混凝土框架结构改造型式在海塘加固中的应用研究

杨望 邹战军 朱杰骅

收稿日期：

2023-06-13

作者简介：

杨  望，男，工程师，主要从事水工结构设计工作。E-mail： 1019087685@qq.com

引用格式：

杨望，邹战军，朱杰骅.混凝土框架结构改造型式在海塘加固中的应用研究

［J］.水利水电快报，2024，45（1）：52-57.

摘要：

在浙江“海塘安澜工程”建设过程中，为了使海塘加固满足工程自身稳定性需求，同时兼顾对周边生态环境，提出了一种新型海塘改造形式——混凝土框架结构。结合浙江东部健跳塘提升改造工程，分析了结构作用机理，对工程稳定性进行了计算，并结合塘身沉降监测数据对混凝土框架结构的实际应用情况进行了研究。结果表明：混凝土框架结构穩定性及桩基受力满足要求，适用于软土环境工程；该结构形式安全稳定，能够减小工程建设对周边生态环境的影响。该结构改造形式可为海塘工程提供参考。

关键词：

海塘加固； 混凝土框架结构； 淤泥质土； 稳定性计算； 桩身受力

中图法分类号：TV871；U656.31

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.01.009

文章编号：1006-0081（2024）01-0052-06

0  引  言

海塘是指浙江省在沿海部位修建的用于御洪潮水的堤防工程，又称海堤，是沿海地区防御风暴潮袭技术设施体系的重要组成部分，是抵御台风等自然灾害，保障周边居民生命财产安全的重要举措［1］。“海塘安澜工程”建设旨在对海塘保护区的防洪御潮体系进行完善，保障海塘防洪御潮体系和生态景观等方面的新需求［2］。

在海塘建设过程中，往往需要面对复杂的地质条件和周边环境，尤其对于老旧海堤的改造加固工程，不仅需要对现状海堤进行修复，还需要结合工程地质条件综合设计，设计建设难度较大。近年来，众多专家学者针对海堤加固工程的设计方案展开了深入的研究工作，吴正中［3］采用层次分析法和德尔菲法建立了海塘工程安全评价体系，用于对海塘工程安全进行全方位评价；葛双成等［4］研究了注浆加固在海堤工程中的应用情况；郭国林［5］对钢筋混凝土栅栏板在海堤加固中的消浪机理进行研究。以往的研究工作针对含淤泥质土底层下的海塘加固方案方面较少，基于此，本文在前人基础上，结合健跳塘提升改造工程实际，针对该项目工程地质中的淤泥质土问题，提出混凝土框架海塘加固方案，并分析混凝土框架结构在海堤加固改造中的应用情况，以论证其在含淤泥质土地层下海塘安澜工程中的可行性，为后续相关工程的建设提供参考。

1  工程概况

1.1  工程简介

健跳塘位于健跳镇镇南、健跳港北岸，其中健跳镇位于浙江东部黄金海岸线中段、三门县城海游镇东面，距海游镇30 km。健跳港港长17 km，宽300～1 000 m，深9～47 m。现状海塘塘身为混合式土石结构，迎潮面镇压层以上塘身采用混凝土护面。防浪墙顶高程6.4～6.6 m，塘顶宽度约为3.3～5.5 m。

1.2  工程地质及水文地质条件

根据工程地质勘察成果分析，工程场地地层物理力学参数如表1所示。海塘塘基中Ⅲ层淤泥质黏土，高压缩性，工程地质性质差；Ⅲcl层粉质黏土，以可塑为主，中等压缩性，工程地质性质相对较好；Ⅳ层淤泥质粉质黏土，以软塑、高压缩性为主，工程地质性质较差；Ⅴ层黏质粉土，稍密，工程地质性质相对较好；Ⅸ层熔结凝灰岩，工程地质性质好。由于淤泥质黏土具有高压缩性、天然含水量大于液限，属软土范畴，工程性质较差，会对工程稳定性产生较大的影响。

在进行海塘设计工作中，除需要明确场地常规水文地质条件外，还需进一步明确所在区域的设计潮位以及设计洪水过程等。

健跳站潮位资料系列为1975～2015年，年最高潮位频率计算采用P-Ⅲ型曲线拟合，设计低潮位采用下述极值Ⅰ型模型进行分析计算，计算结果见表2［6-7］。

2  健跳塘混凝土框架结构特点

健跳塘升级改造工程要求海塘加固工程完工后塘身沉降小，以利于老旧塘身的稳定，保护现状滩涂，尽量减小对海洋生态环境的影响。塘顶扩宽工作尽可能不占用现状海塘内部土体。健跳塘升级改造工程涵盖景观部分，海塘结构设置需将沿岸景观资源价值利用最大化。基于此，传统海塘加固方式不能满足健跳塘海塘加固的部分需求，需针对工程实际进行海塘加固工作。

