基于承台结构的新型堤防型式的应用

胡 淼，吴文华，翁 湛

（1.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020；3.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020）

在浙江省东南沿海地区，广泛分布着以淤泥及淤泥质黏土为主的软土地基，在这些区域的河道堤防工程中，保证堤防边坡整体稳定一直是工程的重难点。常规的工程措施如减小综合坡比、设置镇压平台等适用于河床较宽、驳岸空间较大的河段，对于一些河床较窄、驳岸空间较小的河段，往往只能通过打设抗滑桩、设置复合地基或局部换填的方式提高边坡稳定性，而这些常规处理方法往往存在施工周期长、费用高、施工难度大的缺点。

通过工程经验的积累和思考、实际案例的验证、二维有限元的辅助数模计算，发明一种基于承台结构的新型堤防型式，该堤防型式以承台结构及支撑桩为主体，通过分担上部荷载的方式改善堤防边坡整体稳定性，经工程实践验证具有效果好、造价低、施工便捷、沉降小、对周边影响小的优势。

1 概 况

浙江省宁波市某河道治理工程，需要新建河道堤防，设计防洪标准为20 a一遇，主要建筑物级别为4级。

根据地质勘查结果，工程区河床地基土浅层主要由淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土组成，深层为粉质黏土。其中淤泥质黏土深度较厚，达到10～12 m，该土层物理力学指标较差，主要地质土层指标见表1。

表1 地基土层主要物理力学指标表

该工程某段堤防距离河岸控制线背水侧16 m处现状为105kV高压铁塔，虽然高压铁塔基础设置了灌注桩，不会影响河道整体稳定，但电力保护范围限制了堤防背水侧的设计空间。根据工程任务和规划要求，堤顶道路需要行驶重型货车，对堤防稳定和沉降要求较高。按照初步拟定的堤防设计断面，施工期边坡稳定计算结果不能满足规范要求（见图1）。

图1 基本断面型式及施工期边坡稳定计算结果图 单位：cm

根据二维有限元计算结果，该段堤防基本断面型式在施工期抗滑稳定计算结果为0.89，不满足4级建筑物非正常运行条件规范要求值的1.05，由于河道背水侧空间及规划河道宽度的限制，无法采用减小综合坡比或设置镇压平台等方式改善边坡稳定，因此需要进行地基处理。

2 常规处理方案

针对施工区的实际情况，堤防工程中地基处理方式主要有抗滑桩处理和复合地基处理。复合地基处理可采用水泥搅拌桩和碎石桩。

2.1 抗滑桩方案

抗滑桩方案是指通过打设密排灌注桩的方式形成抗剪切墙体，从而阻止堤身发生滑动。由于该区域地基土淤泥质黏土层较厚，密排灌注桩需贯穿整个淤泥质黏土层才能完全阻断滑动，因此需于挡墙背水侧设置直径80 cmC30钢筋混凝土密排灌注桩，桩长为10～12 m。经二维有限元软件验算此时边坡稳定系数为1.21，满足规范要求。抗滑桩方案断面型式及施工期边坡稳定计算结果见图2。

图2 抗滑桩方案断面型式及施工期边坡稳定计算结果图 单位：cm

2.2 水泥搅拌桩方案

水泥搅拌桩方案是指通过设置水泥搅拌桩提高地基土的物理指标，改善边坡稳定情况。经二维有限元试算，本次复核地基处理范围宽度为17.0 m，深度为8.0 m，置换率需达到27 %，采用直径60 cm，桩长8.0 m水泥搅拌桩间距1.0 m布置。水泥搅拌桩方案断面型式及施工期边坡稳定计算结果见图3。

图3 水泥搅拌桩方案断面及施工期边坡稳定计算结果图 单位：cm

2.3 碎石桩方案

碎石桩方案是指通过地基土打设碎石桩增强地基土物理力学指标，从而改善边坡稳定情况。经二维有限元试算，本次需碎石桩范围宽度为17.0 m，深度为5.5 m，置换率43%。地基土方案断面型式及施工期边坡稳定计算结果见图4。

