雙排預(yù)應(yīng)力樁在某堤防加固工程中的應(yīng)用分析

鐘偉莉

(廣東祥實建設(shè)有限公司，廣東 中山 528470)

1 工程概況

某堤防加固工程總長2.58 km，常水位1.5 m，開挖最小河底寬25.0 m，堤頂高程4.0 m；堤防加固工程結(jié)合水環(huán)境和水生態(tài)等進行景觀設(shè)計。工程區(qū)河床和堤基主要地層為雜填土、淤泥、淤泥質(zhì)土，淤泥質(zhì)砂，淤泥、淤質(zhì)土厚度1.2～13.5 m，地基土的物理力學(xué)性質(zhì)較差，孔隙比較大、含水量高、壓縮性大，抗剪強度低，穩(wěn)定性差，河道開挖易引起河道岸坡滑移、塌岸等，堤防、建筑物基礎(chǔ)易產(chǎn)生較大沉降和不均勻沉降。

工程所在地為城區(qū)，征地協(xié)調(diào)難度大，采用雙排預(yù)應(yīng)力樁+放坡堤岸型式進行加固。前排樁為C60混凝土預(yù)應(yīng)力板樁(型號U-CS-550-Ⅲ)，板樁高0.55 m，板厚0.12 m，前排樁樁距1.0 m；后排樁為直徑0.4 m的AB型PHC樁，樁距4.0 m，與前排樁排距3.0 m，PHC樁長16.0 m。前排樁樁頂與后排樁樁頂設(shè)C30鋼筋混凝土承臺，承臺頂高程為2.0 m、總寬4.4 m，采用板梁結(jié)構(gòu)，前排樁樁頂冠梁寬0.8 m、高0.8 m，后排樁樁頂冠梁寬0.8 m、高0.8 m，前后排冠梁每隔4.0 m設(shè)1條橫梁，梁寬0.8 m、高0.8 m，承臺頂板厚 0.3 m，承臺除保證各樁形成整體體系外，還能為附近居民提供親水空間；承臺臨水側(cè)設(shè)花槽種植花草美化河道。

河底為淤泥層較深，采用格柵式攪拌樁進行河底加固，攪拌樁樁徑Φ0.6 m，穿透淤泥層不小于2.0 m且樁長不小于2.0 m；格柵式攪拌樁墻體厚4.2 m，前后墻肢均為兩排密排Φ0.6 m攪拌樁，間距0.45m、排距0.45 m，前后墻肢凈距2.1 m；墻肋為兩排密排Φ0.6 m攪拌樁，攪拌樁間距0.45 m、排距0.45 m，相鄰墻肋間距2.1 m。

承臺與堤頂之間放坡連接，坡比不陡于1∶3，堤頂高程4.0 m；堤岸坡面為水景觀設(shè)計范圍，水景觀主要布置有觀景挑臺、創(chuàng)意裝置、濕地生態(tài)島、人行棧橋、廣場平臺、跌水凈化池、濕地科普、濕地植物觀賞、濕地游覽棧道、配套設(shè)施等。

2 堤型選擇

根據(jù)堤防設(shè)計原則，從地形、地質(zhì)、占地、生態(tài)環(huán)境等多方面綜合分析考慮，擬定兩種堤防斷面進行比選。即格柵式攪拌樁+緩坡堤岸方案和雙排預(yù)應(yīng)力樁+放坡堤岸方案。兩種堤防斷面各有其優(yōu)點及局限性，兩方案優(yōu)缺點詳見表1。

從表1可知，柵式攪拌樁+緩坡堤岸型式在河道形態(tài)、游憩功能、門戶展示性、生態(tài)性等方面均有優(yōu)勢，并且造價較低，但該斷面占地較大，適合在建設(shè)用地較寬闊的河段使用。但是對于建設(shè)用地限制較大的河段，為減少實施階段的征地協(xié)調(diào)難度，保證工程按進度計劃順利實施，采用雙排預(yù)應(yīng)力樁+放坡堤岸方案較為合適。

表1 堤防斷面方案優(yōu)缺點對比

2 堤防滲流計算

依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)[1]，滲流計算主要是計算臨水坡滲流出口比降，分析滲流對堤岸的破壞作用以及發(fā)生滲透變形的可能性。堤坡逸出段的滲流比降應(yīng)小于允許比降；當(dāng)出逸比降大于允許比降時，采取反濾、壓重等保護措施。

