城區(qū)航道復(fù)雜環(huán)境下河岸工程變形控制措施

匡成華，王延平

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088）

1 概述

安徽省內(nèi)河運(yùn)輸主要分布在長江水系和淮河水系，航道里程6503.93km，全國排名第七，通航里程5586.68km。航道工程建設(shè)在穿越人口密集的城市時(shí)，常與已建防洪、市政、交通等工程交叉在一起，加上航道岸坡為深厚淤泥質(zhì)軟土層，工程布置空間受限，部分河段緊鄰高程建筑，實(shí)施難度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。為此，工程設(shè)計(jì)需從水運(yùn)工程、水利工程、橋梁工程以及建筑工程等學(xué)科領(lǐng)域出發(fā)，考慮在水、土共同作用下水工結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)及房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全。

天然河道以淤泥質(zhì)壤土為代表的軟弱土廣泛分布，且軟土層深厚，軟土一般呈流塑至軟塑狀，孔隙比大，含水量高，壓縮性大，強(qiáng)度低，如何處理好此類地基一直是工程建設(shè)領(lǐng)域的難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)。建在軟土邊坡上的水工建筑物地基變形控制非常復(fù)雜，若處理措施不當(dāng)，常出現(xiàn)較大的建筑物位移或位移差，且易發(fā)生軟土向基坑側(cè)蠕變，造成建筑物水平位移大、側(cè)向失穩(wěn)等險(xiǎn)情，對工程質(zhì)量與安全危害較大。因此，需要綜合研究運(yùn)用軟土加固處理技術(shù)，以提高軟土剛度，有效控制軟土水平位移。

2 岸坡淤泥質(zhì)土變形特征

淤泥質(zhì)土是典型的軟土，通常天然含水量為40%～70%，天然空隙比在1.0～1.5 之間。土由固體礦物、水和氣體組成，通常用含水量w、孔隙比e 來衡量土的壓縮性與強(qiáng)度，含水量、空隙比越大，其壓縮性越大，強(qiáng)度越低。對水運(yùn)、水利等工程而言，由于利用現(xiàn)有河道或開辟新河道進(jìn)行開發(fā)整治興利弊害，經(jīng)常遇到軟土土質(zhì)，尤其是飽和軟土抗剪強(qiáng)度低，岸坡滑移問題突出，一般以解決抗滑穩(wěn)定問題為主。但是工程建設(shè)在穿越人口密集的城市時(shí)，河道兩岸高層建筑林立，跨河橋梁眾多，軟土水平位移及蠕變流動(dòng)已成為引起建筑物開裂、傾斜甚至傾覆的重要因素。因此，采取處理措施限制軟土層水平變位十分重要。

土體的蠕變是土體在自重應(yīng)力、地下水以及水平應(yīng)力等作用下，變形隨時(shí)間而持續(xù)增加的現(xiàn)象。在實(shí)際工程中，軟土的蠕變特性往往是引起邊坡工程破壞與失穩(wěn)的主要原因，其實(shí)質(zhì)是土體的剪切破壞。土的抗剪強(qiáng)度是由粘聚力和摩擦力兩部分組成，土的粘聚力具有粘滯性質(zhì)，當(dāng)剪應(yīng)力低于剪切試驗(yàn)的不排水強(qiáng)度時(shí)，雖然土不會(huì)發(fā)生破壞，但是由粘聚力所承受的剪應(yīng)力將會(huì)引起土體蠕變，發(fā)生不間斷的緩慢變形。內(nèi)摩擦角只有在土體變形后才能逐漸發(fā)揮，因此隨著土體在外荷載作用下長時(shí)間蠕變，內(nèi)摩擦角所承受的剪應(yīng)力逐漸增大，粘聚力所承受的剪應(yīng)力則逐漸減小。粘聚力承受的剪應(yīng)力減小，土體蠕變的速率將減慢，當(dāng)內(nèi)摩擦力已完全發(fā)揮時(shí)，粘聚力所承受的剪應(yīng)力不再減小，土體蠕變的速率不再減慢，而是以不變的速率持續(xù)發(fā)生蠕變。蠕變速率的大小與剪應(yīng)力的大小有關(guān)，當(dāng)剪應(yīng)力較大時(shí)，雖然低于不排水強(qiáng)度，例如軟土剪應(yīng)力為不排水強(qiáng)度的70%時(shí)，蠕變變形仍將導(dǎo)致粘土破壞，這種破壞稱為蠕變破壞。飽和的靈敏軟粘土在不排水條件下變形和嚴(yán)重超固結(jié)粘土在排水條件下變形，最容易由于蠕變引起抗剪強(qiáng)度下降。因?yàn)檐浾惩敛慌潘渥儠?huì)引起孔隙壓力增加，有效應(yīng)力下降，嚴(yán)重超固結(jié)粘土排水蠕變則會(huì)因剪脹而引起含水量增大，其結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降。根據(jù)有關(guān)資料介紹，對一些軟土的蠕變試驗(yàn)得到，重塑粘土蠕變破壞的強(qiáng)度比通常測試的抗剪強(qiáng)度約降低30%～60%，原狀粘土蠕變破壞的強(qiáng)度約降低17%～35%。由此可見，軟體的蠕變特征對其強(qiáng)度影響較大，且蠕變具有流動(dòng)性，逐漸向低洼處匯聚，破壞性強(qiáng)，影響范圍廣，有效控制難度大。

