化學(xué)反應(yīng)下生成的一種樁型，在水利工程中具有廣泛的應(yīng)用價值。本文以廣東省某河道工程為實例，圍繞水泥攪拌樁設(shè)計與優(yōu)化、加固處理后對堤防工程穩(wěn)定性的影響兩個層面，探討了水泥攪拌樁加固堤防工程的設(shè)計與優(yōu)化策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：堤防加固工程 水泥攪拌樁 堤防基礎(chǔ)處理

城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快推動了市政規(guī)劃范圍的不斷擴(kuò)大，部分原有堤防工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足市政建設(shè)需求，在面對汛期的水澇災(zāi)害時造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，為區(qū)域發(fā)展帶來了負(fù)面影響。因此需要采用水泥攪拌樁針對原有堤防工程進(jìn)行加固設(shè)計，以此更好地滿足度汛需求，強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)性與實用性的雙重價值。

1.工程概況

該河道工程位于我國廣東省，占地面積約為0.8km2。城市規(guī)劃將該區(qū)域建設(shè)為休閑度假區(qū)，計劃在規(guī)劃區(qū)域陸續(xù)建設(shè)星級酒店、娛樂設(shè)施以及高檔住宅區(qū)等。但該區(qū)域原有的堤防工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為3級，堤防填筑土料質(zhì)量較差，極易發(fā)生塌方、滑坡等現(xiàn)象，在歷年洪水災(zāi)害侵襲時也時常發(fā)生漫頂現(xiàn)象。據(jù)巖土工程勘察報告顯示，該區(qū)域的堤防基礎(chǔ)土層由淤泥、中細(xì)砂、填土、淤泥質(zhì)粉砂等材料組成，其中淤泥材料的承載力特征值為60kPa、壓縮模量為2.71MPa、層厚2.26m，中細(xì)砂的承載力特征值為140kPa、壓縮模量為6MPa、層厚13.05m，淤泥質(zhì)粉砂的承載力特征值為75kPa、壓縮模量為2.57MPa、層厚8.59m。

2.水泥攪拌樁加固堤防工程的設(shè)計與優(yōu)化策略

2.1水泥攪拌樁設(shè)計與優(yōu)化

2.1.1樁長設(shè)計

通過觀察地質(zhì)勘查報告可以發(fā)現(xiàn)，該堤防內(nèi)的地表水、地下水均含有一定量的硫酸根離子，會與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的結(jié)晶體對水泥會產(chǎn)生侵蝕作用，加大了水泥攪拌樁樁體開裂的幾率，使樁體強(qiáng)度大大下降。在此擬采用硅酸鹽水泥作為原材料，其標(biāo)號≥42.5，以此最大限度降低膨脹結(jié)晶體數(shù)量，提高水泥攪拌樁的抗侵蝕水平。該堤防工程的地基埋深為10m，位于淤泥層下的積粘土層，土層厚度較大、層位穩(wěn)定性強(qiáng)。為防范水泥攪拌樁樁體出現(xiàn)懸浮問題，應(yīng)選取下臥粘土層作為持力層，將樁體深入粘土層的厚度設(shè)為1m，樁頂高程為堤防頂部標(biāo)高，樁底高程為-12m，水泥攪拌樁樁長為15m、樁徑為0.55m。

2.1.2樁土置換率

依據(jù)施工設(shè)計要求，水泥攪拌樁的布設(shè)位置主要集中在堤防頂部，因此擬將水泥攪拌樁與堤防軸線呈垂直布設(shè)，其間隔距離為1m，共布設(shè)6排；同時沿堤防軸線方向布設(shè)一排水泥攪拌樁，將其間隔距離設(shè)為1.5m，樁位整體呈現(xiàn)為矩形，其樁土置換率計算公式為：

2.1.3水泥摻入量

本工程選取硅酸鹽水泥作為水泥攪拌樁的加固材料，由于在同一土層中的水泥摻入量存在一定差異，相應(yīng)也會使得水泥強(qiáng)度各不相同。依照廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布的《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，應(yīng)將水泥摻入比控制在原有被加固土質(zhì)量的7%-18%以內(nèi)，結(jié)合本工程涉及到的河道堤防荷載情況，其上層淤泥土的含水量較大、承載力較小，因此應(yīng)將水泥摻入量設(shè)為最大值18%，最終計算得出本工程的水泥摻入量為80kg。

