鄭英國(guó)

(滄州水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河北 滄州 061000)

1 工程概況

某堤防工程位于新建水閘的上游，堤身型式采用斜坡堤，防浪墻墻頂高程117.65 m，堤頂高程117.15 m，堤頂寬5.50 m，堤外坡在高程1.70 m 處設(shè)置一級(jí)平臺(tái)，平臺(tái)寬10.00 m；二級(jí)平臺(tái)高程4.20 m，平臺(tái)寬5.00 m，外坡坡比均為1∶3.0。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤防等級(jí)為4級(jí)。在2018年夏季的流域性洪水過(guò)程期間，該處堤防經(jīng)受住了洪水考驗(yàn)，但是洪水的沖刷和浸泡作用，也對(duì)堤防的整體結(jié)構(gòu)造成了顯著的影響。在堤頂和迎水側(cè)均出現(xiàn)了縱向裂縫，部分地段出現(xiàn)了不同程度的滑坡。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，裂縫的寬度為20～90 mm，深度為1.5～2.5 m。經(jīng)進(jìn)一步的地質(zhì)勘查，在堤防修筑期間，并沒(méi)有對(duì)地基進(jìn)行徹底的清理，下部存在厚度較大的淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)壤土，含水量高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低。鑒于該段堤防的軟弱地基分布范圍廣、埋深大，如果全部挖除換填，工程量極大。因此考慮對(duì)原有堤身采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理，以提高地基承載力和地基的均勻性，有效控制堤身加固區(qū)的土體變形[1]。水泥攪拌樁結(jié)構(gòu)形式的初始設(shè)計(jì)為：樁徑50 cm水泥攪拌樁，加固深度為16 m，并排設(shè)計(jì)5排，外側(cè)第一排樁間咬合30 cm，其余攪拌樁為正方形布置，間距為1.2 m。

2 材料方法

2.1 試驗(yàn)段的選擇

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，D07+503～D07+556段的地質(zhì)特征比較典型，其地層主要是第四系沖積和淤積地層，含有湖積黏性土、淤泥質(zhì)土和礫卵石等，其下伏基巖主要是泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r以及頁(yè)巖等。受到地質(zhì)和氣候因素的影響，該段地下水十分豐富，主要由孔隙水和裂隙水構(gòu)成，整體水位較高。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況以及本次研究的目的，確定D07+503～D07+556段為本次研究的試驗(yàn)段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式確定水泥攪拌樁的最佳參數(shù)組合。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)工程的初始設(shè)計(jì)，水泥攪拌樁按照正方形設(shè)計(jì)，施工用水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為14%。在施工過(guò)程中控制攪拌樁機(jī)的鉆進(jìn)和提升速度，在淤泥和黏土層中的鉆進(jìn)和提升速度為1.2 m/min；在粉土地層中的鉆進(jìn)和提升速度為1.0 m/min[2]。結(jié)合相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，研究中選擇水泥攪拌樁的加固深度、層數(shù)和間距作為優(yōu)化參數(shù)。其中，為了研究加固深度的影響，結(jié)合工程地質(zhì)情況，設(shè)計(jì)14 m、16 m、18 m、20 m 和22 m五種不同的加固深度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[3-5]。為了研究層數(shù)對(duì)加固效果的影響，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和大堤堤頂?shù)膶挾?，設(shè)計(jì)了4排、5排、6排、7排和8排等五種不同的水泥攪拌樁排數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為了研究樁間距對(duì)加固效果的影響，設(shè)計(jì)0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.4 m和1.6 m 五種不同的樁間距進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由于堤防加固的主要目的是控制位移變形，保證大堤的穩(wěn)定性，因此在試驗(yàn)過(guò)程中選擇壩頂水平和沉降位移作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[6-8]。在試驗(yàn)段施工完畢之后，由上游水庫(kù)放水過(guò)流24 h，并于7 d后測(cè)量相關(guān)的位移數(shù)據(jù)，然后評(píng)價(jià)具體的加固效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加固深度影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究中對(duì)不同加固深度方案下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表1所示。

