深层水泥搅拌桩在港工软基边坡加固中的应用.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流深层水泥搅拌桩在港工软基边坡加固中的应用.精品文档.深层水泥搅拌桩在港工软基边坡加固中的应用2009年l2月第6期总第164期巾国港湾建设ChinaHarbourEngineeringDec.,2009Total164,No.6深层水泥搅拌桩在港工软基边坡加固中的应用唐云,王桃源(中交第四航务工程勘察设计院有限公司,广东广州510230)摘要:结合码头结构方案比选,通过理论计算分析,证明了深层水泥搅拌桩在加固港工软基边坡中的良好作用,并提出了应用中需注意的几点问题,为同类工程提供借鉴.关键词:深层水泥搅拌桩;港口工程;软基边坡中图分类号:TU472.36;U656.3文献标识码:A支章编号:10033688(2009)06002005ApplicationofCementDeepMixingPiletoConsolidationofWeakSoilSlopinHarbourEngineeringTANGYun,WANGTaoyuan(CCCCFHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510230,China)Abstract:Combinedwithschemecomparisonofquaystructure,goodeffortsofcementdeepmixingpiletoconsolidationofweaksoilslopisexpoundedinthispaperbytheorycalculationandsomeproblemsonusingthismethodisputforward.Itcanbeusedasreferenceforsimilarprojects.Keywords:cementdeepmixingpile;harbourengineering;weaksoftslop1引言深层水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂,通过专用的深层搅拌机械,将水泥浆注入地层,并与地层中的软土强制搅拌均匀,水泥和软土f昆合后,产生一系列物理一化学反应,使软土硬结形成具有一定强度的桩体,从而达到加固地基的目的.该方法最初常用于高速公路施工中,针对软弱地基路段和一些高填方路段,为了消除原地面地基承载力的局限性,防止填方路堤的不均匀沉降.随着我国筑港事业的快速发展,越来越多的码头建造于由淤泥或淤泥质土吹填形成的软弱地基上.众多的工程经验表明,制约这类工程实施成功与否的关键因素就是码头接岸结构的边坡稳定性.本文将结合某工程设计实例中的码头结构方案比选,探讨深层水泥搅拌桩在加固港工软基边坡中的应用.2工程概况拟建某造船基地项目位于广东省中山市火炬开发区马鞍岛临海工业园内,占地面积约0.38km.一期工程主要包括1个3万吨级船台,520m长舾装码头及陆上与船舶制造相关的配套厂房等建筑物.其中,舾装码头是为已建造好收稿日期:2009-0723修回日期:2009一tO一19作者简介:唐云(1980一),男,湖南祁阳人,工学硕士,工程师,从事港口工程结构设计及施管理.的船舶主体结构下水后,在此停靠舾装配套设施之用,是该工程的重点建筑物.码头结构按靠泊3万吨级成品油/化学品船设计(空载),码头面高程5.53m,港池底高程一6.4m.码头前沿线往后45m范围内,设计均布荷载为20kN/m',45m以后设计均布荷载为40kN/m:.流动机械荷载主要包括码头面配备2台轨距和基距均为12m的30t高塔吊,最大轮压250kN/轮,以及行驶载重为150t的大型分段平板运输车.设计水位为:设计高水位2.96m,设计低水位0.56m,极端高水位4.23m,极端低水位一0.17m.3工程地质条件根据本工程地勘报告,场区地层根据成因主要分三层:(1)人工填土层及耕土层(Q4mL),主要由人工开挖筑填而成;(2)海陆交互相沉积层(Q4mc)的砂土,粘性土及两者交互沉积而成的混合土,主要以陆相沉积为主;(3)燕山期("y52)的花岗片麻岩风化层.其中,淤泥,:淤泥质土属于高含水量,高孔隙比,高压缩性的软土层,且其厚度大(1724m),是场区内控制沉降,稳定因素的关键性土层,需要着重,认真分析.根据钻探揭示的地层自上而下分述如F.碎石:主要为中等风化花岗岩碎石,结构较松散,一般块径为310cm,平均厚度1.26m,为新近回填而成.2009年第6期唐云,等:深层水泥搅拌桩在港工软基边坡加固中的应用?21?