为应对淤泥质土对工程建设带来的影响，结合工程实际需求并综合分析后，对健跳塘采用混凝土框架结构型式进行改造。

混凝土框架结构改造形式如图1所示。混凝土框架结构是在现状塘身位置采用混凝土框架结构向外侧扩宽，海塘地基部分采用高压旋喷桩处理，混凝土框架结构地基部分采用混凝土灌注桩处理。在海塘现状结构布置基础，塘顶及塘顶外海侧布置宽

8.0～13.5 m的混凝土梁板结构平台，将塘顶向外海侧拓宽7.0～10.0 m，原塘身堤顶下部采用高压旋喷桩对海塘防渗进行加固，原塘身迎潮面混凝土护面外采用混凝土结构进行加固。

针对地层中的淤泥质土，海塘地基采用高压旋喷桩加固，平台地基采用混凝土灌注桩处理。海塘地基采用高压旋喷桩，桩径70 cm，间隔1 m布置。平台下部地基采用混凝土灌注桩参数位D80cmC40。此外，因混凝土灌注桩桩位布置在海塘外海，需要设置侧抛石镇压，抛石镇压层厚度约1.2～2.6 m。地基基岩埋深较深地段，混凝土灌注桩桩长为37.0 m，基岩埋深较浅地段，要求混凝土灌注桩桩端嵌入强风化岩80 cm。

如图1所示，从工程建设角度而言，在所采用的混凝土框架结构中，塘身部分框架结构简洁，为后续景观设计提供了便捷的条件。基础部分采用混凝土灌注桩形式，将上部应力传递至下部稳定土层中，避免了塘身沉降破坏的隐患。从环境保护角度而言，外扩部分采用混凝土灌注桩支撑，框架结构为顶面，维持了原有海浪冲击面，对动植物以及微型生态环境基本不产生影响。

3  稳定性计算

3.1  海塘整体抗滑稳定计算

边坡稳定性评价方法包括极限平衡法和数值法。数值法包括有限元、离散元、边界元等。极限平衡法包括瑞典圆弧法、毕肖普法、萨尔玛法等。针对毕肖普法和瑞典圆弧法，有研究表明，大多数情况下两种计算方法所得稳定性系数K的关系为K毕＞K圆，尤其针对黏性土，二者所得K值差别较难判断。为保证工程整体安全性，采用瑞典圆弧法计算海塘整体抗滑稳定安全系数［8］。

海塘加固断面采用框架式断面进行加固，地基采用混凝土灌注桩+高压旋喷桩型式加固。在海塘运行期正常运用条件下，内侧水位取地面以下50 cm地下水位3.5 m，内侧水位取50 a一遇设计低潮位-3.85 m或涂面。地基土层参数根据勘察结果进行取值，具体取值见表1。十字板强度Cu=6.054+1.050Z（数值已按系数0.8折减，Z为地基埋深，m）。

高压旋喷桩布置区域土层参数取值计算公式：

tanφsp=mμptanφp+（1－mμp）tanφs（1）

Csp=mCp+（1－m）Cs（2）

μp=n1+（n－1）m（3）

式中：φsp为复合土层内摩擦角标准值，（°）；m为面积置换率；μp为应力集中系数；φp为桩体材料内摩擦角标准值，（°）；φs为桩间土内摩擦角标准值，（°）；Csp为复合土层黏聚力标准值，kPa；Cp为桩体材料黏聚力标准值，kPa；Cs为桩间土黏聚力标准值，kPa；n为桩土应力比。

采用上述方法，参数选取如表1所示工程地质勘察中相关岩土工程试验结果，计算方法选用瑞典圆弧法，对海塘4个关键断面进行稳定性计算。计算成果见表3。以塘0+200断面为例，海塘抗滑稳定控制土层为Ⅲ淤泥质黏土层，海塘地基采用十字板强度Cu=6.054+1.050Z进行抗滑稳定复核，现状滩涂面天然边坡抗滑稳定安全系数为1.06，现状塘身整体稳定安全系数为1.02，加固后塘身整体稳定的安全系数为1.204。施工期塘身外侧安全系数为1.115。计算结果表明，该结构形式抗滑安全系数大于相关规范要求。

