刚性桩复合地基在港口工程岸坡处理中的应用

◎ 王涛 广西纳海交通设计咨询有限公司

1.概述

港口工程因建设选址的因素影响，河道或海岸由于长期受河道淤积沉积或海水进退过程中的泥沙淤积，港口建设地点往往存在厚度大、承载力低、地基稳定性差的软土地基。特别是在码头水工结构临水处，港池开挖与港口面高程存在较大高差时，由于受河道或海岸沉积作用明显，常存在软厚的软弱土层，在高桩梁板结构港口水工建筑物方案中，港池与码头后方衔接需要采用岸坡过渡，原状土开挖无法满足岸坡稳定的情况经常出现，需要针对软弱地基土层的岸坡结构进行工程加固。

目前在我国沿海及内河流域，针对软土地基高桩码头岸坡结构加固常采用复合地基法进行加固，如开挖换填法、振冲置换法、深层水泥搅拌桩法等[1]。复合地基根据桩体材料性质，可分为散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。散体材料桩复合地基，桩体主要有散体材料通过施工密实组成，如振冲置换法置换形成的砂桩、碎石桩等；柔性桩复合地基，桩体为刚度较小的竖向增强体如CFG桩、素混凝土桩、深层水泥搅拌桩、旋喷桩等；刚性桩复合地基，为刚度较大的竖向增强体如灌注桩、管桩、钢管桩等进行地基加固。在港口工程岸坡处理中，常采用散体材料桩复合地基和柔性桩复合地基，本文针对刚性桩复合地基在港口工程岸坡处理中的应用进行探讨。

2.港口工程岸坡地基处理常用方法及问题

2.1 开挖换填法

换填法是将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。换土垫层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小等优点[2]。

受港口岸坡形式的影响，岸坡高差较大，在软弱土层分布较厚的情况下，岸坡滑动面较深，采用换填法需开挖换填至滑动面以下方能起到换填作用，导致工程开挖回填量过大，在开挖回填施工过程中存在施工期临时岸坡失稳的风险。该方法在岸坡处理中，针对分布较浅的软土或局部存在的软土处理较为理想，在分布较厚的软土地基经济性较差。

2.2 振冲置换法

振冲置换法，是指加固软粘土地基时利用振冲器反复水平振动和冲水的作用，在加固土体中成孔，并振填碎石，形成碎石桩，构成碎石与加固土体的复合地基。碎石桩自身强度高于加固土体，并可发挥一定排水作用，加速土体固结的方法[2]。

该方法在工程中广泛应用，在实际工程应用中比较容易出现由于地质条件的变化、现场施工设备条件等因素导致施工质量无法满足设计要求的情况出现，处理效果在土层竖向地基承载力提升上较明显，在岸坡失稳土体剪切破坏中的作用不够明显。

2.3 深层水泥搅拌桩法

深层水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械在地基将软土或沙等和固化剂强制拌和，使软基硬结而提高地基强度[2]。

该处理方法在港口工程中有较多应用，常用于提高重力式结构地基承载力，在岸坡处理中也有应用。在岸坡处理中，由于受搅拌机械的性能及施工监控系统的差异影响，容易出现处理结果无法满足设计要求、断桩等问题，同时水泥搅拌桩的使用受土层物理化学性质制约，在施工中易出现处理方案无法实施的情况。

3.刚性桩复合地基在岸坡处理中的应用

3.1 散体材料桩及柔性桩复合地基

目前，采用散体材料进行地基处理，其地基的稳定可采用圆弧滑动法分析，已得到工程界的共识，对于采用具有胶结强度的材料进行地基处理，其地基的稳定性分析方法还有不同的认识。同时，不同的稳定分析方法其保证工程安全的最小稳定系数的取值不同，采用具有胶结强度的材料进行地基处理，其地基整体失稳是增强体断裂，并逐渐形成连续滑动面的破坏现象，已得到工程的验证[3]。

根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）规范修订组的研究，采用无配筋的竖向增强体的地基处理，其提高稳安全性的能力是有限的。工程需要时应配置钢筋，增加增强体的抗剪强度[3]。目前在现行水运行业规范中，尚未有相关内容的说明。

以直径400mm，长20m的C25素混凝土桩在m值为2000的土体中做边坡处理为例进行验算，根据《水运工程混凝土结构设计规范》（JTS 151-2011）[4]：

