打松木樁拋石在乾江圍海堤護(hù)腳基礎(chǔ)加固中的應(yīng)用

靳志歡

（廣西北海市海河堤管理所，廣西 北海 536000）

乾江圍海堤全長16.724 km，按20 a 一遇防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，堤身斷面型式采用單一斜坡土堤，坡腳設(shè)有護(hù)腳擋墻。樁號0+000～11+570 段堤防工程主要是對周江感潮段左岸的舊堤進(jìn)行加固，舊堤堤身寬4～8 m，標(biāo)準(zhǔn)海堤堤身寬18 m 左右，內(nèi)外護(hù)腳擋墻較舊堤向兩側(cè)橫向位移5～7 m，大多延伸至淺灘乃至河床內(nèi)，加之工程區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，潮汐沖刷流速較快，魚、蝦塘眾多，地層巖性以淤泥等松散土層為主，巖性較雜，變化頻繁，因此需要根據(jù)實(shí)際地形情況對堤防擋墻護(hù)腳采取加固措施。對以軟土層為主的護(hù)腳擋墻基礎(chǔ)采用打松木樁和拋石的方法進(jìn)行處理，切合實(shí)際，起到了很好的加固作用。

1 堤防工程地質(zhì)特征

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于北部灣北面的海積漫灘地貌、河口三角洲地貌及河流沖積階地地貌相互匯的區(qū)域，場區(qū)地面標(biāo)高-1～5 m，地勢向南往北部灣微傾斜。場區(qū)東面與南康盆地邊緣呈漸變過渡關(guān)系，西面與南流江沖積平原相接，南部與北部灣灘涂相鄰。工程區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布，魚、蝦塘眾多，植被較為發(fā)育，多為竹叢、灌木及雜草，海岸灘涂區(qū)則分布有一些紅樹林。

1.2 地層巖性

工程區(qū)出露的地層巖性以松散土層為主，巖性較雜，變化頻繁。根據(jù)時(shí)代成因主要有：

（1）泥盆系中下統(tǒng)桂頭群（D1-2gt）砂巖，出露于堤防工程區(qū)中部氮肥廠一帶。

（2）第四系下更新統(tǒng)湛江組河湖相沉積層（Q1z）黏土、中粗砂、礫砂土層，主要出露于堤防工程區(qū)南部及東面。

（3）第四系中更新統(tǒng)北海組（Q2b）含黏性土中粗砂、含黏性土圓礫，主要工程區(qū)東面。

（4）第四系全新統(tǒng)早期河流沖積層（Q41 al）黏土、含砂質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)中砂、中粗砂、圓礫等土層，主要出露于工程區(qū)北段。

（5）第四系全新統(tǒng)早期瀉湖沉積（Q41ml）黏土、粗砂土層，主要分布于堤防中、南段的東面。（6）第四系全新統(tǒng)中期三角洲沉積（Q42 mal）含砂質(zhì)淤泥、淤泥質(zhì)中砂、含貝殼粗砂礫砂土層，主要出露于堤防北段以西。

（7）第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代海相沉積（Q42m）中細(xì)砂、礫砂土層，含少量貝殼碎片，主要出露于堤防南段西側(cè)。

在樁號0+000～11+500（即感潮段）內(nèi)沿堤線取90 個(gè)剖面進(jìn)行分析，揭露的巖土層依據(jù)成因類型、物質(zhì)組成及工程地質(zhì)特性自上而下分為10層，其中表層為①填筑土（舊堤土）等人工填土，③～⑥層為第四系全新統(tǒng)早期河流沖積層（Q41al）。按堤線范圍巖性特征，參照《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（SL 188-2005）附錄C“堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類”，堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類為一般為雙層結(jié)構(gòu)（Ⅱ）類型。

各巖土層特征及部分物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各巖土層特征及部分物理力學(xué)指標(biāo)