混凝土框架结构的作用机理是将上部荷载通过竖向桩结构传递至下部稳定土层，以达到规避不稳定土层、降低结构整体沉降量并增加稳定性的目的。计算结果表明，所提出的混凝土框架结构能够越过淤泥质土地层，将上部堤身荷载传递至下部稳定土层中，避免了软土层结构对工程建设的影响。同时，稳定性计算结果进一步表明，该结构形式具有可行性。

3.2  混凝土灌注桩桩基计算

灌注桩桩身沉降变形机理如图2所示，图中ds为桩身中某一小段，z为水平位移。混凝土灌注桩的荷载传递机理实质上是桩土效应的产生，导致桩与土之间力的传递与变形协调的过程。桩身的功能主要是将上部荷载传递至地基土，由于桩身构造特点，桩身与土体接触面较大，桩底与土体接触面积较小（一般低于1%）。在此结构特点的基础上，桩身上部首先受到荷载作用而产生压缩以及向下位移，在位移过程中，桩身与土体所产生的摩阻力逐步与上部荷载形成平衡状态，桩底处桩身轴力与土体反作用力形成受力平衡，同时持力层也在桩身轴力的作用下产生沉降变形，进一步促进摩阻力的发展，共同抵御上部荷载。桩身位移的产生是在轴力、荷载、摩阻力、持力层沉降、桩底反作用力的共同作用下逐步形成并趋于稳定。

因此，明确桩身竖向轴力对于判定结构稳定性具有十分关键的作用。混凝土框架结构中灌注桩任一深度截面荷载可表示为

qs（z）=AEpUd2s（z）dz2（4）

式中：U为桩身截面周长，mm；Ep为桩身弹性模量，MPa；A为桩身截面积，mm2。

该工程所采用的混凝土框架结构中混凝土灌注桩设置方式如图3所示。以桩号塘1+020处典型断面为例，对钻孔灌注桩进行受力计算。桩基相关参数取值如表4所示，计算内容如下。

桩承受的竖向力计算如下［9-10］：

Nk=Fk+Gkn±Mxkyi∑yi2±Mykyi∑yj2（5）

式中：Fk为荷载效应标准组合下，作用于景观平台顶面的竖向力，kN，该工程景观平台上部荷载为房建永久荷载加人群荷载；Gk为桩基及桩基上部混凝土框架的自重标准值，kN；Nk为桩基的平均竖向力，kN；Mxk，Myk为作用于承台底面绕通过桩群形心的x、y主轴的力矩，kN·m；yi，yj为第j根桩分别至y，x轴的距离，m；n为桩总数。

混凝土灌注桩单桩竖向承载力标准值为

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+αpskAp（6）

式中：Qsk，Qpk分别为单桩总极限侧阻力和总极限端阻力标准值，kN；u为桩身周长，m；qsik为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，kPa；li为桩穿越第i层土的厚度，m；α为桩端阻力修正系数，取0.90；psk为桩端附近的静力触探比贯入阻力标准值（平均值），kPa；Ap为桩端面积，m2。

基础单桩运行期承受的最大竖向力为802 kN，桩竖向力平均值为656.17 kN。钻孔灌注桩布置方案可满足承载力及海塘整体抗滑稳定要求。

4  监测数据分析

自健跳塘混凝土框架结构施工完成后，在堤身不同位置设置监测点位，监测工作于2021年12月

开始，主要监测海塘轴线外侧（靠海侧）、海塘轴线内侧（背海侧）以及堤顶外侧的沉降量。截至2023年6月，部分监测点位累计沉降量如表5所示。由表5可知，健跳塘混凝土框架结构断面累计沉降量最大发生在塘1+135外侧测点，累计值为-111.0 mm，本月最大变形量发生在塘0+330外侧测点，累计沉降-4.8 mm。整體监测数据未超过设计要求报警值（报警值控制标准为日沉降量大于10 mm，且连续3 d超标），监测断面安全。