表1 加固深度影響的試驗(yàn)結(jié)果

以加固深度14 m為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)沉降位移和水平位移的相對(duì)變化量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同加固深度位移量相對(duì)變化曲線

由表1和圖1可知，加固后堤防的沉降位移和水平位移均會(huì)隨著加固深度的增加而減小。這說(shuō)明增加加固深度可以提高堤防本身的整體性，有效控制位移變形。從沉降位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)考慮，加固深度從14 m增加到16 m時(shí)，沉降位移減少了約15.6%；增加到18 m時(shí)，沉降位移減少了約26.9%；而繼續(xù)增加加固深度，沉降量的減小幅度極為有限。因此，從沉降位移和工程經(jīng)濟(jì)性的視角考慮，加固深度以18 m為宜。從水平位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，也可以得出類似的結(jié)論。當(dāng)加固深度從14 m增加到16 m時(shí)，水平位移減少了約56.2%；增加到18 m時(shí)，沉降位移減少了約73.9%；而繼續(xù)增加加固深度，水平位移的減小幅度極為有限。因此，綜合考慮沉降位移和水平位移變形控制效果以及工程經(jīng)濟(jì)性，加固深度以18 m為宜。

3.2 排數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究中對(duì)不同水泥攪拌樁排數(shù)設(shè)計(jì)方案下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表2所示。

表2 排數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果

以4排水泥攪拌樁方案為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)沉降位移和水平位移的相對(duì)變化量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同排數(shù)位移量相對(duì)變化曲線

由表2和圖2可知，加固后堤防的沉降位移和水平位移均會(huì)隨著水泥攪拌樁排數(shù)的增加而減小。這說(shuō)明增加水泥攪拌樁的排數(shù)可以提高堤防本身的整體性，有效控制位移變形。從沉降位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，水泥攪拌樁的排數(shù)由4排增加到8排時(shí)，沉降位移總體減少了約6.9%。因此，水泥攪拌樁的排數(shù)雖然對(duì)沉降位移存在一定的影響，但是影響作用較為有限。從水平位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)水泥攪拌樁的排數(shù)由4排增加到6排時(shí)，水平位移減小幅度較大，總計(jì)下降了約29.8 %。而繼續(xù)增加水泥攪拌樁的排數(shù)，水平位移的減小幅度極為有限。因此，綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，水泥攪拌樁的排數(shù)應(yīng)該設(shè)計(jì)為6排。

3.3 樁間距影響的試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究中對(duì)不同水泥攪拌樁樁間距設(shè)計(jì)方案下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果如表3所示。

表3 樁間距影響的試驗(yàn)結(jié)果

以0.8 m樁間距方案為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)沉降位移和水平位移的相對(duì)變化量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同樁間距位移量相對(duì)變化曲線

由表3和圖3可知，加固后堤防的沉降位移和水平位移均會(huì)隨著水泥攪拌樁樁間距的增加而增加。這說(shuō)明減小水泥攪拌樁的樁間距可以提高堤防本身的整體性，有效控制位移變形。從沉降位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，水泥攪拌樁的樁間距由0.8 m增加到1.4 m時(shí)，沉降位移總體增加約6.5%，水平位移整體增加約5.9%，但是進(jìn)一步增加樁間距時(shí)，沉降位移和水平位移均急速增大。綜合考慮試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，水泥攪拌樁的樁間距設(shè)計(jì)為1.4 m最為合適。

4 結(jié) 論

本文以具體的工程為例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究了水泥攪拌樁加固堤防工程設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)沉降位移和水平位移均會(huì)隨著水泥攪拌樁加固深度的增加而減小，但是加固深度超過(guò)18 m時(shí)控制位移的作用明顯減弱。

(2)水泥攪拌樁的排數(shù)雖然對(duì)沉降位移的影響較為有限，排數(shù)超過(guò)6排時(shí)對(duì)水平位移的影響較為有限。

(3)沉降位移和水平位移均會(huì)隨著水泥攪拌樁樁間距的減小而減小，但是樁間距小于1.4 m時(shí)的減小幅度極為有限。

(4)綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性要求，建議在工程設(shè)計(jì)中采取6排、樁間距為1.4 m，加固深度18 m的設(shè)計(jì)方案。