堤防迎水面至堤軸線出露地層典型斷面見圖1。

圖1 堤防迎水面至堤軸線出露地層典型斷面圖

1.3 水文地質(zhì)條件

堤防沿線地表水體主要有河流、河溝、魚塘及蝦塘等。堤防西側(cè)為周江，周江河床寬40～100 m，水位受潮汐影響明顯；河溝分布在堤防東側(cè)，流向自東向西經(jīng)排水涵閘及溝渠排入周江，水位受季節(jié)性影響較為明顯；魚塘及蝦塘多分布在堤防東側(cè)。海堤沿線河溝水的化學(xué)類型與海水相同，說明其與海水有較強(qiáng)的水力聯(lián)系，已被海水污染，但仍具有淡水特征。根據(jù)區(qū)域地層巖性及地表河網(wǎng)分布，工程區(qū)地表水直接補(bǔ)給地下潛水。在揭露的土層中，①填筑土、③黏土、③1淤泥質(zhì)土、③2淤泥質(zhì)中砂、⑦黏土質(zhì)砂及⑧強(qiáng)風(fēng)化砂巖層均為弱透水局部含水土層；④級配不良粗砂、⑤級配不良礫、⑥含細(xì)粒土粗砂為強(qiáng)透水土層，富含地下水。海堤沿線地下水位埋藏較淺，水位埋深1.20～5.00 m，不同地段地下水位的變幅與季節(jié)性、潮汐及魚塘、蝦塘蓄水程度關(guān)系密切，變幅多在1.00～2.50 m。本感潮段沿線河溝水與地下水均對普通水泥混凝土結(jié)構(gòu)具有弱～中等腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

1.4 地質(zhì)條件評價(jià)和建議

1.4.1 地質(zhì)條件及評價(jià)

（1）堤基地質(zhì)土層巖性中，①1素填土、③1淤泥質(zhì)土、③2淤泥質(zhì)中砂為軟土，屬高壓縮性土層，沿線多有分布，由于軟土抗剪強(qiáng)度低、滲透性微弱、排水固結(jié)緩慢，對堤基的抗滑及承載力穩(wěn)定性有較大的影響，尤其是③1淤泥質(zhì)土呈軟塑狀，屬飽和軟黏土，力學(xué)強(qiáng)度低，滲透性小，具高壓縮性，在基礎(chǔ)地層中大范圍分布，不宜直接作為堤防的地基基礎(chǔ)持力層；其余巖性土層均為良好的地基基礎(chǔ)持力層及下臥層。根據(jù)《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（SL 188-2005）附錄E.1“堤基工程地質(zhì)條件分類”判別，堤基工程地質(zhì)條件分類以屬B類（即工程地質(zhì)條件較好類）為主，部分堤段（占總長25%）屬C 類（即工程地質(zhì)條件較差類）。

（2）堤基各巖土層抗沖刷流速建議值（水深≥3 m）：①填筑土（舊堤土）、③黏土：0.80～0.90 m/s；③1淤泥質(zhì)土：0.20～0.25 m/s；③2淤泥質(zhì)中砂：0.30～0.40 m/s；②、④、⑥、⑦各砂層：0.70～0.80 m/s。

堤基巖性以砂土和砂礫石層為主，土層結(jié)構(gòu)松散，抗沖刷能力差，影響堤防工程的穩(wěn)定。當(dāng)遇到較急水流沖刷、侵蝕，特別是周江在設(shè)計(jì)潮洪組合洪峰流量下的水流流速為3.50 m/s 左右，遠(yuǎn)高于上述堤基土層抗沖刷流速建議值的情況下，極易造成堤防工程破壞。因此應(yīng)采取有效的保護(hù)措施，防止河（潮）水的沖刷和掏空。

1.4.2 建議

當(dāng)③1淤泥質(zhì)土、③2淤泥質(zhì)中砂作為堤腳基礎(chǔ)持力層或下臥層時(shí)，為提高其承載力、摩擦系數(shù)及整體穩(wěn)定性，建議采用打松木樹根樁進(jìn)行加固。位于河床處的護(hù)腳擋墻，為防止水流淘空基礎(chǔ)，墻外應(yīng)拋填石塊以增強(qiáng)其抗傾、抗滑和抗沖刷穩(wěn)定性。