2.1.4單樁承載力

借助以上計算公式可以獲得水泥攪拌樁復(fù)合地基的等效強(qiáng)度指標(biāo)，將攪拌樁加固地層進(jìn)行單獨劃分，通過輸入該土層的特性指標(biāo)值便可以計算出加固后整體堤防的穩(wěn)定性。

2.2.2加固處理后對堤防工程穩(wěn)定性的影響

由于該堤防工程所處的地層土質(zhì)屬于軟弱土，由淤泥、中細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉砂等土層構(gòu)成，因此擬定采用折線滑動法進(jìn)行堤防工程穩(wěn)定性的計算。通過觀察巖土工程勘察所獲得的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，受該河道區(qū)域先天地質(zhì)土層條件的影響，堤防整體的抗滑能力較弱，只有在進(jìn)行加固處理后進(jìn)行穩(wěn)定性計算，方可以確定是否需要利用水泥攪拌樁針對堤防進(jìn)行深層處理。該堤防工程臨水坡原本的水位降落期為1.03、施工期為0.86、穩(wěn)定滲流期與7度地震下的安全系數(shù)為1.11，而進(jìn)行加固處理后的臨水坡水位降落期為1.4、施工期為1.35、穩(wěn)定滲流期與7度地震下的安全系數(shù)為1.37，較處理前堤防的穩(wěn)定性呈現(xiàn)出明顯提高的趨勢。為進(jìn)一步驗證加固處理的效果，采用有限元法進(jìn)行堤防穩(wěn)定性計算，依據(jù)強(qiáng)度等效原理進(jìn)行水泥攪拌樁的均質(zhì)化處理，計算得出其安全系數(shù)為1.545，基本滿足河道堤防工程的安全系數(shù)需求，同時又使工程造價節(jié)約了20%左右，發(fā)揮了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.3加固處理過程中的優(yōu)化策略

為鞏固加固處理效果，應(yīng)針對水泥攪拌樁的施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查，具體來說可以從以下幾方面入手：其一，在水泥攪拌樁成樁后的1周內(nèi)，應(yīng)采用輕便觸探法檢測樁身是否牢固；待水泥攪拌樁成樁的4周后，采用鉆孔取芯法針對樁體完整度、樁土攪拌均勻度等進(jìn)行檢查，針對芯樣執(zhí)行28d齡期抗壓強(qiáng)度試驗，保障其抗壓強(qiáng)度大于或等于1MPa。其二，采用強(qiáng)度等級相同的水泥砂漿將取芯后留下的孔洞回灌密實。其三，確保堤防墻體厚度大于或等于30cm，將其滲透系數(shù)控制在1×10-6cm/s范圍內(nèi)。其四，針對水泥攪拌樁的外觀進(jìn)行查看，確保樁體保持勻稱、攪拌均勻，凝體緊密、無松散現(xiàn)象，樁體無縮頸、回陷問題；群樁保障樁頂齊平，各樁體間保持恰當(dāng)間距；還應(yīng)針對樁體淺部開挖檢查，以此判斷樁身是否完整。其五，還應(yīng)當(dāng)指派專人負(fù)責(zé)針對施工過程中的下鉆深度、水灰比等參數(shù)進(jìn)行檢查，確保其樁長、水泥用量符合施工設(shè)計要求，將鉆孔直徑控制在10.8cm以上，確保水泥攪拌樁的垂直度小于1%。在完成加固施工后，還應(yīng)當(dāng)組織開展竣工驗收、完成荷載試驗，最大限度保障水泥攪拌樁的質(zhì)量，以此滿足地基承載力要求。

總而言之，務(wù)必要嚴(yán)格遵循《堤防工程設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行加固設(shè)計與處理，通過在堤腳填筑碎石構(gòu)成加固平臺，提高原有樁體強(qiáng)度與堤防的抗滑安全系數(shù)，在節(jié)約工程成本的同時滿足各部分結(jié)構(gòu)承載力的要求，進(jìn)而更好地提高整體工程的穩(wěn)定性，強(qiáng)化工程的經(jīng)濟(jì)性與實用價值。

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