胡 淼，吳文華，翁 湛

（1.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020；3.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

在浙江省東南沿海地區(qū)，廣泛分布著以淤泥及淤泥質(zhì)黏土為主的軟土地基，在這些區(qū)域的河道堤防工程中，保證堤防邊坡整體穩(wěn)定一直是工程的重難點。常規(guī)的工程措施如減小綜合坡比、設(shè)置鎮(zhèn)壓平臺等適用于河床較寬、駁岸空間較大的河段，對于一些河床較窄、駁岸空間較小的河段，往往只能通過打設(shè)抗滑樁、設(shè)置復(fù)合地基或局部換填的方式提高邊坡穩(wěn)定性，而這些常規(guī)處理方法往往存在施工周期長、費用高、施工難度大的缺點。

通過工程經(jīng)驗的積累和思考、實際案例的驗證、二維有限元的輔助數(shù)模計算，發(fā)明一種基于承臺結(jié)構(gòu)的新型堤防型式，該堤防型式以承臺結(jié)構(gòu)及支撐樁為主體，通過分擔(dān)上部荷載的方式改善堤防邊坡整體穩(wěn)定性，經(jīng)工程實踐驗證具有效果好、造價低、施工便捷、沉降小、對周邊影響小的優(yōu)勢。

1 概 況

浙江省寧波市某河道治理工程，需要新建河道堤防，設(shè)計防洪標準為20 a一遇，主要建筑物級別為4級。

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，工程區(qū)河床地基土淺層主要由淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，深層為粉質(zhì)黏土。其中淤泥質(zhì)黏土深度較厚，達到10～12 m，該土層物理力學(xué)指標較差，主要地質(zhì)土層指標見表1。

表1 地基土層主要物理力學(xué)指標表

該工程某段堤防距離河岸控制線背水側(cè)16 m處現(xiàn)狀為105kV高壓鐵塔，雖然高壓鐵塔基礎(chǔ)設(shè)置了灌注樁，不會影響河道整體穩(wěn)定，但電力保護范圍限制了堤防背水側(cè)的設(shè)計空間。根據(jù)工程任務(wù)和規(guī)劃要求，堤頂?shù)缆沸枰旭傊匦拓涇嚕瑢Φ谭婪€(wěn)定和沉降要求較高。按照初步擬定的堤防設(shè)計斷面，施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果不能滿足規(guī)范要求（見圖1）。

圖1 基本斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果圖 單位：cm

根據(jù)二維有限元計算結(jié)果，該段堤防基本斷面型式在施工期抗滑穩(wěn)定計算結(jié)果為0.89，不滿足4級建筑物非正常運行條件規(guī)范要求值的1.05，由于河道背水側(cè)空間及規(guī)劃河道寬度的限制，無法采用減小綜合坡比或設(shè)置鎮(zhèn)壓平臺等方式改善邊坡穩(wěn)定，因此需要進行地基處理。

2 常規(guī)處理方案

針對施工區(qū)的實際情況，堤防工程中地基處理方式主要有抗滑樁處理和復(fù)合地基處理。復(fù)合地基處理可采用水泥攪拌樁和碎石樁。

2.1 抗滑樁方案

抗滑樁方案是指通過打設(shè)密排灌注樁的方式形成抗剪切墻體，從而阻止堤身發(fā)生滑動。由于該區(qū)域地基土淤泥質(zhì)黏土層較厚，密排灌注樁需貫穿整個淤泥質(zhì)黏土層才能完全阻斷滑動，因此需于擋墻背水側(cè)設(shè)置直徑80 cmC30鋼筋混凝土密排灌注樁，樁長為10～12 m。經(jīng)二維有限元軟件驗算此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.21，滿足規(guī)范要求。抗滑樁方案斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖2。

圖2 抗滑樁方案斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果圖 單位：cm

2.2 水泥攪拌樁方案

水泥攪拌樁方案是指通過設(shè)置水泥攪拌樁提高地基土的物理指標，改善邊坡穩(wěn)定情況。經(jīng)二維有限元試算，本次復(fù)核地基處理范圍寬度為17.0 m，深度為8.0 m，置換率需達到27 %，采用直徑60 cm，樁長8.0 m水泥攪拌樁間距1.0 m布置。水泥攪拌樁方案斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖3。

圖3 水泥攪拌樁方案斷面及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果圖 單位：cm

2.3 碎石樁方案

碎石樁方案是指通過地基土打設(shè)碎石樁增強地基土物理力學(xué)指標，從而改善邊坡穩(wěn)定情況。經(jīng)二維有限元試算，本次需碎石樁范圍寬度為17.0 m，深度為5.5 m，置換率43%。地基土方案斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖4。

圖4 碎石樁方案斷面及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果圖 單位：cm

2.4 方案比選

經(jīng)3個方案處理后堤防邊坡穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求，對3個方案的經(jīng)濟性、施工特點的分析見表2。