(1)計算斷面及參數(shù)。根據(jù)斷面型式、地基、新增荷載情況，選擇具有代表性的典型斷面進行滲流穩(wěn)定計算，按工程實際情況，典型斷面選取用地受限的剛性樁支護河段。各土層滲流穩(wěn)定計算參數(shù)見表2。

表2 各土層滲透系數(shù)

(2)計算方法。滲流計算的有限元基本方程見式(1)：

(1)

式中：[K]為透水系數(shù)矩陣；{H}為總水頭向量；[M]為單元儲水量矩陣；{Q}為流量向量；t為時間。

(3)計算工況。依據(jù)規(guī)范GB 50286—2013及《海堤工程設(shè)計規(guī)范》(SL 435—2008)[2]，滲流計算工況如下：

穩(wěn)定滲流期：臨水側(cè)水位-0.16 m，背水側(cè)水位3.00 m(堤頂以下1.0 m)。

水位驟降期：臨水側(cè)水位1.41 m驟降至-0.16 m，歷時3.0 h，背水側(cè)水位3.00 m(堤頂以下1.0 m)；臨水側(cè)水位2.68 m驟降至-0.16 m，歷時9.5 h，背水側(cè)水位3.00 m(堤頂以下1.0 m)。

(4)計算結(jié)果及分析。滲流坡降計算成果見表3。

表3 滲流計算成果

根據(jù)上表計算成果可知，典型斷面的出逸比降均小于允許滲透比降，滿足規(guī)范要求，堤身不會發(fā)生滲透破壞。

3 堤防結(jié)構(gòu)計算

(1)計算斷面。選取淤泥層較厚、堤后地面高程較高的斷面作為典型計算斷面，堤防結(jié)構(gòu)計算典型斷面見圖1。

圖1 堤防結(jié)構(gòu)計算典型斷面(單位：mm)

淤泥層屬于欠固結(jié)土，采用三軸不固結(jié)不排水抗剪強度指標(biāo)；填土層、淤質(zhì)中細(xì)砂、泥質(zhì)中砂和全風(fēng)化砂巖采用飽和快剪指標(biāo)；黏性土和淤質(zhì)土采用三軸固結(jié)不排水抗剪指標(biāo)。樁前格柵攪拌樁置換率m=0.65，攪拌樁處理區(qū)域淤泥層復(fù)合地基等效強度指標(biāo)c=57.68 kPa，Φ=18.66°。

(2)計算結(jié)果及分析。采用U型板樁支護+格柵式攪拌樁加固，由于后排樁間距較大，且工程范圍內(nèi)基本為新堆填土，地質(zhì)條件差，從安全考慮，按前排樁支護的單排樁模型計算，后排樁作為提高冠梁水平側(cè)向剛度的措施。U型板樁規(guī)格為U-CS-550-Ⅲ型，板樁截面面積A=194 180 mm2，截面慣性矩I0=609 962×104mm4，截面抵抗矩W0=22 169 730 mm3，抗彎彎矩Mu=383 kN·m，剪力設(shè)計值V=307 kN。計算時，假定從樁頂至河底分兩步開挖，樁后考慮20 kPa施工荷載。

(3)地表沉降計算成果、樁基內(nèi)力位移計算成果見圖2，本次設(shè)計選用彈性法。

圖2 樁基內(nèi)力位移

(4)嵌固穩(wěn)定驗算。第一步開挖嵌固穩(wěn)定計算Kov=2.019;第二步開挖嵌固穩(wěn)定計算Kov=1.484。

由計算結(jié)果可以看出，采用格柵式水泥攪拌樁基坑底部進行加固后，樁頂位移及地表沉降量均在合理范圍，且抗傾覆安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 堤防整體穩(wěn)定計算

根據(jù)斷面型式、地基、新增荷載情況，選擇具有代表性的典型斷面進行穩(wěn)定計算。典型斷面選取岸坡較陡、淤泥層較厚斷面進行整體穩(wěn)定計算。

4.1 基本資料

堤防級別為2級，水泥攪拌樁處理區(qū)域各土層復(fù)合地基等效強度指標(biāo)[3]按式(2)～式(4)計算，各土層等效強度指標(biāo)見表4。

c=c1m+c2(1-m)

