張 慧

(中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510000)

河道在防洪、排澇等方面發(fā)揮著巨大的作用，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的不斷增加，河道的防洪、排澇標(biāo)準(zhǔn)隨之提高，為了保證河道防洪、排澇安全，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展對(duì)河道提出的高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，對(duì)河道進(jìn)行綜合治理尤為重要。考慮到不同地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平存在較大差異，治理過(guò)程中需要充分考慮治理措施的經(jīng)濟(jì)性[1]，河道綜合治理中，最基礎(chǔ)、最重要、投資占比最大的往往是河道堤岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中軟土地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)河道堤岸支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探討，選擇安全、經(jīng)濟(jì)的支護(hù)方案，可以為類(lèi)似的工程提供參考借鑒，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

某工程位于深圳市西部，河道設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年，設(shè)計(jì)防潮標(biāo)準(zhǔn)為200年，河道出口位于珠江口。設(shè)計(jì)河底高程-1.5m，設(shè)計(jì)堤頂高程6.5m，河道寬40m，長(zhǎng)1.2km，堤防工程等級(jí)為1級(jí)，現(xiàn)狀地面高程約3.0m。河道兩岸用地空間有限，河道斷面設(shè)計(jì)為直立式，需要對(duì)河道堤岸進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。

2 地質(zhì)條件

區(qū)域地層從上至下主要有素填土、淤泥、粉質(zhì)黏土、殘積土、強(qiáng)風(fēng)化巖，其中設(shè)計(jì)河底基本位于淤泥層中，淤泥主要呈流塑狀，含水率較高，具有高壓縮性，淤泥層厚度8～11m。區(qū)域土層的主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要土層的物理力學(xué)參數(shù)表

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

由于工程施工工期緊張，不考慮對(duì)淤泥采用真空或堆載預(yù)壓的處理方式。河道最大深度為8m，支護(hù)深度較大，且支護(hù)結(jié)構(gòu)為永久性結(jié)構(gòu)，雙排樁支護(hù)具有施工影響小、占地少、施工快等優(yōu)點(diǎn)[2]，結(jié)合地質(zhì)條件，初步擬定河道堤岸支護(hù)方案采用以雙排灌注樁為主的支護(hù)方案，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為1級(jí)。設(shè)計(jì)灌注樁直徑1m，前排樁間距1.3m，后排樁間距2.6m，前后排樁排距3.5m，冠梁和連梁尺寸均取值為1m×1m。

根據(jù)規(guī)范[3]，支護(hù)結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定系數(shù)不得小于1.35，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)不得小于1.25，樁頂?shù)淖畲笏轿灰撇坏么笥?4mm。根據(jù)規(guī)范[4]，堤頂沉降不宜超過(guò)240mm。

雙排灌注樁，冠梁剛度對(duì)樁頂位移影響較大，其值與支護(hù)長(zhǎng)度、樁頂荷載及地層變化有關(guān)[5]，本工程中冠梁剛度取值為5MN/m，基坑外側(cè)嚴(yán)禁堆放荷載和行走重型車(chē)輛，計(jì)算時(shí)，堤頂外的施工荷載按10kPa考慮。

結(jié)合工程特點(diǎn)初步擬定了雙排樁、雙排樁+被動(dòng)區(qū)加固、雙排樁+被動(dòng)區(qū)加固+內(nèi)支撐+樁頂擋墻3種支護(hù)方案，采用理正深基坑計(jì)算軟件對(duì)不同支護(hù)方案的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。

3.1 方案一：雙排樁

表2給出了不同樁長(zhǎng)時(shí)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)及樁頂位移。

表2 雙排樁支護(hù)不同樁長(zhǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)及樁頂位移

雙排樁支護(hù)情況下，在樁長(zhǎng)達(dá)31m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)才能滿(mǎn)足規(guī)范要求，但樁頂水平位移偏大，水平位移超過(guò)50mm，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。考慮加大排樁長(zhǎng)度，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行試算，結(jié)果顯示，加大樁長(zhǎng)，對(duì)減小樁頂位移效果甚微，是因?yàn)闃俄斘灰浦饕芡翆恿W(xué)特性及基坑深度的影響。

