軟土地區(qū)河道堤岸支護設計實例探討

張 慧

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510000)

河道在防洪、排澇等方面發(fā)揮著巨大的作用，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和人口的不斷增加，河道的防洪、排澇標準隨之提高，為了保證河道防洪、排澇安全，適應社會發(fā)展對河道提出的高標準、高要求，對河道進行綜合治理尤為重要。考慮到不同地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平存在較大差異，治理過程中需要充分考慮治理措施的經(jīng)濟性[1]，河道綜合治理中，最基礎、最重要、投資占比最大的往往是河道堤岸結構設計。其中軟土地區(qū)地質條件復雜，對河道堤岸支護設計進行研究探討，選擇安全、經(jīng)濟的支護方案，可以為類似的工程提供參考借鑒，具有現(xiàn)實意義。

1 工程概況

某工程位于深圳市西部，河道設計防洪標準為100年，設計防潮標準為200年，河道出口位于珠江口。設計河底高程-1.5m，設計堤頂高程6.5m，河道寬40m，長1.2km，堤防工程等級為1級，現(xiàn)狀地面高程約3.0m。河道兩岸用地空間有限，河道斷面設計為直立式，需要對河道堤岸進行支護設計。

2 地質條件

區(qū)域地層從上至下主要有素填土、淤泥、粉質黏土、殘積土、強風化巖，其中設計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參數(shù)見表1。

表1 主要土層的物理力學參數(shù)表

3 支護方案設計

由于工程施工工期緊張，不考慮對淤泥采用真空或堆載預壓的處理方式。河道最大深度為8m，支護深度較大，且支護結構為永久性結構，雙排樁支護具有施工影響小、占地少、施工快等優(yōu)點[2]，結合地質條件，初步擬定河道堤岸支護方案采用以雙排灌注樁為主的支護方案，支護結構安全等級為1級。設計灌注樁直徑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]，支護結構抗滑穩(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240mm。

雙排灌注樁，冠梁剛度對樁頂位移影響較大，其值與支護長度、樁頂荷載及地層變化有關[5]，本工程中冠梁剛度取值為5MN/m，基坑外側嚴禁堆放荷載和行走重型車輛，計算時，堤頂外的施工荷載按10kPa考慮。

結合工程特點初步擬定了雙排樁、雙排樁+被動區(qū)加固、雙排樁+被動區(qū)加固+內(nèi)支撐+樁頂擋墻3種支護方案，采用理正深基坑計算軟件對不同支護方案的穩(wěn)定性進行計算。

3.1 方案一：雙排樁

表2給出了不同樁長時雙排樁支護結構的穩(wěn)定系數(shù)及樁頂位移。

表2 雙排樁支護不同樁長支護結構的穩(wěn)定系數(shù)及樁頂位移

雙排樁支護情況下，在樁長達31m時，支護結構的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)才能滿足規(guī)范要求，但樁頂水平位移偏大，水平位移超過50mm，不滿足規(guī)范要求?？紤]加大排樁長度，對支護結構穩(wěn)定進行試算，結果顯示，加大樁長，對減小樁頂位移效果甚微，是因為樁頂位移主要受土層力學特性及基坑深度的影響。

3.2 方案二：雙排樁+被動區(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，樁頂水平位移過大，為了減小樁頂水平位移，考慮對基坑底部的被動區(qū)進行加固，設計加固被動區(qū)的厚度為6.5m，穿透淤泥層。

表3給出了幾種不同樁長和被動區(qū)寬度下支護結構的穩(wěn)定性。

結果表明，在被動區(qū)相同的情況下，增加樁長，可以增加支護結構的抗傾覆穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性，對減少樁頂水平位移和樁頂沉降作用不顯著。在樁長相同的情況下，增加被動區(qū)寬度，對支護結構的抗傾覆穩(wěn)定、樁頂位移、樁頂沉降幾乎無影響，但隨著被動區(qū)寬度的增加，支護結構的整體穩(wěn)定性增加。

若采用雙排樁+被動區(qū)加固的支護方式，設計樁長25m，被動區(qū)寬度4.2m、深度6.5m時，基坑支護的整體穩(wěn)定系數(shù)及抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)才可滿足規(guī)范要求，但樁頂位移仍偏大。

