楊望 鄒戰(zhàn)軍 朱杰驊

收稿日期：

2023-06-13

作者簡介：

楊? 望，男，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。E-mail： 1019087685@qq.com

引用格式：

楊望，鄒戰(zhàn)軍，朱杰驊.混凝土框架結(jié)構(gòu)改造型式在海塘加固中的應(yīng)用研究

［J］.水利水電快報，2024，45（1）：52-57.

摘要：

在浙江“海塘安瀾工程”建設(shè)過程中，為了使海塘加固滿足工程自身穩(wěn)定性需求，同時兼顧對周邊生態(tài)環(huán)境，提出了一種新型海塘改造形式——混凝土框架結(jié)構(gòu)。結(jié)合浙江東部健跳塘提升改造工程，分析了結(jié)構(gòu)作用機理，對工程穩(wěn)定性進行了計算，并結(jié)合塘身沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對混凝土框架結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用情況進行了研究。結(jié)果表明：混凝土框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及樁基受力滿足要求，適用于軟土環(huán)境工程；該結(jié)構(gòu)形式安全穩(wěn)定，能夠減小工程建設(shè)對周邊生態(tài)環(huán)境的影響。該結(jié)構(gòu)改造形式可為海塘工程提供參考。

關(guān)鍵詞：

海塘加固； 混凝土框架結(jié)構(gòu)； 淤泥質(zhì)土； 穩(wěn)定性計算； 樁身受力

中圖法分類號：TV871；U656.31

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.009

文章編號：1006-0081（2024）01-0052-06

0? 引? 言

海塘是指浙江省在沿海部位修建的用于御洪潮水的堤防工程，又稱海堤，是沿海地區(qū)防御風暴潮襲技術(shù)設(shè)施體系的重要組成部分，是抵御臺風等自然災(zāi)害，保障周邊居民生命財產(chǎn)安全的重要舉措［1］?！昂Ｌ涟矠懝こ獭苯ㄔO(shè)旨在對海塘保護區(qū)的防洪御潮體系進行完善，保障海塘防洪御潮體系和生態(tài)景觀等方面的新需求［2］。

在海塘建設(shè)過程中，往往需要面對復(fù)雜的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，尤其對于老舊海堤的改造加固工程，不僅需要對現(xiàn)狀海堤進行修復(fù)，還需要結(jié)合工程地質(zhì)條件綜合設(shè)計，設(shè)計建設(shè)難度較大。近年來，眾多專家學者針對海堤加固工程的設(shè)計方案展開了深入的研究工作，吳正中［3］采用層次分析法和德爾菲法建立了海塘工程安全評價體系，用于對海塘工程安全進行全方位評價；葛雙成等［4］研究了注漿加固在海堤工程中的應(yīng)用情況；郭國林［5］對鋼筋混凝土柵欄板在海堤加固中的消浪機理進行研究。以往的研究工作針對含淤泥質(zhì)土底層下的海塘加固方案方面較少，基于此，本文在前人基礎(chǔ)上，結(jié)合健跳塘提升改造工程實際，針對該項目工程地質(zhì)中的淤泥質(zhì)土問題，提出混凝土框架海塘加固方案，并分析混凝土框架結(jié)構(gòu)在海堤加固改造中的應(yīng)用情況，以論證其在含淤泥質(zhì)土地層下海塘安瀾工程中的可行性，為后續(xù)相關(guān)工程的建設(shè)提供參考。

1? 工程概況

1.1? 工程簡介

健跳塘位于健跳鎮(zhèn)鎮(zhèn)南、健跳港北岸，其中健跳鎮(zhèn)位于浙江東部黃金海岸線中段、三門縣城海游鎮(zhèn)東面，距海游鎮(zhèn)30 km。健跳港港長17 km，寬300～1 000 m，深9～47 m?，F(xiàn)狀海塘塘身為混合式土石結(jié)構(gòu)，迎潮面鎮(zhèn)壓層以上塘身采用混凝土護面。防浪墻頂高程6.4～6.6 m，塘頂寬度約為3.3～5.5 m。