素填土:主要回填物为粘性土,粉细砂及少量贝壳碎,平均厚度2.16m.淤泥:饱和,流塑,土质不均匀,含较多粉细砂,该层分布较连续,平均厚度为l3.17m.:淤泥质土:饱和,流塑软塑,局部含较多粉细砂及贝壳碎,粘性较大,该层分布较连续,平均厚度为l1.36m.粉质粘土:灰黄色,可塑,局部软塑,含少量粉细砂,粘性较大,该层局部钻孔有揭露,平均厚度为4.4m.主要土层的物理力学指标见表1.表1主要土层的物理力学指标土层y/(kN?m)|%,%at/%C,kPa,(.)C/kPa妒/(.)固结系数ch,(10cm2?S)压缩指数淤泥1746.41.25324.142-314.73.9l519.32.50.378:淤泥质土l6.1591.61230.456_315.64l1.615.91.22O.57.粉质粘土2025.8O.7l519.63l_727.672021.64码头结构方案业主为赶工期,在本工程进行初步设计的同时,已委托相关施工单位完成了对整个场地的软基加固处理(其中,前沿线至后方约14m范围为防洪堤抛石区,未能进行处理).根据本工程的地质情况,结合码头的使用要求及场地现状,拟对舾装码头进行重力式结构及高桩梁板结构方案的比选.(1)重力式结构方案(方案一)该方案挖除上覆的全部淤泥及淤泥质土直至下卧粉质粘土或中粗砂层,最大挖泥深度达23m.基槽开挖后回填中粗砂至标高一11.40m,然后铺0.3m厚二片石垫层,其上抛填4.0m厚10100kg块石作为基床,基床上部安装预制混凝土沉箱作墙身.沉箱底宽9.95m,长7.2m,高9.2m,单件重约398t.箱体内及墙后均回填中粗砂.箱顶现浇混凝土胸墙,胸墙上布置水电,动力管沟.码头前轨道置于胸墙上,后轨设现浇轨道梁,梁高1.8m,宽1.1m,基础采用6600mmPHC管桩,间距4.0m.方案一码头断面见图1.图1舾装码头断面图f结构方案一)22?中国港湾建设2009年第6期(2)高桩梁板结构方案(方案二)码头排架间距为7.0m,每榀排架布置7根+800mmPHC预应力混凝土管桩.其中前,后轨道梁下采用双桩.码头上部为正交梁板体系.码头平台宽26.55m,通过简支板与接岸结构相连.接岸结构采用斜坡式护岸,基槽开挖后抛填0.5m厚二片石,标高一1.9m以下设200300kg抛石棱体,一1.9m上抛填0.7Ill厚50100kg垫层块石,再安放1.5t扭王字块作护面,岸坡坡度为1:2,坡顶设1m厚10100kg块石基床,其上现浇空心方块挡墙,墙后回填开山石.为保证岸坡稳定,同时减少挡墙沉降,在挡墙下方采用水泥搅拌桩加固地基.水泥搅拌桩加固区横向宽8.1m,纵向沿码头长度满布,桩径为b600mm,呈格型布置,纵横格墙间距均为2.5In,相邻两桩搭接lOcm.要求桩端穿透上部淤泥及淤泥质土进入下卧的粉质粘土或中粗砂层不少于0.5Ill,单根桩长约1923In.水泥采用425号普通硅酸盐水泥,掺人比不少于15%,水灰比0.50.55,早强剂选用3%水泥用量的氯化钙.桩体90d抗压强度不小于lMPa.方案二码头断面见图2.265503450135001200011050l耗屉RI>301护轮檀璜高程.593i匿m一,筒5.0塑勘f十一设计矗水位主磊iImI口;,._._-l*|-±/二r瓤th毒llI300也/l'o-tI.03,I回填开山石州,l2.甲5素r/,1.3:区坷,萋一:><蓁乏:炎<才:勃丰柯:由1l匿<<l.iI土;I蔓<淤泥U壬8芒港池底高程.,4量',145llHr.2咖淤泥'妻羹l薹l萋<一12.48|,rr)9受ll,j,爻质上,I,1l<淤泥质土软蓦处理边线至i船距高约14._1塑爿水匾自1oI',爻霎萎萋i萋<t-22.28,芦100,:/,600水泥搅拌桩一山n.?粗砂_ttt'iryafrM/:,粉质粘土淤泥质土粘土:|;二二=二i一30/7,.粘十#:三j中粗砂-33-38,一/一一.27600.8lo0中粗砂ZC.氲j臣:一MK5/卵白l1III一MKl6.10o-40.983.95:淀8-厂lnj一一,r一留8:图2舾装码头断面图(结构方案二)(3)综合比较方案一由于需挖除上部软土,并换填中粗砂,挖填方量大,工程造价高,但因其将上部软土全部置换为中粗砂,故岸坡整体稳定性高;方案二只需挖泥至港池底高程,挖泥方量仅为方案一的1/6,但由于上部软土仍然存在(虽经堆载或真空预压处理,其力学指标尤其是抗剪强度指标仍然较差),故需对岸坡进行加固,设计采用在挡墙下部范围施打格型布置搅拌桩墙的方法对地基进行加固.经测算,方案二工程费用较方案一减少约1470万元.