趙 戀

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司福建分公司,福建 福州 350001)

1 工程概況

1.1 水利防洪工程概況

根據(jù)該水利防洪工程地質勘察資料,堤防基礎以下為淤泥層,地基承載力特征值 fk=50.0 kPa,平均深度為5.0 m,需進行基礎處理。

經(jīng)初步計算,基礎未處理前,地基承載力不能滿足要求,擋墻抗滑穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求,因此,需對地基進行處理?；A未處理前擋墻穩(wěn)定計算成果詳見表1。

表1 基礎處理前擋墻穩(wěn)定計算成果表

1.2 工程地質

擬建場地屬近濱海沉積地貌,地勢較平坦開闊,河段河道蜿蜒曲折,河道兩岸為居民房屋和農(nóng)田。工程場地上部土層主要為第四系人工堆積(Q4s)、沖海積(Q4al-m)和沖洪積(Q4al+pl)松散堆積物?，F(xiàn)根據(jù)勘探、野外工程地質測繪及收集的資料,各巖土層自上而下分述如下:

1.2.1 人工堆積(Q4s)

雜填土:雜色,充填物多為砂質或粉質粘性土,含較多的由瓦礫、磚塊、砼塊、碎塊石等組成的建筑垃圾及一些生活垃圾。稍濕,結構松散。該層分布在工程場地表層,層厚一般為0.40～3.20 m。

1.2.2 沖海積堆積(Q4al-m)

1)粉質粘土(Q4al-m):灰黃～灰黑色,濕～飽和,可塑,以粘性土為主,含少量鐵錳質,捏面較光滑,稍有光澤,干強度中等,韌性中等,搖震反應慢。該層主要分布于河道兩岸土地表層,層厚為0.90～2.20 m。

2)淤泥(Q4al-m):灰黑色,流塑,局部軟塑,略有臭味,飽和,無搖振反應,干強度較高,韌性中等,刀切面較光滑,含少量有機質,5%～10%的貝殼及腐殖質等。層厚為5.80～7.20 m,呈透鏡狀分布。

3)卵石(Q4al+pl):黃褐色、灰色、稍密～中密,稍濕～飽和,卵石含量大于55%,卵石粒徑60～120 mm,局部大于300 mm,巖性成分為石英砂巖、凝灰熔巖,次圓形～圓形,弱風化狀,卵石骨架之間為中砂、粗砂充填,揭露層厚度3.20～7.80 m。

1.2.3 基巖

該堤段內揭露的基巖有侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰熔巖(J3n),上部多風化為全風化和強風化巖,下部多為弱風化巖。

2 基礎處理方案比較選擇

2.1 基礎處理方案比較

根據(jù)基底應力、地質情況、施工工藝和工期、成樁質量、基礎土層分布及工程地質條件,適合本工程的基礎處理方式主要有預應力管樁、水泥攪拌樁、開挖換填, 拋石擠淤。工程設計對四種基礎處理方案進行經(jīng)濟技術比較,比選時淤泥層厚度取5.0 m。

表2 各類土(巖)土主要工程地質參數(shù)建議值

2.1.1 預應力管樁方案

本方案堤基采用DN300預應力管樁進行處理,堤防下部擋墻寬度大部分在3.0 m左右,為保證各管樁受力更均衡,擬布置3排管樁,縱向間距取1.5 m,橫向間距取1.2 m,梅花樁型布置,樁端全斷面進入卵石層0.5 m,樁長5.5 m。

2.1.2 水泥攪拌樁方案

本方案在堤基范圍內采用DN600水泥攪拌樁復合地基處理。水泥攪拌樁共布置3排,排距1.25 m,間距0.5 m,樁間相互咬合0.1 m,攪拌樁按格柵型布置,3排樁之間每間隔2.0 m布置肋樁。攪拌樁穿透淤泥層,樁底為卵石層,形成復合地基。水泥攪拌樁施工后開挖至擋墻基礎面高程,而后進行擋墻結構施工。