1.2? 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察成果分析，工程場地地層物理力學參數(shù)如表1所示。海塘塘基中Ⅲ層淤泥質(zhì)黏土，高壓縮性，工程地質(zhì)性質(zhì)差；Ⅲcl層粉質(zhì)黏土，以可塑為主，中等壓縮性，工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好；Ⅳ層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，以軟塑、高壓縮性為主，工程地質(zhì)性質(zhì)較差；Ⅴ層黏質(zhì)粉土，稍密，工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好；Ⅸ層熔結(jié)凝灰?guī)r，工程地質(zhì)性質(zhì)好。由于淤泥質(zhì)黏土具有高壓縮性、天然含水量大于液限，屬軟土范疇，工程性質(zhì)較差，會對工程穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

在進行海塘設(shè)計工作中，除需要明確場地常規(guī)水文地質(zhì)條件外，還需進一步明確所在區(qū)域的設(shè)計潮位以及設(shè)計洪水過程等。

健跳站潮位資料系列為1975～2015年，年最高潮位頻率計算采用P-Ⅲ型曲線擬合，設(shè)計低潮位采用下述極值Ⅰ型模型進行分析計算，計算結(jié)果見表2［6-7］。

2? 健跳塘混凝土框架結(jié)構(gòu)特點

健跳塘升級改造工程要求海塘加固工程完工后塘身沉降小，以利于老舊塘身的穩(wěn)定，保護現(xiàn)狀灘涂，盡量減小對海洋生態(tài)環(huán)境的影響。塘頂擴寬工作盡可能不占用現(xiàn)狀海塘內(nèi)部土體。健跳塘升級改造工程涵蓋景觀部分，海塘結(jié)構(gòu)設(shè)置需將沿岸景觀資源價值利用最大化?；诖?，傳統(tǒng)海塘加固方式不能滿足健跳塘海塘加固的部分需求，需針對工程實際進行海塘加固工作。

為應(yīng)對淤泥質(zhì)土對工程建設(shè)帶來的影響，結(jié)合工程實際需求并綜合分析后，對健跳塘采用混凝土框架結(jié)構(gòu)型式進行改造。

混凝土框架結(jié)構(gòu)改造形式如圖1所示?；炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)是在現(xiàn)狀塘身位置采用混凝土框架結(jié)構(gòu)向外側(cè)擴寬，海塘地基部分采用高壓旋噴樁處理，混凝土框架結(jié)構(gòu)地基部分采用混凝土灌注樁處理。在海塘現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)布置基礎(chǔ)，塘頂及塘頂外海側(cè)布置寬

8.0～13.5 m的混凝土梁板結(jié)構(gòu)平臺，將塘頂向外海側(cè)拓寬7.0～10.0 m，原塘身堤頂下部采用高壓旋噴樁對海塘防滲進行加固，原塘身迎潮面混凝土護面外采用混凝土結(jié)構(gòu)進行加固。

針對地層中的淤泥質(zhì)土，海塘地基采用高壓旋噴樁加固，平臺地基采用混凝土灌注樁處理。海塘地基采用高壓旋噴樁，樁徑70 cm，間隔1 m布置。平臺下部地基采用混凝土灌注樁參數(shù)位D80cmC40。此外，因混凝土灌注樁樁位布置在海塘外海，需要設(shè)置側(cè)拋石鎮(zhèn)壓，拋石鎮(zhèn)壓層厚度約1.2～2.6 m。地基基巖埋深較深地段，混凝土灌注樁樁長為37.0 m，基巖埋深較淺地段，要求混凝土灌注樁樁端嵌入強風化巖80 cm。