从上述分析中可知,岸坡稳定性是决定方案二成败与否的关键,并在很大程度上影响其经济性.水泥搅拌桩平面布置图5岸坡整体稳定计算及结果分析深层搅拌桩土体整体稳定计算采用瑞典圆弧法,稳定安全系数采用总应力法,即:+(gb+W)COStanK=LL一(qib+)sinO/【=l式中:Ci,fq.,b,W.,分别为第i土条的粘聚力,滑弧面的弧长,地面荷载,宽度,重量,沿滑弧中点的切线与水平线的夹角,内摩擦角.计算软件采用行业通用的边坡计算软件天津地基,2009年第6期唐云,等:深层水泥搅拌桩在港工软基边坡加固中的应用?23?计算中各土体指标取值原则如下:(1)加固区域土体抗剪强度指标采用搅拌桩体的抗剪强度指标与加固后的淤泥(淤泥质土)的固结快剪指标按置换率加权平均.根据港口工程地基规范(JTJ25098),搅拌桩体的抗剪强度取其设计抗压强度的1/10,本工程中即为100kPa.按上述原则计算所得的复合土体抗剪强度指标为,C:46.16kPa,=9.84.(2)陆侧经软基加固处理区域土体的抗剪强度指标取固结快剪指标(3)水泥搅拌桩加固区至防洪堤陆侧边线之间的区域土体虽经加固,但港池开挖时,存在因卸荷产生的"空巢"效应,应考虑对其固结快剪指标进行折减.折减按干船坞设计规范(JTJ25187)附录十六中公式计算:s=尺S.兰手l,l式中:S为开挖后的不排水抗剪强度,kN/m;S.为开挖前的不排水抗剪强度,kN/mz;为超压密比,即起始上覆压力与开挖后上覆压力的比值;A为系数,对粘土一般取O.64;:为开挖后有效上覆压力,kN/m;or.为开挖前有效上覆压力,kN/m.(4)防洪堤及其以外海侧区域土体因未能进行软基处理,取直剪快剪强度指标.根据地勘报告,计算时选取淤泥较深的22断面,4-4断面及55断面三个断面,计算水位取极端低水位,荷载按前述.计算结果见表2.表2结构方案二各断面加固前后岸坡整体稳定计算结果最小抗力分项系数设计状况2-2断面4-4断面55断面加固前加固后加固前加固后加固前加固后正常使用状况O.951.181,Ol1.23O.961.19偶然状况0.841.O70.91.11O.85.1.O8方案二典型断面(22)正常使用状况加固前后,圆弧滑动示意图分别见图3及图4.从图3及图4中可以看到,加固前由于上部软土的存在,使得滑弧通过时的最小抗力分项系数小于1.0,且滑弧深度较浅;加固后,加固段土体的抗剪强度指标有了较大提高,滑弧经过该段时,抗滑力增大,从而使得圆弧滑动抗力分项系数提高至1.1以上,且滑弧半径增大,并向深层移动.上述结果表明,利用水泥搅拌桩加固码头岸坡的设计方案取得了良好效果.图3方案二典型断面(2_2)正常使用状况加固前圆弧滑动示意图24?中国港湾建设2009年第6期图4方案二典型断面(2-2)正常使用状况加固后圆弧滑动示意图6结语目前本工程已按方案二完成施工图设计,并已开展施工招标工作,即将施工.虽文中搅拌桩加固边坡方案的实际效果有待检验,但本文从理论上证明了使用水泥搅拌桩加固软基边坡既可满足安全性要求,又可取得一定的经济效益,为今后同类工程提供了借鉴.同时,笔者认为在使用水泥搅拌桩加固软基边坡时还应注意以下几方面的问题:(1)本工程水泥搅拌桩长度较长(1923m),常规施工T艺不能满足设计要求,故设计采用具备专利技术的双向深层搅拌施工工艺(由东南大学岩土工程研究所及南京路鼎搅拌桩特种技术有限公司申请专利),使用该工艺施工的搅拌桩最大深度可达26m.(2)当地基土含水量大于100%时,搅拌后土的固化效果不明显,一般认为,海底土含水量略大于液限含水量时效果最佳;当有机质含量大于5%,腐植质含量大于l%或pH值<4时,固化效果不明显.因此,在确定采用水泥搅拌桩加固地基或边坡前,宜现场取土试验.(3)港口工程地基规范(JTJ25098)规定加固体抗剪强度取其设计抗压强度的1/10,也即仅考虑了搅拌桩体的c值,而未考虑其角,而大量的实测资料表明,搅拌桩体的角通常可达20.35.如此,增加了边坡稳定计算时的安全储备,弱化了搅拌桩的作用,势必带来工程投资的增加.(4)本文中方案二之所以较方案一节省,是由于方案二节省了大量的开挖回填方量,若码头停靠船舶吨级加大,港池开挖深度较深,则搅拌桩方案未必能节省工程投资.参考文献:【1】龙少林.水泥搅拌桩和高压旋喷桩结合在虎门港海堤加固工程中的应用fJ_西北水电,2007,(2).【2战和增.CDM法在烟台港二期工程中的应用lJ1.港VI工程,1997,(4).3】卢国权.深层水泥搅拌施工技术J1.交通标准化,2008,(4).【4河海大学,江苏宁沪高速公路股份有限公司.交通土建软土地基工程手册lM.北京:人民交通出版社,2001.