2 工程布置

該海堤工程堤軸線起始于雙江橋左岸橋頭下游側(cè)，沿周江左岸而下至水兒閘右側(cè)止為感潮段，長11.57 km；臨海段起于水兒閘沿廉州灣海岸延伸至戲水樂園止，長5.154 km。全長16.724 km，按堤路結(jié)合布置。堤身斷面型式為單一斜坡土堤，外坡坡比為1∶1.75，坡腳設(shè)C20 砼護(hù)腳擋墻，墻高2.5 m（頂寬0.6 m，底寬1.96 m）；內(nèi)坡坡比為1∶1.5，坡腳設(shè)2.5 m 高C20 砼護(hù)腳擋墻（埋深0.8 m 左右）；堤頂采用混凝土路面，總寬度為6.0 m（含防浪墻），防浪墻高0.6 m。

3 打松木樁拋石應(yīng)用

打松木樁和拋石是軟基處理中應(yīng)用比較廣泛的方式。松木不易開裂或變形，干縮小，同時(shí)含有豐富的松脂，能很好地防止地下水和細(xì)菌的腐蝕，適宜水下基礎(chǔ)加固處理工作。采用松木樁加固的軟土地基屬于復(fù)合地基，由天然地基土和樁體兩部分組成。其加固機(jī)理一是利用樁體的支撐作用，在承受外荷時(shí)，地基中應(yīng)力按樁土應(yīng)力比重新分配，逐漸向樁體集中，樁周土體所承受的應(yīng)力相應(yīng)減少，大部分荷載由松木樁承受。由于樁的強(qiáng)度和抗變形能力均優(yōu)于土體，故而形成后的復(fù)合地基承載力、模量也優(yōu)于原土體，從而達(dá)到減小變形，提高承載力的效果。二是利用其擠密作用，松木樁施工時(shí)被錘擊打入，樁孔位置原有土體被強(qiáng)制側(cè)向擠壓，使樁周一定范圍內(nèi)的土層密實(shí)度提高，從而使樁間土的承載力得到提高，壓縮性降低。

乾江圍海堤感潮段地表水與地下水具中等腐蝕性，對樁體影響較小，適宜打松木樁處理。針對堤基工程地質(zhì)條件較差的C類，護(hù)腳擋墻大部分處于河床內(nèi)，且堤腳基礎(chǔ)為較為深厚的③1淤泥質(zhì)土、③2淤泥質(zhì)中砂（總層厚2 m左右），采用墻基打松木樁、墻外拋填塊石二者相結(jié)合的處理方法，拋石則主要提供側(cè)向荷載而非地基承載力，以增強(qiáng)護(hù)腳擋墻的抗傾、抗滑和抗沖刷穩(wěn)定性。

堤防工程等級為4級，堤腳擋墻級別為4級，采用C20砼結(jié)構(gòu)，梯形斷面，墻高2.5 m，墻頂寬0.6 m，墻底寬1.96 m，墻后填筑黏土質(zhì)砂，壓實(shí)度不小于0.9。在護(hù)腳擋墻基礎(chǔ)下打入新鮮松木樁（馬尾松），梢徑不小于150 mm，根長3 m左右，縱、橫向樁距均為0.5 m，樁底端進(jìn)入持力層不小于1.0 m；拋填塊石加固護(hù)腳，沿墻邊線向外側(cè)拋填2 m 平臺后，按1∶1.5 坡比拋至現(xiàn)狀河床基底，塊石粒徑應(yīng)不小于0.2 m。加固后的典型斷面如圖2所示。

圖2 堤腳護(hù)腳擋墻基礎(chǔ)加固斷面圖

3.1 穩(wěn)定性分析

3.1.1 打松木樁復(fù)合地基的承載力

參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50005-2017）表4.3.1-3，確定適用松木樁的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）7.3.3式計(jì)算單樁豎向承載力特征值：