3 淤泥質(zhì)土岸坡工程變形控制措施

省內(nèi)某航道整治工程穿市區(qū)段基本無外灘，河堤腳緊臨深槽，沿岸建有防洪墻，防洪墻內(nèi)側(cè)地層較平坦，民房密集，地面局部凹凸不平，且岸坡存在深厚淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土層，地質(zhì)橫剖面圖見圖1。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

3.1 工程措施

根據(jù)航道兩側(cè)已有建筑物分布情況，航道整治選擇對河道進(jìn)行疏浚和一側(cè)擴(kuò)挖的方式。航道岸坡若采用常規(guī)的斜坡方式，將占用現(xiàn)有坡頂防洪墻后大量市政用地，退建后的防洪墻緊鄰高層建筑（住宅），對采用樁基的高層建筑安全帶來影響；另外放坡對于擬保留的橋梁橋墩受力產(chǎn)生變化，對橋墩穩(wěn)定性帶來威脅。綜合分析航道拓寬對現(xiàn)有市政、交通工程影響，確定采用底部陡坡結(jié)合防洪墻直立擋土的方式壓縮坡頂退建距離，盡量減小對高層建筑和橋梁的影響。為減小邊坡開挖范圍，盡量遠(yuǎn)離現(xiàn)有建筑物及市政設(shè)施，并保證航道上口寬度滿足通航要求，航道岸坡布置采用復(fù)式斷面，設(shè)1.0m 寬平臺(tái)，平臺(tái)以下為斜坡段，坡比1∶1.5，以上為直立式（掛板）擋土結(jié)構(gòu)，岸坡頂部結(jié)合城市景觀布置空箱式防洪墻。

此段航道復(fù)雜的地形條件造成了岸高坡陡的岸線布置，整個(gè)岸坡高度范圍內(nèi)均為深厚的淤泥質(zhì)軟土，很難形成自然邊坡，加上毗鄰的高層建筑和交叉橋梁限制，需要采用人工岸坡解決自身的穩(wěn)定和鄰近建筑物的安全問題。由于航道岸坡軟淤土層深厚，岸坡高差大，同時(shí)已有高層建筑距離過近，具有流塑性的軟土蠕變既會(huì)造成航道邊坡和防洪墻穩(wěn)定破壞，也會(huì)影響近處橋墩和高層建筑物地基變形，進(jìn)而威脅建筑物結(jié)構(gòu)安全。

為解決軟土邊坡自身的穩(wěn)定，較常采用的工程措施一種是復(fù)合地基，一般采用柔性樁置換，以提高軟土的豎向承載力和抗剪強(qiáng)度；另一種是采用抗滑樁布置于岸坡，起到阻止坡面土體滑動(dòng)的目的。由于采用柔性岸坡，在滿足穩(wěn)定的前提下，可允許一定的側(cè)向變形發(fā)生。在岸坡發(fā)生變形時(shí)，軟土蠕變的連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致毗鄰岸線的高層建筑和橋梁地基土可能發(fā)生超過規(guī)范規(guī)定的變形值而改變建筑物周圍土體對建筑物的壓力分布，進(jìn)而對建筑物的穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生威脅。

3.2 常規(guī)工程措施分析

3.2.1 采取水泥攪拌樁處理

城區(qū)段航道深達(dá)十多米，下臥基巖出露較高，采取普通均勻布置的攪拌樁復(fù)合地基雖然可以置換土體強(qiáng)度，但流塑狀淤泥質(zhì)土仍可通過樁間產(chǎn)生“繞流”效應(yīng)而產(chǎn)生岸坡變形。根據(jù)水泥攪拌樁加固土體理論，水泥摻量及置換率影響到攪拌樁的粘聚力和內(nèi)摩擦角。僅從抗滑角度考慮，一般均采用梅花形、矩形等均勻性的布置方式。均勻布置方式對垂直承載及抗滑均為合理可行的方案，但從限制變形角度存在以下兩個(gè)問題：軟土可繞過樁，從連通的土體間自由形變；總剛度分散，應(yīng)對變形能力差。

3.2.2 采取灌注樁支護(hù)

由于岸坡高度大、常規(guī)灌注樁支護(hù)樁受力大，樁底入土深度難以滿足“嵌固”要求，且航道臨空，無法形成對撐或土錨，勢必要加大樁徑和入巖深度來滿足，施工難度大、經(jīng)濟(jì)性不好。