图4 碎石桩方案断面及施工期边坡稳定计算结果图 单位：cm

2.4 方案比选

经3个方案处理后堤防边坡稳定均能满足规范要求，对3个方案的经济性、施工特点的分析见表2。

表2 各方案投资及特点分析表

3 新型承台结构方案

新型承台结构方案，以承台结构为主体，对上部构筑物进行卸载，减少土的侧向挤压，从而改善堤防整体稳定。在方案设计时，应考虑上部荷载、结构自重、卸载范围等影响因素，并根据地基土情况设计承台及桩基结构。

3.1 卸载范围的确定

确定卸载范围时，考虑到工程实际及安全裕度，将承台上部模型概化为“不考虑附加荷载、上部回填土体粘聚力”的土体极限平衡状态[1-3]，即认为此时土体沿某一剪切面向承台滑动；上部附加荷载将不考虑扩散作用完全由承台承担；回填土粘聚力由于受施工工艺影响且对计算结果有较大影响，折算为内摩擦角反应在模型中[4-5]。

主动土压力等效内摩擦角换算公式见式（1）：

式中：ΦD为等效内摩擦角，°；Φ为土的内摩擦角，°；C为土的黏聚力，kPa；γ为土的容重，kN/m3；H为计算基点距离填土面深度，m；D为计算点距离计算基点深度，m。

随着土层深度的增加，等效内摩擦角会相应减小，本工程回填黏土cq=11.3 kPa，φq=12.6°，0～5 m回填深度下内摩擦角分布见图5。

图5 等效内摩擦角与地基土埋深关系图

在计算时可按式（2）积分后求解卸载范围：

式中：Φn为深度n时的等效内摩擦角，°。

对于地基土埋深较浅的工程实例，为简化设计，计算时可将回填土进行等分分层，分别求出各深度下填土的等效内摩擦角Φn，从而得出土体极限平衡状态下的剪切面，剪切面上部土体自重即为该承台土体卸载范围，计算简图见图6。

图6 黏性土卸载范围示意图

如承台上部回填非黏性土，则以内摩擦角Φ计算卸载范围，计算简图及卸载范围见图7。

图7 非黏性土卸载范围示意图

3.2 承台及基础设计

经上部荷载计算后，进行承台结构及桩基础的方案设计，应考虑承台及桩体自重、卸载范围内土体自重及上部车辆荷载等。经计算，本案例桩需在堤顶道路下方布置D=80C30钢筋混凝土灌注桩，桩长15.0 m，纵向间隔3.0 m布置，上部设置60 cm厚钢筋混凝土承台。具体断面型式及施工期边坡稳定计算结果见图8。

图8 新型承台结构方案断面型式及施工期边坡稳定计算结果图 单位：cm

经二维有限元分析计算，经过承台结构处理后边坡稳定系数提高至1.49，大大提高了堤防的整体稳定性；并且承台结构同时可解决软土地基堤防堤顶沉降的问题，满足堤顶重型货车的通行要求。该段堤防自2016年完工至今，运行良好，堤顶路面未发生明显沉降。

4 结 语

随着沿海城市的发展及幸福河建设理念的推广，在工程设计中会遇到越来越多的软土地基城市河道，设计空间小、地基土物理指标低、施工条件差，多功能要求高，堤防的整体稳定成为河道设计工作中的主要难题。常规的地基处理方法，往往存在工程造价高、施工周期长的问题，加上城市河道沿线埋设管线较多，使“密排桩”“抗剪墙”等过去较为有效的处理方案变得阻力重重。

本文结合工程实际提出一种基于承台结构卸载的软土地基堤防结构，能有效应对复杂的工程环境条件，多功能结合，具有“效果好、投资低、开挖少、施工简、沉降小、适应强”等优势。特别适用于：①软土地基层厚；②软土地基下部土侧阻力、端阻力较大，利于摩擦桩或端承桩持力；③堤顶有通车需求，车辆荷载较大且对路面沉降有一定要求；④下部存在管线影响开挖或抗剪墙的工程中，具有广泛的应用前景，该结构现已获得国家知识产权局实用新型专利授权。