2.1.3 拋石擠淤方案

本方案擬先挖除淤泥層上部的雜填土層,隨后對淤泥層采用拋填毛塊石處理,拋填厚度為3.0 m,寬度為4.0～5.0 m。

2.1.4 開挖換填方案

2.2 基礎處理方案選擇

采用開挖換填方案需要較大施工工作面,對堤岸擾動較大,導致拆遷、征地面積增加,施工難度大,因此僅對其余三種方案進行可比投資比較。

2.2.1 預應力管樁方案

預應力管樁采用履帶式打樁機靜壓沉樁施工,樁下壓時垂直度偏差不應大于0.5%;每根樁一次性連續(xù)壓到底,終壓復壓次數(shù)3～5次,穩(wěn)壓壓樁力不得小于終壓力,穩(wěn)定壓樁的時間5～10 s。施工簡單、高效、快捷,基礎處理工程工期1個月,工程建設基本不受基礎處理工程進度制約,基礎承載力較高。基礎處理方案每公里工程投資約254萬元。

2.2.2 水泥攪拌樁方案

水泥攪拌樁基礎處理方案施工稍顯復雜,先開挖回填樁基施工平臺,然后進行水泥攪拌樁施工。水泥土攪拌樁方案對樁身施工質量要求較高,施工前應確定灰漿泵輸漿量、灰漿經(jīng)輸漿管到達攪拌機噴漿口的時間和起吊設備提升燈施工參數(shù),并應根據(jù)設計要求,通過工藝性試樁確定施工工藝。施工過程中需嚴格攪拌機噴漿提升的速度和次數(shù)?；A處理工程工期6個月,施工工期較長,工程建設受基礎處理工程進度制約較大。水泥攪拌樁復合地基施工完成后再開挖至擋墻基礎高程,施工場地較大,對堤岸的擾動較大?；A承載力一般?；A處理方案每公里工程投資約345萬元。

2.2.3 拋石擠淤方案

拋石擠淤基礎處理方案施工較為簡單,由自卸汽車運輸入倉,經(jīng)1 m3反鏟反復擠壓,施工工期2個月。本方案對石材的需求量較大,石材供應比較困難。拋石擠淤施工最大厚度僅3.0 m,拋石底部仍有約2.0 m厚的淤泥層,拋石基礎仍存在不均勻沉降隱患?；A處理方案每公里工程投資約241萬元。

通過以上比較可知,拋石擠淤方案工程投資最省,但對石材的需求量較大,石材供應比較困難,且拋石擠淤處理后基礎仍存在不均勻沉降隱患;水泥攪拌樁復合地基方案工程投資最高,工程建設受基礎處理工程進度制約較大,施工質量控制嚴格。因此,該水利防洪工程推薦采用工程投資最省,施工簡單,工期最短,基礎承載力較高的預應力管樁基礎處理方案。

3 基礎處理方案計算研究

3.1 基礎處理方案布置

水利防洪工程基礎采用DN300預應力管樁進行處理,根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-2008)規(guī)定,預應力管樁屬于擠土樁,當縱橫向樁距不相等時,樁間距不小于3.5 d=1.05 m,樁端全斷面進入持力層(碎石類土)深度不小于1.0 d=0.3 m。堤防下部擋墻寬度大部分在3.0 m左右,為保證各管樁受力更均衡,擬布置3排管樁,縱向間距取1.5 m,橫向間距取1.2 m;地基持力層為卵石層,呈稍密～中密狀,樁端全斷面進入持力層深度0.5 m。

3.2 基礎處理設計計算

水利防洪工程為5級,不考慮地震作用。樁基設計考慮群樁效應,樁基承載力按照《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-2008)中的有關規(guī)定進行計算。

3.2.1 樁頂作用效應計算

1)群樁中單樁樁頂作用效應按下列公式進行計算:

(1)豎向力

軸心豎向力作用下

(1)

偏心豎向力作用下

(2)

(2)水平力

(3)

式中:Fk為荷載效應標準組合下,作用于承臺頂面的豎向力;Gk為樁基承臺和承臺上土自重標準值,對穩(wěn)定的地下水位以下部分應扣除水的浮力;Nk為荷載效應標準組合軸心豎向力作用下,基樁或復合基樁的平均豎向力;Nik為荷載效應標準組合偏心豎向力作用下,第i基樁或復合基樁的豎向力;Mxk、Myk為荷載效應標準組合下,作用于承臺底面,繞通過樁群形心的x、y 主軸的力矩;xi、xj、yi、yj為第i、j 基樁或復合基樁至x、y軸的距離;Hk為荷載效應標準組合下,作用于樁基承臺底面的水平力;Hik為荷載效應標準組合下,作用于第i基樁或復合基樁的水平力;n為樁基中的樁數(shù)。

