基于松花江北岸防汛抢险通道工程堤防地基处理

2013-08-06 03:27刘志刚满海洲

黑龙江水利科技 2013年11期

刘志刚，满海洲

(哈尔滨水务投资集团有限公司，哈尔滨 150000)

1 地质概况

现状堤防有三种类型:土堤数量较少，主要为混合堤和砂堤。其中，万宝段堤防为混合堤，以低液限黏土及低液限粉土、级配不良细砂为主;前进段堤防为砂堤和混合堤，以低液限黏土、级配不良细砂为主，其中0+000～4+000 为砂堤，其余部分为混合堤。松浦堤防段为混合堤，以低液限黏土、级配不良细砂组成。东方红堤身主要为低液限黏土，大部分含细粒土细砂组成。堤基土容许承载力一般为120～200 kPa，堤身高约6 m，堤基承载力一般可满足要求。腰堡方台堤堤基上部为粉质黏土，局部为粉土均呈软塑状态;其下为饱和松散状态的细砂，淤泥质细砂和淤泥质粉土等属多层结构地基，性状差、透水性强［1］。

2 老堤加高加固段地基处理

2.1 处理方案拟定

在老堤加高加固段，原有堤防已运行多年，边坡稳定性较好。老堤加高加固段堤基部分加高约6.0 m，根据设计的路堤结构，经边坡稳定分析计算，呈稳定状态。

加高部分经计算，引起的沉降量约为0.2～0.5 m，易造成新老结合部位及各段沉降差。但是，经地质条件分析，本工程全段地基土一般为砂土层，渗透系数大，固结速度快，因此可通过堆载预压(先堆填加高部分填土，经过一定时间固结沉降后再修建路面等结构)以减少沉降及沉降差。新老结合部按1∶2台阶开挖，并在路基顶设置三层土工格栅。在有混凝土板护坡段，根据本次设计要求清除，同时将培厚部分的堤基按新建堤防堤基要求进行处理［2］。

根据地勘勘察，堤基浅表部为含细粒土细砂和含细粒土细砂，初判为液化土。但是，埋深浅，地下水位较高，结构松散。根据《公路工程抗震设计规范》(JTJ044—89)，基本烈度为Ⅵ度地区的公路工程，除国家特别规定外，可采用简易设防。本工程区基本烈度为Ⅵ度，所以设计时采取基底和隔层加筋、平台镇压、碾压等措施可满足要求。

2.2 有限元分析计算

以东方红段典型断面为例，建立断面二维有限元模型同，模型图见图1。天然土层分为三层，分别为低液限黏土、细砂和粗砂，最上层为回填砂土。回填过程中共设3 道土工格栅。路面荷载按JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》［3］中一级车道荷载的均布荷载标准值10.5 kN/m计取。土工格栅刚度为50 MPa。

二维有限元计算应力应变的计算结果显示见图2。在未计入道路结构荷载后1个月与5个月沉降结果接近，总沉降约168 mm，与上述分析的土层为砂性土原因一致，说明只要施工质量保证，土方填筑完1个月后，新老路堤路堤基本沉降稳定，然后可通过上部路床调整平整，可达到新老路基差异沉降。道路结构层施工完成后，工后总沉降约198 mm，二维有限元计算应力应变结果，见图3。

土工格栅轴力计算的结果见图4，图4 同时显示了各层土工格栅的轴向应力，顶层最大应力一般在5 kN/m，而底层最大应力为42 kN/m。根据规范，实际底层采用单向土工格栅5% 伸长率时拉力≥120 kN/m。

图1 加宽段断面二维有限元模型图

图2 二维有限元计算应力应变结果(土方完成后)

图3 二维有限元计算应力应变结果(路面完成后)

图4 土工格栅轴力计算结果

3 松浦至科技学院段地基处理

受抢险通道穿越松浦大桥和交通线形要求，该段在堤外滩地加宽，而该段属于松花江北汊弯道凹案，深槽逼岸，所以该段堤身加宽和护坡需考虑特殊方案。另外，由于该段加宽填土较高，对松浦大桥的桥桩可能会产生影响，需对桥墩进行保护。