表2 各方案投資及特點分析表

3 新型承臺結(jié)構(gòu)方案

新型承臺結(jié)構(gòu)方案，以承臺結(jié)構(gòu)為主體，對上部構(gòu)筑物進行卸載，減少土的側(cè)向擠壓，從而改善堤防整體穩(wěn)定。在方案設(shè)計時，應(yīng)考慮上部荷載、結(jié)構(gòu)自重、卸載范圍等影響因素，并根據(jù)地基土情況設(shè)計承臺及樁基結(jié)構(gòu)。

3.1 卸載范圍的確定

確定卸載范圍時，考慮到工程實際及安全裕度，將承臺上部模型概化為“不考慮附加荷載、上部回填土體粘聚力”的土體極限平衡狀態(tài)[1-3]，即認為此時土體沿某一剪切面向承臺滑動；上部附加荷載將不考慮擴散作用完全由承臺承擔(dān)；回填土粘聚力由于受施工工藝影響且對計算結(jié)果有較大影響，折算為內(nèi)摩擦角反應(yīng)在模型中[4-5]。

主動土壓力等效內(nèi)摩擦角換算公式見式（1）：

式中：ΦD為等效內(nèi)摩擦角，°；Φ為土的內(nèi)摩擦角，°；C為土的黏聚力，kPa；γ為土的容重，kN/m3；H為計算基點距離填土面深度，m；D為計算點距離計算基點深度，m。

隨著土層深度的增加，等效內(nèi)摩擦角會相應(yīng)減小，本工程回填黏土cq=11.3 kPa，φq=12.6°，0～5 m回填深度下內(nèi)摩擦角分布見圖5。

圖5 等效內(nèi)摩擦角與地基土埋深關(guān)系圖

在計算時可按式（2）積分后求解卸載范圍：

式中：Φn為深度n時的等效內(nèi)摩擦角，°。

對于地基土埋深較淺的工程實例，為簡化設(shè)計，計算時可將回填土進行等分分層，分別求出各深度下填土的等效內(nèi)摩擦角Φn，從而得出土體極限平衡狀態(tài)下的剪切面，剪切面上部土體自重即為該承臺土體卸載范圍，計算簡圖見圖6。

圖6 黏性土卸載范圍示意圖

如承臺上部回填非黏性土，則以內(nèi)摩擦角Φ計算卸載范圍，計算簡圖及卸載范圍見圖7。

圖7 非黏性土卸載范圍示意圖

3.2 承臺及基礎(chǔ)設(shè)計

經(jīng)上部荷載計算后，進行承臺結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)的方案設(shè)計，應(yīng)考慮承臺及樁體自重、卸載范圍內(nèi)土體自重及上部車輛荷載等。經(jīng)計算，本案例樁需在堤頂?shù)缆废路讲贾肈=80C30鋼筋混凝土灌注樁，樁長15.0 m，縱向間隔3.0 m布置，上部設(shè)置60 cm厚鋼筋混凝土承臺。具體斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果見圖8。

圖8 新型承臺結(jié)構(gòu)方案斷面型式及施工期邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果圖 單位：cm

經(jīng)二維有限元分析計算，經(jīng)過承臺結(jié)構(gòu)處理后邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高至1.49，大大提高了堤防的整體穩(wěn)定性；并且承臺結(jié)構(gòu)同時可解決軟土地基堤防堤頂沉降的問題，滿足堤頂重型貨車的通行要求。該段堤防自2016年完工至今，運行良好，堤頂路面未發(fā)生明顯沉降。

4 結(jié) 語

隨著沿海城市的發(fā)展及幸福河建設(shè)理念的推廣，在工程設(shè)計中會遇到越來越多的軟土地基城市河道，設(shè)計空間小、地基土物理指標低、施工條件差，多功能要求高，堤防的整體穩(wěn)定成為河道設(shè)計工作中的主要難題。常規(guī)的地基處理方法，往往存在工程造價高、施工周期長的問題，加上城市河道沿線埋設(shè)管線較多，使“密排樁”“抗剪墻”等過去較為有效的處理方案變得阻力重重。

本文結(jié)合工程實際提出一種基于承臺結(jié)構(gòu)卸載的軟土地基堤防結(jié)構(gòu)，能有效應(yīng)對復(fù)雜的工程環(huán)境條件，多功能結(jié)合，具有“效果好、投資低、開挖少、施工簡、沉降小、適應(yīng)強”等優(yōu)勢。特別適用于：①軟土地基層厚；②軟土地基下部土側(cè)阻力、端阻力較大，利于摩擦樁或端承樁持力；③堤頂有通車需求，車輛荷載較大且對路面沉降有一定要求；④下部存在管線影響開挖或抗剪墻的工程中，具有廣泛的應(yīng)用前景，該結(jié)構(gòu)現(xiàn)已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局實用新型專利授權(quán)。