3.2 方案二：雙排樁+被動(dòng)區(qū)加固

由于基坑底部主要位于淤泥層，土體抗力小，采用雙排灌注樁支護(hù)，樁頂水平位移過(guò)大，為了減小樁頂水平位移，考慮對(duì)基坑底部的被動(dòng)區(qū)進(jìn)行加固，設(shè)計(jì)加固被動(dòng)區(qū)的厚度為6.5m，穿透淤泥層。

表3給出了幾種不同樁長(zhǎng)和被動(dòng)區(qū)寬度下支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

結(jié)果表明，在被動(dòng)區(qū)相同的情況下，增加樁長(zhǎng)，可以增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性，對(duì)減少樁頂水平位移和樁頂沉降作用不顯著。在樁長(zhǎng)相同的情況下，增加被動(dòng)區(qū)寬度，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定、樁頂位移、樁頂沉降幾乎無(wú)影響，但隨著被動(dòng)區(qū)寬度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性增加。

若采用雙排樁+被動(dòng)區(qū)加固的支護(hù)方式，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)25m，被動(dòng)區(qū)寬度4.2m、深度6.5m時(shí)，基坑支護(hù)的整體穩(wěn)定系數(shù)及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)才可滿(mǎn)足規(guī)范要求，但樁頂位移仍偏大。

表3 雙排樁支護(hù)不同被動(dòng)區(qū)寬度支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)及樁頂位移

3.3 方案三：雙排樁+被動(dòng)區(qū)加固+內(nèi)支撐+樁頂擋墻

由于現(xiàn)狀地面高程約3.0m，為了節(jié)約工程投資和方便施工，考慮堤岸支護(hù)結(jié)構(gòu)使用樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)，即在現(xiàn)狀地面以下部分采用雙排灌注樁支護(hù)，在灌注樁上部采用混凝土擋墻結(jié)構(gòu)。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)使用雙排樁+被動(dòng)區(qū)加固時(shí)，最小樁長(zhǎng)達(dá)25m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)才滿(mǎn)足規(guī)范要求，從節(jié)省投資的角度出發(fā)，若想在減小樁長(zhǎng)的同時(shí)保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，考慮在基坑底部增加內(nèi)支撐體系。其中內(nèi)支撐體系由腰梁、聯(lián)系梁和內(nèi)支撐梁組成，典型支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。為了防止內(nèi)支撐體系沉降變形，在連系梁與內(nèi)支撐梁的交點(diǎn)處設(shè)置DN400預(yù)制管樁，樁長(zhǎng)23m。內(nèi)支撐梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為1m×1m，內(nèi)支撐梁頂高程為-1.5m，平面間距為7m。

設(shè)計(jì)施工平臺(tái)及灌注樁頂高程為3.0m，樁長(zhǎng)18.5m，樁頂設(shè)冠梁和連梁，為了后期樁頂擋墻施工方便，在冠梁和連梁之間的間隙處設(shè)連接板，板厚250mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冠梁、連梁及連接板之間的鋼筋相互錨接。樁頂新建懸臂式擋墻。

設(shè)計(jì)施工工序?yàn)槭┕?chǎng)地平整——水泥攪拌樁施工——灌注樁及冠、連梁施工——基坑開(kāi)挖——內(nèi)支撐體系施工——樁頂擋墻施工——堤后回填。根據(jù)施工順序，主要對(duì)兩種最不利工況支護(hù)體系的穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算。

工況一：被動(dòng)區(qū)及灌注樁施工完成，基坑開(kāi)挖至-2.5m，施工內(nèi)支撐體系前，基坑最大深度為5.5m。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算得支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為1.63，整體穩(wěn)定系數(shù)為1.80，樁頂最大水平位移16.15mm，最大沉降14mm。滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖1 方案三典型支護(hù)斷面圖

工況二：內(nèi)支撐體系及樁頂擋墻施工完成、堤后回填完成。此時(shí)內(nèi)支撐體系發(fā)揮作用，堤后填土的作用力由擋土墻傳導(dǎo)至下部支護(hù)樁?；幼畲笊疃葹?m。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算得支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為1.55，整體穩(wěn)定系數(shù)為1.77，樁頂最大水平位移20.04mm，最大沉降28mm。滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4 方案的選擇

根據(jù)計(jì)算，方案一和方案二都不能有效解決樁頂位移超出規(guī)范允許值的問(wèn)題，采用方案三可以將樁頂水平位移控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，本工程設(shè)計(jì)堤岸支護(hù)最終選用方案三，即下面采用樁基，上部新建擋墻，又稱(chēng)作樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)。