如圖1所示，從工程建設(shè)角度而言，在所采用的混凝土框架結(jié)構(gòu)中，塘身部分框架結(jié)構(gòu)簡潔，為后續(xù)景觀設(shè)計提供了便捷的條件?；A(chǔ)部分采用混凝土灌注樁形式，將上部應(yīng)力傳遞至下部穩(wěn)定土層中，避免了塘身沉降破壞的隱患。從環(huán)境保護角度而言，外擴部分采用混凝土灌注樁支撐，框架結(jié)構(gòu)為頂面，維持了原有海浪沖擊面，對動植物以及微型生態(tài)環(huán)境基本不產(chǎn)生影響。

3? 穩(wěn)定性計算

3.1? 海塘整體抗滑穩(wěn)定計算

邊坡穩(wěn)定性評價方法包括極限平衡法和數(shù)值法。數(shù)值法包括有限元、離散元、邊界元等。極限平衡法包括瑞典圓弧法、畢肖普法、薩爾瑪法等。針對畢肖普法和瑞典圓弧法，有研究表明，大多數(shù)情況下兩種計算方法所得穩(wěn)定性系數(shù)K的關(guān)系為K畢＞K圓，尤其針對黏性土，二者所得K值差別較難判斷。為保證工程整體安全性，采用瑞典圓弧法計算海塘整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)［8］。

海塘加固斷面采用框架式斷面進行加固，地基采用混凝土灌注樁+高壓旋噴樁型式加固。在海塘運行期正常運用條件下，內(nèi)側(cè)水位取地面以下50 cm地下水位3.5 m，內(nèi)側(cè)水位取50 a一遇設(shè)計低潮位-3.85 m或涂面。地基土層參數(shù)根據(jù)勘察結(jié)果進行取值，具體取值見表1。十字板強度Cu=6.054+1.050Z（數(shù)值已按系數(shù)0.8折減，Z為地基埋深，m）。

高壓旋噴樁布置區(qū)域土層參數(shù)取值計算公式：

tanφsp=mμptanφp+（1－mμp）tanφs（1）

Csp=mCp+（1－m）Cs（2）

μp=n1+（n－1）m（3）

式中：φsp為復(fù)合土層內(nèi)摩擦角標準值，（°）；m為面積置換率；μp為應(yīng)力集中系數(shù)；φp為樁體材料內(nèi)摩擦角標準值，（°）；φs為樁間土內(nèi)摩擦角標準值，（°）；Csp為復(fù)合土層黏聚力標準值，kPa；Cp為樁體材料黏聚力標準值，kPa；Cs為樁間土黏聚力標準值，kPa；n為樁土應(yīng)力比。

采用上述方法，參數(shù)選取如表1所示工程地質(zhì)勘察中相關(guān)巖土工程試驗結(jié)果，計算方法選用瑞典圓弧法，對海塘4個關(guān)鍵斷面進行穩(wěn)定性計算。計算成果見表3。以塘0+200斷面為例，海塘抗滑穩(wěn)定控制土層為Ⅲ淤泥質(zhì)黏土層，海塘地基采用十字板強度Cu=6.054+1.050Z進行抗滑穩(wěn)定復(fù)核，現(xiàn)狀灘涂面天然邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.06，現(xiàn)狀塘身整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.02，加固后塘身整體穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.204。施工期塘身外側(cè)安全系數(shù)為1.115。計算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)形式抗滑安全系數(shù)大于相關(guān)規(guī)范要求。

混凝土框架結(jié)構(gòu)的作用機理是將上部荷載通過豎向樁結(jié)構(gòu)傳遞至下部穩(wěn)定土層，以達到規(guī)避不穩(wěn)定土層、降低結(jié)構(gòu)整體沉降量并增加穩(wěn)定性的目的。計算結(jié)果表明，所提出的混凝土框架結(jié)構(gòu)能夠越過淤泥質(zhì)土地層，將上部堤身荷載傳遞至下部穩(wěn)定土層中，避免了軟土層結(jié)構(gòu)對工程建設(shè)的影響。同時，穩(wěn)定性計算結(jié)果進一步表明，該結(jié)構(gòu)形式具有可行性。