3.1 堤身加固方案

根据穿越线形和现状滩地，为尽量减小对外侧桥墩的影响，同时尽量减小对行洪的影响，考虑将外侧边坡调整为水上1∶2、水下1∶2.5。水下清基完成后，铺设高强土工布软体排，并用铰链排压排，再进行吹泥管袋施工，至常水位以上后，外坡采用土工格栅加筋满足边坡稳定要求。堤脚位置为防止冲刷，除采用混凝土铰链排保护外，采用抛石护脚。

3.2 桥墩保护方案

3.2.1 处理方案

该段除采用加筋并调整边坡外，在松浦大桥位置还考虑综合运用隔离桩、提高基础承载力和轻质材料3 种方式，减轻堆载对桥墩影响。轻质材料主要是在加筋边坡内侧大面积填土采用粉煤灰填筑。隔离桩与基础承载力提高考虑2 种方案比较:

1)方案一:钻孔灌注桩+压密注浆。吹泥管袋施工至常水位以上后，施工钻孔灌注桩，桩长30 m，桩径为φ 1 000，并浇筑导梁提高整体性。然后，在桩后施工压密注浆，深15 m，宽8 m，注浆孔间距3.0 m，梅花形布置。

2)方案二:水泥搅拌桩格构布置。吹泥管袋施工至常水位以上后，进行水泥搅拌桩施工。水泥搅拌桩形成整体格构式，横向宽8.0 m，桩深20 m，近桩侧双头双排，其余双头单排。

3.2.2 有限元分析计算

为研究桥桩右侧采用钻孔灌注桩和压密注浆体作为保护措施的可行性，计算以下3 种工况:①未有保护措施;②采用20 m深水泥搅拌桩和压密注浆体;③采用30 m深钻孔灌注桩和压密注浆体。计算模型见图5。

图5 有限元分析计算模型图

计算时首先考虑地应力平衡，在桥桩、承台、地基土激活状态下进行应力平衡，后进行分层填土，每层填土固结时间为20 d，最后一级填土完成后，固结30 d。为了比较保护措施的效果，三种工况计算过程相同。

3.2.2.1 没有保护措施工况

桥桩周围没有保护措施，直接填筑路基。由图6(a)可知，固结完成后，路基最大水平位移为22.77 mm;最大沉降量为68.29 mm;桥桩承台竖向位移为10.31 mm;桥桩承台水平位移为4.61 mm;桩基最大水平位移为5.55 mm。

3.2.2.2 20 m深水泥搅拌桩加压密注浆体

在桥桩右侧及前后采用20 m深水泥搅拌桩加压密注浆隔离，后填筑右侧路基。其由图6(b)可知，固结完成后，路基最大水平位移为21.85 mm;最大沉降量为64.44 mm;桥桩承台竖向位移为10.21 mm;桥桩承台水平位移为4.42 mm;桩基最大水平位移为5.47 mm。

3.2.2.3 30 m深钻孔灌注桩加压密注浆体

在桥桩右侧及前后采用30 m深钻孔灌注桩加压密注浆体隔离，后填筑右侧路基。由图b(c)可知，固结完成后，路基最大水平位移为21.24 mm;最大沉降量为63.09 mm;桥桩承台竖向位移为9.87 mm;桥桩承台水平位移为3.70 mm;桩基最大水平位移为5.02 mm。

图6 水平位移分布图

图7 沉降分布图

图8 桩身水平位移分布图

以上计算可知，采用围护措施后，桥桩及承台位移有所减小，水平位移减小的幅度相对较大，采用20 m深水泥搅拌桩加注浆体方案，承台水平位移减少4.1%，承台竖向位移减少了1%，桩身最大水平位移减少了1.4%;采用30 m深钻孔灌注桩加压密注浆体方案，承台水平位移减少19.74%，承台竖向位移减少了4.27%，桩身最大水平位移减少了9.55%。

根据计算分析，两种对桥墩保护都可行，其中方案一投资约220万元，方案二投资约170万元。

从桥墩安全性考虑，本阶段推荐采用方案一即钻孔灌注桩+压密注浆方案，下阶段根据施工单位设备确定施工方案。