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；fc為樁身抗壓強(qiáng)度，kPa；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；Ap為樁身截面積，m2。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）式7.1.5-2估算復(fù)合地基承載力特征值：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取1；m為面積置換率，m=d2/d2e；d為樁身平均直徑，m；de為根樁分擔(dān)的處理地基面積的等效圓直徑，m；正方形布樁時(shí)de=1.13 s，s=0.5 m；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.8；fsk為處理后樁間土承載力特征值，取處理前樁間土承載力特征值的1.1倍。

堤身填土、基礎(chǔ)土層、護(hù)腳拋石及打樁復(fù)合地基物理力學(xué)指標(biāo)見表2。經(jīng)計(jì)算，打松木樁復(fù)合地基的承載力特征值為261 kPa。

表2 基礎(chǔ)巖土物理力學(xué)指標(biāo)

3.1.2 抗滑、抗傾和承載力穩(wěn)定性分析

按《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 379-2007進(jìn)行抗滑、抗傾和承載力穩(wěn)定性分析。

（1）抗滑穩(wěn)定計(jì)算。土質(zhì)地基上擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：KC為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN。

（2）抗傾穩(wěn)定計(jì)算。按下式計(jì)算：

式中：K0為擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑My為對擋土墻基底前趾的抗傾覆力矩，kN·m；∑MH為對擋土墻基底前趾的傾覆力矩，kN·m。

（3）擋土墻基底應(yīng)力計(jì)算。按下式計(jì)算：

（4）計(jì)算工況。①工況1：最低潮位（-1.8 m）時(shí)墻前、后均無水，荷載組合為基本組合；②工況2：正常擋水時(shí)墻前、后水位均為2.0 m，荷載組合為基本組合；③工況3：退潮時(shí)水位降落情況，墻前水位1.0 m，墻后水位1.2 m，荷載組合為特殊組合Ⅰ。計(jì)算荷載包括：墻體自重、水壓力、揚(yáng)壓力、墻前塊石壓力和墻后土壓力。

（5）計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 堤腳護(hù)腳擋墻穩(wěn)定性分析成果表

從表3可以看出，在不進(jìn)行加固處理的情況下，以③1淤泥質(zhì)土為主的軟基無法滿足護(hù)腳擋墻的抗滑、抗傾和承載力要求。經(jīng)加固處理后，擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)KC均大于1.20（荷載基本組合）或1.05（荷載特殊組合）；抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)數(shù)K0均大于1.4（荷載基本組合）或1.3（荷載特殊組合）；平均基底應(yīng)力Pˉ均小于地基允許承載力261 kPa，最大基底應(yīng)力Pmax均小于地基允許承載力的1.2倍，基底應(yīng)力的最大值與最小值之比Pmax/Pmin均小于2.0（荷載基本組合）或2.5（荷載特殊組合）。加固后的護(hù)腳擋墻抗滑、抗傾穩(wěn)定性和承載力滿足規(guī)范要求。

3.1.3 抗沖刷穩(wěn)定性分析

當(dāng)塊石重量范圍為12～24 kg、水流最大沖刷速度不大于4.0 m/s時(shí)，采用伊茲巴什公式進(jìn)行計(jì)算分析：

式中：Vc為塊石起動流速，m/s；K為安全系數(shù)，取1.5；g為重力加速度，取9.8 m/s2；γb為塊石重度，取2898 kg/m3；γ為水重度，取1000 kg/m3；D為塊石粒徑，取0.2 m。

經(jīng)計(jì)算，塊石起動流速為4.09 m/s，高于設(shè)計(jì)潮洪組合洪峰流量下的最大流速3.5 m/s，護(hù)腳擋墻拋石基礎(chǔ)抗沖刷穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 打松木樁施工控制