将健跳塘累计沉降变形最大位置塘1+135断面处累计沉降量绘于图4。如图4所示，采用混凝土框架结构加固海塘后，塘1+135断面处单日沉降量先增大后减小，截至2023年6月，监测沉降基本已呈现稳定状态。混凝土框架结构施加后，结构从整体上增加了土体的总应力，同时混凝土灌注桩的施加所产生的桩土效应和软土层中孔隙水压力的消散逐步抵消结构所产生的总应力，土体应力重分布逐步稳定。结构施加所造成的应力重分布情况在施加前期较为明显，表现为施加前期塘身结构沉降量较大；土体应力环境随时间逐步趋于稳定，表现为沉降量逐渐减小至稳定。此外，塘身中轴线外侧沉降量大于内侧沉降量，其原因在于塘身周线内侧为老旧塘身位置，老旧塘身为混合土石结构，在重力作用下，下部土体已发生次固结现象，土体沉降空间较小，因此新结构引起的塘身轴线内侧沉降较小。

5  结  论

结合健跳塘提升改造工程对混凝土框架结构改造形式进行研究。首先对海塘工程地质条件以及现状进行分析，并根据工程实际设计混凝土框架结构，然后采用瑞典圆弧法计算海堤稳定性，并计算混凝土灌注桩受力情况，得出结论如下。

（1） 根据健跳塘海堤边坡的工程地质条件，设计出混凝土框架结构改造形式。该结构形式塘身工后沉降小、对海洋生态环境没有不利影响、塘顶拓宽不占用海塘内侧土地。

（2） 采用瑞典圆弧法对混凝土框架结构所加固的海堤进行稳定性分析，并计算灌注桩桩身竖向力最大值。计算结果表明：外侧稳定性系数均大于1.2，最大桩竖向力数值最大竖向力为802 kN、桩竖向力平均数值为656.17 kN，结构稳定性满足要求。

（3） 混凝土框架结构简单，采用桩作为荷载传导结构，对海塘周边生态环境影响较小。

参考文献：

［1］  王卫标.钱塘江海塘风险分析和安全评估研究［D］.杭州：浙江大学，2005.

［2］  齐立龙.海塘安澜工程设计方案比选及整体稳定分析［J］.浙江水利水电学院学报，2022，34（6）：61-65.

［3］  吴正中.海塘工程安全评价研究［D］.杭州：浙江工业大学，2014.

［4］  葛双成，刘喜亮，赵永辉，等.海塘隐患及防滲注浆效果检测技术应用研究［J］.地下空间与工程学报，2013，9（1）：42-47.

［5］  郭国林.海堤加固中的钢筋混凝土栅栏板消浪机理及应用［J］.水利科技，2007，117（4）：51-52，55.

［6］  翟丽嫦，杜冬阳.平原感潮河网区建设项目场坪高程的确定与分析——以广州市白云区某房地产项目为例［J］.广东水利水电，2014，225（11）：51-53.

［7］  刘克修，王骥.关于工程潮位计算的若干问题［J］.海洋技术，1999（4）：46-55.

［8］  傅兴安，闫福根，谭海.孤山航电枢纽工程罗行滩滑坡稳定性分析与治理设计［J］.水利水电快报，2023，44（6）：42-47.

［9］  岳全庆，周宝龙.可溶岩地区桩基施工风险预测及工程处理措施［J］.水利水电快报，2023，44（5）：55-58.

［10］  吕大为，赵津磊，王铁力，等.新建河堤堆载下桩基侧向变形及加固控制［J］.人民长江，2019，50（增1）：127-130.

（编辑：李  慧）

Study on application of concrete frame structure modification type in seawall security project

YANG Wang，ZOU Zhanjun，ZHU Jiehua

（Zhejiang Zhongshui Engineering Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310010，China）

Abstract：

In the construction process of Haitang Anlan Project in Zhejiang Prvince，to meet the stability requirements of the project，taking into account the ecological environment surrounding the construction of the project.A new form of seawall，the concrete frame structure was proposed and the in-depth research on the practical application of this structure was conducted in combination with the Jiantiao Pond Modification Project.The structural mechanism was analyzed and its engineering stability was calculated.The practical situation of the proposed concrete frame structure was studied by consideration of the monitoring settlement data of the structure.The results showed that the structural stability of concrete frame and pile foundation force can meet the relevant requirements，which can be applied to soft soil environment.The structure was stable and can greatly reduce the influence of engineering construction on the surrounding ecological environment.The proposed concrete frame structure can provide a reference for the seawall reinforcement work．

Key words：

seawall reinforcement； concrete frame structure； muddy soil； stability calculation； loading of piles