樁基托梁擋墻是一種擋土墻與樁的組合型式，由托梁或承臺(tái)相連接，樁基托梁主要用于解決地基承載力較低的問(wèn)題，通常應(yīng)用于填方區(qū)較厚、覆蓋土層穩(wěn)定性較差、基巖埋藏又較深的情況，在鐵路、公路行業(yè)應(yīng)用較多，在水利行業(yè)應(yīng)用相對(duì)較少[6- 7]。本工程結(jié)合場(chǎng)地周邊環(huán)境及區(qū)域地質(zhì)等實(shí)際情況，對(duì)河道堤岸采用樁基托梁擋墻進(jìn)行支護(hù)，在保證堤岸穩(wěn)定的前提下，可以有效減少灌注樁的工程量，減少工程投資，此外，在樁頂新建擋墻，下部的排樁既可作為河道堤岸的支擋結(jié)構(gòu)又可作為上部擋墻的基礎(chǔ)樁，很好地解決了軟土地區(qū)新建擋墻時(shí)花費(fèi)大量的工程投資進(jìn)行地基處理的問(wèn)題。在河道整治工程中，特別是河深較大的河道，可考慮采用樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行堤岸支護(hù)。

3.5 水泥攪拌樁施工討論

在軟土地區(qū)，水泥攪拌樁常被用于被動(dòng)區(qū)加固和基坑止水。為了保證工程施工質(zhì)量，施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水泥攪拌樁分別采用12%、15%、18%、20%四種不同的水泥摻量進(jìn)行了試樁實(shí)驗(yàn)。對(duì)28d齡期的水泥攪拌樁進(jìn)行鉆孔抽芯檢測(cè)，水泥攪拌樁抽芯檢測(cè)照片如圖2所示(其中水泥摻量為12%和15%的攪拌樁在28d齡期時(shí)無(wú)法抽芯取樣，圖中為養(yǎng)護(hù)35d后的取樣結(jié)果)。抽芯取樣結(jié)果表明，水泥摻量為12%和15%時(shí)成樁效果較差，芯樣較為分散、破碎，難以抽芯。水泥摻量達(dá)到18%時(shí)，芯樣取出時(shí)有部分成型，但均勻性不好。水泥摻量為20%時(shí)，成樁效果明顯增強(qiáng)，樁體完整性明顯提高，各地層均能保持芯樣完整。根據(jù)試樁結(jié)果，工程最終確定水泥摻量為20%。

圖2 不同水泥摻量攪拌樁鉆芯取樣圖

厲見(jiàn)芬等[8]指出，對(duì)含水量較高的軟土區(qū)攪拌樁施工，干法施工效果要優(yōu)于濕法施工，因?yàn)楦煞ㄊ┕姺劭梢晕哲浲林休^多的水分，有利于加固土體和樁身強(qiáng)度的提高，而濕法施工會(huì)通過(guò)漿液帶入水分進(jìn)入軟土中，對(duì)軟土加固不利。本工程試樁過(guò)程中，采用的是濕法施工，淤泥層本身含水量高，且施工過(guò)程中水泥漿液帶入部分水分進(jìn)水土層，不利于土體的固結(jié)，導(dǎo)致在水泥摻量較小時(shí)需要的養(yǎng)護(hù)時(shí)間更長(zhǎng)且成樁效果差。含水量較高的軟弱淤泥層，水泥攪拌樁施工應(yīng)優(yōu)先采用干法施工。

4 結(jié)語(yǔ)

樁基托梁擋墻作為一種新型的支護(hù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐵路、公路等市政工程，在水利工程中的應(yīng)用較少，本文結(jié)合某河道工程實(shí)例，研究了樁基托梁擋墻在河道堤岸支護(hù)中應(yīng)用的可行性，結(jié)果表明，樁基托梁擋墻在提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、控制樁頂位移方面具有優(yōu)越性，可以考慮用于河道堤岸支護(hù)。

對(duì)于樁基托梁擋墻在軟土地區(qū)河道中的受力機(jī)理和變形特性本文未及研究，后續(xù)可以對(duì)樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)的受力和變形特性進(jìn)行研究，為樁基托梁擋墻在河道堤岸支護(hù)中的應(yīng)用提供理論支撐。