3.2? 混凝土灌注樁樁基計算

灌注樁樁身沉降變形機理如圖2所示，圖中ds為樁身中某一小段，z為水平位移?；炷凉嘧兜暮奢d傳遞機理實質(zhì)上是樁土效應(yīng)的產(chǎn)生，導致樁與土之間力的傳遞與變形協(xié)調(diào)的過程。樁身的功能主要是將上部荷載傳遞至地基土，由于樁身構(gòu)造特點，樁身與土體接觸面較大，樁底與土體接觸面積較?。ㄒ话愕陀?%）。在此結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上，樁身上部首先受到荷載作用而產(chǎn)生壓縮以及向下位移，在位移過程中，樁身與土體所產(chǎn)生的摩阻力逐步與上部荷載形成平衡狀態(tài)，樁底處樁身軸力與土體反作用力形成受力平衡，同時持力層也在樁身軸力的作用下產(chǎn)生沉降變形，進一步促進摩阻力的發(fā)展，共同抵御上部荷載。樁身位移的產(chǎn)生是在軸力、荷載、摩阻力、持力層沉降、樁底反作用力的共同作用下逐步形成并趨于穩(wěn)定。

因此，明確樁身豎向軸力對于判定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有十分關(guān)鍵的作用。混凝土框架結(jié)構(gòu)中灌注樁任一深度截面荷載可表示為

qs（z）=AEpUd2s（z）dz2（4）

式中：U為樁身截面周長，mm；Ep為樁身彈性模量，MPa；A為樁身截面積，mm2。

該工程所采用的混凝土框架結(jié)構(gòu)中混凝土灌注樁設(shè)置方式如圖3所示。以樁號塘1+020處典型斷面為例，對鉆孔灌注樁進行受力計算。樁基相關(guān)參數(shù)取值如表4所示，計算內(nèi)容如下。

樁承受的豎向力計算如下［9-10］：

Nk=Fk+Gkn±Mxkyi∑yi2±Mykyi∑yj2（5）

式中：Fk為荷載效應(yīng)標準組合下，作用于景觀平臺頂面的豎向力，kN，該工程景觀平臺上部荷載為房建永久荷載加人群荷載；Gk為樁基及樁基上部混凝土框架的自重標準值，kN；Nk為樁基的平均豎向力，kN；Mxk，Myk為作用于承臺底面繞通過樁群形心的x、y主軸的力矩，kN·m；yi，yj為第j根樁分別至y，x軸的距離，m；n為樁總數(shù)。

混凝土灌注樁單樁豎向承載力標準值為

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+αpskAp（6）

式中：Qsk，Qpk分別為單樁總極限側(cè)阻力和總極限端阻力標準值，kN；u為樁身周長，m；qsik為樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標準值，kPa；li為樁穿越第i層土的厚度，m；α為樁端阻力修正系數(shù)，取0.90；psk為樁端附近的靜力觸探比貫入阻力標準值（平均值），kPa；Ap為樁端面積，m2。

基礎(chǔ)單樁運行期承受的最大豎向力為802 kN，樁豎向力平均值為656.17 kN。鉆孔灌注樁布置方案可滿足承載力及海塘整體抗滑穩(wěn)定要求。

4? 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

自健跳塘混凝土框架結(jié)構(gòu)施工完成后，在堤身不同位置設(shè)置監(jiān)測點位，監(jiān)測工作于2021年12月

開始，主要監(jiān)測海塘軸線外側(cè)（靠海側(cè)）、海塘軸線內(nèi)側(cè)（背海側(cè)）以及堤頂外側(cè)的沉降量。截至2023年6月，部分監(jiān)測點位累計沉降量如表5所示。由表5可知，健跳塘混凝土框架結(jié)構(gòu)斷面累計沉降量最大發(fā)生在塘1+135外側(cè)測點，累計值為-111.0 mm，本月最大變形量發(fā)生在塘0+330外側(cè)測點，累計沉降-4.8 mm。整體監(jiān)測數(shù)據(jù)未超過設(shè)計要求報警值（報警值控制標準為日沉降量大于10 mm，且連續(xù)3 d超標），監(jiān)測斷面安全。