表3 雙排樁支護不同被動區(qū)寬度支護結構的穩(wěn)定系數(shù)及樁頂位移

3.3 方案三：雙排樁+被動區(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，考慮堤岸支護結構使用樁基托梁擋墻結構，即在現(xiàn)狀地面以下部分采用雙排灌注樁支護，在灌注樁上部采用混凝土擋墻結構。當支護結構使用雙排樁+被動區(qū)加固時，最小樁長達25m時，支護結構的穩(wěn)定安全系數(shù)才滿足規(guī)范要求，從節(jié)省投資的角度出發(fā)，若想在減小樁長的同時保證支護結構的整體穩(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，典型支護設計如圖1所示。為了防止內(nèi)支撐體系沉降變形，在連系梁與內(nèi)支撐梁的交點處設置DN400預制管樁，樁長23m。內(nèi)支撐梁采用鋼筋混凝土結構，結構尺寸為1m×1m，內(nèi)支撐梁頂高程為-1.5m，平面間距為7m。

設計施工平臺及灌注樁頂高程為3.0m，樁長18.5m，樁頂設冠梁和連梁，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連接板，板厚250mm，鋼筋混凝土結構，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。

設計施工工序為施工場地平整——水泥攪拌樁施工——灌注樁及冠、連梁施工——基坑開挖——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，主要對兩種最不利工況支護體系的穩(wěn)定進行計算。

工況一：被動區(qū)及灌注樁施工完成，基坑開挖至-2.5m，施工內(nèi)支撐體系前，基坑最大深度為5.5m。對支護結構進行穩(wěn)定計算，計算得支護結構抗傾覆穩(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。滿足規(guī)范要求。

圖1 方案三典型支護斷面圖

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至下部支護樁?；幼畲笊疃葹?m。對支護結構進行穩(wěn)定計算，計算得支護結構抗傾覆穩(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。滿足規(guī)范要求。

3.4 方案的選擇

根據(jù)計算，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)，本工程設計堤岸支護最終選用方案三，即下面采用樁基，上部新建擋墻，又稱作樁基托梁擋墻結構。

樁基托梁擋墻是一種擋土墻與樁的組合型式，由托梁或承臺相連接，樁基托梁主要用于解決地基承載力較低的問題，通常應用于填方區(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)應用較多，在水利行業(yè)應用相對較少[6- 7]。本工程結合場地周邊環(huán)境及區(qū)域地質等實際情況，對河道堤岸采用樁基托梁擋墻進行支護，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構又可作為上部擋墻的基礎樁，很好地解決了軟土地區(qū)新建擋墻時花費大量的工程投資進行地基處理的問題。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構進行堤岸支護。

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區(qū)加固和基坑止水。為了保證工程施工質量，施工現(xiàn)場對水泥攪拌樁分別采用12%、15%、18%、20%四種不同的水泥摻量進行了試樁實驗。對28d齡期的水泥攪拌樁進行鉆孔抽芯檢測，水泥攪拌樁抽芯檢測照片如圖2所示(其中水泥摻量為12%和15%的攪拌樁在28d齡期時無法抽芯取樣，圖中為養(yǎng)護35d后的取樣結果)。抽芯取樣結果表明，水泥摻量為12%和15%時成樁效果較差，芯樣較為分散、破碎，難以抽芯。水泥摻量達到18%時，芯樣取出時有部分成型，但均勻性不好。水泥摻量為20%時，成樁效果明顯增強，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

厲見芬等[8]指出，對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，因為干法施工噴粉可以吸收軟土中較多的水分，有利于加固土體和樁身強度的提高，而濕法施工會通過漿液帶入水分進入軟土中，對軟土加固不利。本工程試樁過程中，采用的是濕法施工，淤泥層本身含水量高，且施工過程中水泥漿液帶入部分水分進水土層，不利于土體的固結，導致在水泥摻量較小時需要的養(yǎng)護時間更長且成樁效果差。含水量較高的軟弱淤泥層，水泥攪拌樁施工應優(yōu)先采用干法施工。

4 結語

樁基托梁擋墻作為一種新型的支護結構，已經(jīng)廣泛應用于鐵路、公路等市政工程，在水利工程中的應用較少，本文結合某河道工程實例，研究了樁基托梁擋墻在河道堤岸支護中應用的可行性，結果表明，樁基托梁擋墻在提高結構穩(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。

對于樁基托梁擋墻在軟土地區(qū)河道中的受力機理和變形特性本文未及研究，后續(xù)可以對樁基托梁擋墻結構的受力和變形特性進行研究，為樁基托梁擋墻在河道堤岸支護中的應用提供理論支撐。