(2)

tanφ=tanφ1m+tanφ2(1-m)

(3)

(4)

格柵水泥攪拌樁置換率m=0.65，28 d樁身單軸極限抗壓強度根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(GB 50007—2011)[4]各齡期淤泥水泥土試塊抗壓強度匯總表，選取單軸極限抗壓強度為0.58 MPa，攪拌樁復(fù)合地基等效強度指標(biāo)見表4。

表4 攪拌樁復(fù)合地基等效強度指標(biāo)

4.2 穩(wěn)定計算工況

正常運用工況：穩(wěn)定滲流期。臨水側(cè)水位-0.16 m，背水側(cè)水位3.00 m(堤頂以下1.0 m)，計算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用10 kPa。

正常運用工況：水位驟降期。臨水側(cè)水位由1.41 m驟降至-0.16 m，歷時3 h，背水側(cè)水位3.0 m(堤頂以下1.0 m)，計算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用10 kPa。

正常運用工況：水位驟降期。臨水側(cè)水位由2.68 m驟降至-0.16 m，歷時9.5 h，背水側(cè)水位3.0 m(堤頂以下1.0 m)，計算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用10 kPa。

非常運用工況Ⅰ：施工期。臨水側(cè)水位取河底高程，背水側(cè)水位3.0 m(堤頂以下1.0 m)，計算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用20 kPa。

非常運用工況Ⅱ：地震。臨水側(cè)水位2.66 m，背水側(cè)水位3.0 m(堤頂以下1.0 m)，計算臨水側(cè)邊坡；堤頂均布荷載采用10 kPa，地震動峰值加速度取0.10 g。

(3)穩(wěn)定計算方法。依據(jù)規(guī)范GB 50286—2013及規(guī)范SL 435—2008的規(guī)定，計算方法采用瑞典圓弧法進行整體穩(wěn)定計算，整體穩(wěn)定計算見式(5)。

K=

(5)

式中：K為穩(wěn)定安全系數(shù)；C′為土條底面的強度指標(biāo)，kPa；b為土條寬度，m；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)；W1為條塊濕重力，kN；W2為條塊浮重力，kN；u為孔隙水壓力，kPa；Z為堤坡外水位高出條塊底面中點距離，m；γω為水的重度，kN/m3；Φ′為土條底面的強度指標(biāo)，(°)；Z′為浸潤線高出條塊底面中點距離，m。

整體穩(wěn)定分析對穩(wěn)定滲流期、水位驟降期和地震工況采用有效應(yīng)力法，對施工工況采用總應(yīng)力法。淤泥層屬于欠固結(jié)土，其穩(wěn)定計算強度指標(biāo)根據(jù)規(guī)范采用三軸壓縮剪切試驗中的不固結(jié)不排水強度指標(biāo)；填土層、黏土層、淤質(zhì)中細(xì)砂、泥質(zhì)中砂和全風(fēng)化砂巖所采用的是飽和快剪指標(biāo)。

(5)計算成果分析。各工況堤防整體穩(wěn)定安全系數(shù)計算成果見表5。

表5 整體穩(wěn)定計算成果

由計算結(jié)果可看出，各工況下堤防臨水側(cè)邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

進行堤防加固工程設(shè)計時，結(jié)合環(huán)境景觀工程，盡量減少對地理環(huán)境的影響，與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。以人為本，降低河岸，提供人與水親近、交流的平臺，保留當(dāng)?shù)氐奈幕卣骱兔袼罪L(fēng)情。根據(jù)堤防設(shè)計原則，從地形地質(zhì)條件、占地條件、生態(tài)環(huán)境等多方面綜合分析考慮，采用雙排預(yù)應(yīng)力樁可減少工程占地范圍、減少土石方工程量、減輕棄渣場及征地的協(xié)調(diào)難度、提高施工效率，改善工程進度滯后等問題。此外，雙排預(yù)應(yīng)力樁完工后，成樁整體美觀性好，能滿足水環(huán)境、水生態(tài)、自然和諧美觀等需要，在長線路帶狀工程的設(shè)計中具有較大的推廣運用價值。