將健跳塘累計沉降變形最大位置塘1+135斷面處累計沉降量繪于圖4。如圖4所示，采用混凝土框架結(jié)構(gòu)加固海塘后，塘1+135斷面處單日沉降量先增大后減小，截至2023年6月，監(jiān)測沉降基本已呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。混凝土框架結(jié)構(gòu)施加后，結(jié)構(gòu)從整體上增加了土體的總應(yīng)力，同時混凝土灌注樁的施加所產(chǎn)生的樁土效應(yīng)和軟土層中孔隙水壓力的消散逐步抵消結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的總應(yīng)力，土體應(yīng)力重分布逐步穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)施加所造成的應(yīng)力重分布情況在施加前期較為明顯，表現(xiàn)為施加前期塘身結(jié)構(gòu)沉降量較大；土體應(yīng)力環(huán)境隨時間逐步趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為沉降量逐漸減小至穩(wěn)定。此外，塘身中軸線外側(cè)沉降量大于內(nèi)側(cè)沉降量，其原因在于塘身周線內(nèi)側(cè)為老舊塘身位置，老舊塘身為混合土石結(jié)構(gòu)，在重力作用下，下部土體已發(fā)生次固結(jié)現(xiàn)象，土體沉降空間較小，因此新結(jié)構(gòu)引起的塘身軸線內(nèi)側(cè)沉降較小。

5? 結(jié)? 論

結(jié)合健跳塘提升改造工程對混凝土框架結(jié)構(gòu)改造形式進行研究。首先對海塘工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)狀進行分析，并根據(jù)工程實際設(shè)計混凝土框架結(jié)構(gòu)，然后采用瑞典圓弧法計算海堤穩(wěn)定性，并計算混凝土灌注樁受力情況，得出結(jié)論如下。

（1） 根據(jù)健跳塘海堤邊坡的工程地質(zhì)條件，設(shè)計出混凝土框架結(jié)構(gòu)改造形式。該結(jié)構(gòu)形式塘身工后沉降小、對海洋生態(tài)環(huán)境沒有不利影響、塘頂拓寬不占用海塘內(nèi)側(cè)土地。

（2） 采用瑞典圓弧法對混凝土框架結(jié)構(gòu)所加固的海堤進行穩(wěn)定性分析，并計算灌注樁樁身豎向力最大值。計算結(jié)果表明：外側(cè)穩(wěn)定性系數(shù)均大于1.2，最大樁豎向力數(shù)值最大豎向力為802 kN、樁豎向力平均數(shù)值為656.17 kN，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。

（3） 混凝土框架結(jié)構(gòu)簡單，采用樁作為荷載傳導結(jié)構(gòu)，對海塘周邊生態(tài)環(huán)境影響較小。

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（編輯：李? 慧）

Study on application of concrete frame structure modification type in seawall security project

YANG Wang，ZOU Zhanjun，ZHU Jiehua

（Zhejiang Zhongshui Engineering Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310010，China）

Abstract：

In the construction process of Haitang Anlan Project in Zhejiang Prvince，to meet the stability requirements of the project，taking into account the ecological environment surrounding the construction of the project.A new form of seawall，the concrete frame structure was proposed and the in-depth research on the practical application of this structure was conducted in combination with the Jiantiao Pond Modification Project.The structural mechanism was analyzed and its engineering stability was calculated.The practical situation of the proposed concrete frame structure was studied by consideration of the monitoring settlement data of the structure.The results showed that the structural stability of concrete frame and pile foundation force can meet the relevant requirements，which can be applied to soft soil environment.The structure was stable and can greatly reduce the influence of engineering construction on the surrounding ecological environment.The proposed concrete frame structure can provide a reference for the seawall reinforcement work．

Key words：

seawall reinforcement； concrete frame structure； muddy soil； stability calculation； loading of piles