打松木樁的施工順序主要包括：樁位放樣、打樁、樁頭處理、C20 埋石砼墊層施工。松木樁施工前，由測量人員依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行放樣，確定樁位后打試樁以確定淤泥深度及對應(yīng)樁長。一般要求樁底端插入持力層不小于1.0 m，樁頭部高出淤泥頂面0.3 m左右，埋入C20砼墊層。樁頭部按高度要求鋸平后用塑料帶扎緊，最后進(jìn)行墊層施工。

樁木須材質(zhì)均勻，樁長應(yīng)略大于設(shè)計(jì)要求，彎曲過度的不應(yīng)采用。樁身不得有蛀孔、裂紋或其它影響強(qiáng)度的瑕疵。吊運(yùn)、裝卸、堆放時(shí)，不得沖擊或振動木樁樁身。儲存地基須堅(jiān)實(shí)平坦，不得有沉陷等現(xiàn)象，避免樁木變形。使用時(shí)，應(yīng)按運(yùn)抵現(xiàn)場的先后次序依次使用，同時(shí)應(yīng)檢查木樁是否完整。按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制樁徑，梢徑不小于150 mm，且外形順直光圓，梢端削成30 cm長的尖頭，以利于打入持力層。

3.3 拋填塊石施工控制

施工前應(yīng)進(jìn)行試拋，以確定拋石厚度、基礎(chǔ)面坡度、拋石范圍等。拋填方向根據(jù)河床軟土下臥地層橫坡而定，橫坡平坦時(shí)自基礎(chǔ)中部逐漸向上下游兩側(cè)擴(kuò)展；橫坡陡于1∶10 時(shí)，應(yīng)自高側(cè)向低側(cè)拋填并在低側(cè)多填。為便于控制沉降，每20 m設(shè)一處觀測點(diǎn)，并做好保護(hù)工作，施工期隨時(shí)觀測沉降量并做好記錄。拋石頂高程每5 m 檢查一個(gè)斷面，允許偏差應(yīng)小于10 cm。

選用石料須滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，控制塊石的粒徑和塊重，粒徑不小于20 cm，塊重不小于12 kg，以滿足抗沖刷穩(wěn)定性要求。

4 打松木樁拋石施工時(shí)需要注意的問題

（1）護(hù)腳擋墻施工過程中，建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等各參建方要密切配合，根據(jù)基礎(chǔ)出露地層巖性條件的變化情況，因地制宜地采用和調(diào)整合適的加固措施和施工方案，以取得比較理想的加固效果。

（2）拋填塊石和打松木樁組合施工時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行擋墻外側(cè)基底拋石施工，拋至擋墻基礎(chǔ)面高程時(shí)再進(jìn)行墻底打松木樁施工，以減少拋石施工對打樁的擾動，盡量保持樁體豎直打入軟基和持力層。在打樁前，測量好木樁點(diǎn)位；完成打樁后，也要復(fù)核樁距在確定的間距以內(nèi)，如果超出設(shè)定值的，要加密處理。

（3）在打樁完成、基底拋石沉降穩(wěn)定后進(jìn)行墻基墊層及墻體施工。滿足齡期后，墻內(nèi)填土和墻外護(hù)腳拋石應(yīng)同步進(jìn)行，避免產(chǎn)生側(cè)向壓力使墻體失穩(wěn)。

（4）護(hù)腳拋石施工時(shí)避免塊石或機(jī)械碰撞、砸損擋墻頂部和棱角，保證墻身強(qiáng)度不受破壞。

5 結(jié)語

乾江圍海堤部分堤段護(hù)腳擋墻坐落于河床淺灘，且基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)中砂等軟土基，承載力不足、抗傾抗沖刷穩(wěn)定性差，在擋墻施工中針對實(shí)際工程地質(zhì)條件采用了打松木樁和拋填塊石相結(jié)合的基礎(chǔ)加固措施，并進(jìn)行施工方法和質(zhì)量控制，滿足規(guī)范要求，取得了較好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，確保了工程安全穩(wěn)定運(yùn)行。