3.3 創(chuàng)新加固方式

為解決上述兩種措施的不足，對兩種工程措施進(jìn)行了優(yōu)化并加以組合，創(chuàng)新性提出了縱橫向多排攪拌樁連續(xù)墻加錨樁結(jié)構(gòu)，即三排支護(hù)樁疏密組合結(jié)構(gòu)及水泥土攪拌樁框格圍固結(jié)構(gòu)結(jié)合加固方式。首先，為應(yīng)對淤泥質(zhì)土在陡坡狀態(tài)的“流動(dòng)性”，設(shè)計(jì)在坡頂防洪墻地基和岸坡設(shè)置縱橫向多排水泥土攪拌樁連續(xù)墻圍固，一方面分隔淤泥質(zhì)軟土限制繞流，另一方面形成骨架集中了樁體剛度應(yīng)對形變，類似蜂窩原理，內(nèi)部即便裝水也能做到“滴水不漏”，這些措施可以增強(qiáng)岸坡抗滑性，減小支護(hù)樁后土壓力、增加樁前土抗力；其次，支護(hù)樁一改常規(guī)的間隔單、雙排樁布置，創(chuàng)新性采用前排密布、后排間隔的三排樁分布，以寬代深，縮短了樁的入巖深度，一方面增加了結(jié)構(gòu)剛度，減小樁頂位移，一方面利用前排密樁和攪拌樁克服墻后土壓力和水壓力作用對岸坡穩(wěn)定的影響。

此航道整治工程采用縱橫向多排攪拌樁連續(xù)墻加錨樁結(jié)構(gòu)，即三排支護(hù)樁疏密組合結(jié)構(gòu)及水泥土攪拌樁框格圍固結(jié)構(gòu)結(jié)合，具體為采用水泥攪拌樁固化邊坡淤泥質(zhì)土層，水泥攪拌樁全坡面及防洪墻基礎(chǔ)范圍內(nèi)布設(shè)，樁徑0.6m，坡腳設(shè)4 排密布形成固腳，坡面及防洪墻底板下框格式布置，間距約3.0～4.0m，樁底進(jìn)入粉質(zhì)粘土1.0m，坡腳設(shè)4 排連續(xù)的攪拌樁固腳；防洪墻下底板設(shè)3 排灌注樁，排距4.0m；前排直徑1.2m，樁間距1.49m，后兩排樁直徑1.0mm，間距2.4m。具體結(jié)構(gòu)布置見圖2～3。

圖2 某航道整治工程地基處理斷面圖

圖3 某航道整治工程地基處理平面圖

4 結(jié)語

采用縱橫向多排攪拌樁連續(xù)墻加錨樁結(jié)構(gòu)，即三排支護(hù)樁疏密組合結(jié)構(gòu)及水泥土攪拌樁框格圍固結(jié)構(gòu)結(jié)合，解決受限空間防洪墻退建及臨河高層建筑保護(hù)技術(shù)難題，提高岸坡開挖坡度與整體穩(wěn)定性，滿足航道斷面要求，并有效控制了淤泥質(zhì)土岸坡位移及蠕變對岸邊建筑物結(jié)構(gòu)安全影響。利用縱橫向多排連續(xù)墻約束其側(cè)向變形，有效提高了抗變形與軟土地基強(qiáng)度能力；在連續(xù)墻中布入三排支護(hù)樁疏密組合結(jié)構(gòu)做為支錨，強(qiáng)化岸坡提高變形能力，彌補(bǔ)受自然條件限制帶來岸坡攪拌樁連續(xù)墻等樁體的不足，可使岸坡變形有限控制在合理范圍，滿足邊坡抗滑穩(wěn)定安全需要，是對深厚軟土地基加固技術(shù)進(jìn)一步的補(bǔ)充。

工程于2013 年9 月28 日開始建設(shè)，2018 年7月11 日完工。針對地層上覆軟塑狀淤泥質(zhì)土，采取縱橫向多排攪拌樁連續(xù)墻加錨樁的岸坡變形控制措施，有效解決了河岸整體穩(wěn)定及臨近建筑物水平及沉降變形控制，減小了建筑物側(cè)向荷載影響，降低了淤泥質(zhì)土蠕變產(chǎn)生的建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)。施工一切正常，監(jiān)測結(jié)果未發(fā)現(xiàn)較大位移及沉降，經(jīng)歷2016 年、2020 年大洪水考驗(yàn)，取得了很好的效果。該技術(shù)已在高塘湖泵站工程、五河船閘新建工程、裕溪閘除險(xiǎn)加固工程等項(xiàng)目運(yùn)用，均取得良好的技術(shù)效果及經(jīng)濟(jì)效益，是對深厚軟土地基加固技術(shù)進(jìn)一步的補(bǔ)充