桩体受弯承载力设计值：

式中：

γd——素混凝土结构系数；

γm——截面抵抗矩的塑性影响系数；

ft——混凝土抗拉强度设计值；

Wt——截面受拉边缘的弹性抵抗矩。

经计算桩体抗弯强度设计值为6.38kNm。

桩体受剪承载力设计值：

式中：

γd——结构系数；

βh——截面高度影响系数；

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值；

b——截面受拉边缘的弹性抵抗矩；

h0——截面受拉边缘的弹性抵抗矩。

经计算桩体抗剪强度设计值为91.03kN。

假定桩体受可变作用产生的土压力为均布荷载，在可变作用持续增加达到桩体承载力，采用m法验算桩体受力情况，见图1。

图1 验算结构内力示意图

通过验算，在逐渐增加桩体受可变土压力作用下，构件受弯首先达到抗弯极限，且抗弯达到极限时抗剪能力远未发挥到极限，桩体受弯破坏。验证了采用无配筋的竖向增强体的地基处理，其提高稳安全性的能力是有限的。胶结材料抵抗水平荷载和弯矩的能力较弱，对整体稳定作用假定其桩体完全断裂，只能按滑动面材料的摩擦性能确定抗剪强度指标，其胶结材料特性未能发挥其优势。

以验算情况为例，同样考虑为有配筋的灌注桩，抗弯强度明显增加，另外国内某厂家的定型产品400mm地基处理用管桩，抗弯强度为58kNm，远高于柔性桩抗弯强度。刚性桩（灌注桩、地基处理用管桩、钢管桩等）的施工质量，较其他柔性桩更容易得到控制，虽单位工程造价较柔性桩高，但在同样岸坡稳定安全系数的情况下，由于桩体抗弯承载力增强，弯曲破坏的可使用抗剪强度的有效提高，使得地基处理置换率有效降低，施工速度和质量上都较柔性桩有明显优势。

3.2 刚性桩复合地基在岸坡稳定中的工程案例

案例一：

在港口工程岸坡处理中，常用柔性桩（水泥搅拌桩、CFG桩等）对岸坡稳定进行处理。广西壮族自治区梧州市某港口工程，其码头岸坡处存在软弱土层，岸坡无法满足整体稳定要求，其主要岩土参数见表1。

表1 工程案例一主要岩土参数表

在项目初步设计阶段，码头岸坡处理设计方案采用D600间距1000mm水泥搅拌桩对岸坡进行加固处理。由于项目工期紧，搅拌桩施工周期长，施工质量控制受设备影响大的情况，在施工图阶段采用刚性桩加固方案。

项目主要软弱土层为粘土、粉土，打入桩施工条件好，采用D500地基处理用管桩进行验算，按桩体弯曲破坏的可使用抗剪强度，在岩土计算软件中以微桩单元对土体进行加筋处理，计算稳定桩间距1500mm，刚性桩复合地基岸坡处理方案见图2，计算结果见图3。

图2 刚性桩复合地基岸坡处理方案

图3 刚性桩复合地基按微桩单元加筋整体稳定计算

刚性桩复合地基方案降低了地基处理桩基置换率，打入桩相对于水泥搅拌桩施工质量控制更有保障，有效的降低了施工工期，工程造价上也基本相当，在施工过程中也受到参建各方认可，工程案例现场施工见图4。

图4 刚性桩（管桩）复合地基现场施工

图5 刚性桩复合地基岸坡处理方案

图6 刚性桩（灌注桩）复合地基现场施工

案例二：

广西壮族自治区贵港市某港口工程，其岸坡部分有较厚杂填土，岩土力学指标较差，经计算岸坡无法满足稳定要求，在杂填土层中夹杂有大量开山块石及建筑垃圾，又由于后方紧邻厂区堆场等设施，开挖换填受限，采用柔性桩效果较难保证，设计阶段拟采用刚性桩处理，由于含有大量开山块石，打入桩条件较差，最终采用低配筋率的灌注桩对岸坡进行加固处理。

4.结语

本文作者通过查阅大量标准规范和文献，总结归纳出了刚性桩复合地基处理方式在港口工程岸坡稳定中的应用优势，结合计算及工程实践进行验证，对相应类似工程具有很大的借鉴意义。