3.2.2 計算結果

根據(jù)前文擋墻穩(wěn)定計算成果,完建工況下基礎受力最大,作用于擋墻基底總豎向力=171.229 KN/延米,總水平力=60.650 KN/延米。堤防下部擋墻分段長度為15.0 m,擋墻基礎水平荷載方向樁數(shù)n1=3根,垂直水平荷載方向樁數(shù)n2=10根。由此計算單樁軸心豎向力Nk、偏心豎向力Nik、水平力Hik,計算成果見表3。

表3 單樁樁頂作用效應計算成果表

3.2.3 單樁豎向承載力特征值計算

(1)預應力管樁(混凝土空心樁)單樁豎向承載力特征值Quk應按下式確定:

Quk=u∑qsikli+ qpk(Aj+λpAp1)

(4)

當hb/d<5時,λp=0.16 hb/d

當hb/d>5時,λp=0.8

(2)樁基屬于端承型樁(摩擦端承樁),不考慮承臺效應。預應力管樁(混凝土空心樁)單樁豎向承載力特征值Ra應按下式確定:

(5)

式中:K為安全系數(shù),取K=2。

(3)單樁豎向承載力計算成果見表4。

表4 單樁豎向承載力計算成果表

3.2.4 單樁水平承載力特征值計算

(1)預應力管樁樁身混凝土標號在C60以上,樁身配筋率不小于0.65%,樁的水平承載力由水平位移控制。單樁基礎樁基水平承載力特征值Rha應按下式確定。

(6)

(7)

EI=0.85EcI0

(8)

I0=W0d0/2

(9)

(10)

式中:Rha為單樁水平承載力特征值,±號根據(jù)樁頂豎向力性質確定,壓力取“+”,拉力取“-”;α為樁的水平變形系數(shù);m為承臺側面土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù),取3.0;b0為樁身的計算寬度,d=0.3≤1 m,b0=0.9(1.5d+0.5);EI為樁身抗彎剛度;Ec為樁身抗彎剛度,C60混凝土抗壓強度,取36 000 MN/m2;I0為樁身換算截面慣性矩;d0為扣除保護層厚度的樁直徑;W0為樁身換算截面受拉邊緣的截面模量;αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值;ρg為樁身配筋率,取0.65%;νx為樁身水平位移系數(shù),取0.94;χoa為樁頂允許水平位移,取0.006 m;

(2)群樁基礎的樁基水平承載力特征值應考慮由群樁、土的相互作用產(chǎn)生的群樁效應(樁基屬于端承型樁,不考慮承臺效應),群樁基礎樁基水平承載力特征值Rh應按下式確定:

Rh=ηhRha

(11)

ηh=ηiηr+η1+ηb

(12)

(13)

(14)

表5 單樁水平承載力計算成果表

3.2.5 計算結論

經(jīng)計算,最不利工況中,作用于樁基的平均豎向力Nk=85.61 kN,樁基豎向承載力特征值R=Ra=251.4 kN,滿足軸心豎向力作用下Nk≤R要求;偏心豎向力作用下樁頂最大豎向力Nk max=102.74 kN,滿足偏心豎向力作用下Nk max≤1.2R要求;作用于樁基的平均水平力Hik=30.33 kN,群樁基礎樁基水平向承載力特征值Rh=39.25 kN,滿足水平荷載作用下Hik≤Rh要求。因此,預應力管樁基礎處理設計方案能滿足規(guī)范和設計要求。

表6 預應力管樁基礎處理設計計算成果匯總表

4 結語

基礎處理方案比選時,需根據(jù)工程的特點,從工程投資、施工工藝、工期、基礎處理效果等多方面比較后選擇結構可靠、投資節(jié)省、技術先進的加固方案。預應力管樁廣泛適用于各種軟土地基基礎處理工程中,具有實用性廣、結構穩(wěn)定可靠、造價低廉、運輸方便、施工簡單快捷、環(huán)保等優(yōu)點,尤其對于施工工期緊張的工程更具優(yōu)勢。本文介紹的水利防洪案例工程于2020年1月開工建設,2020年10月完工驗收,工期比較緊張。采用預應力管樁基礎處理方案大幅度的縮短了基礎處理工期,保證了在汛期來臨之前完成堤防下部擋墻的建設,節(jié)約了工程建設成本,為整個工程的建設提供了充分的保障。該水利防洪工程已運行兩年多,堤防結構穩(wěn)定性較好,外觀整齊美觀,未出現(xiàn)沉降、位移、變形等不利于工程安全運行的現(xiàn)象。該水利防洪工程的順利建成并安全運行為預應力管樁基礎處理方案提供了一個成功的案例。