水泥搅拌桩加固堤防工程的设计及优化研究

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　　摘 要：水泥搅拌桩是一种以水泥为固化剂，将其与地基土体搅拌，在物理、化学反应下生成的一种桩型，在水利工程中具有广泛的应用价值。本文以广东省某河道工程为实例，围绕水泥搅拌桩设计与优化、加固处理后对堤防工程稳定性的影响两个层面，探讨了水泥搅拌桩加固堤防工程的设计与优化策略，以供参考。
　　关键词：堤防加固工程 水泥搅拌桩 堤防基础处理
　　城镇化建设进程的加快推动了市政规划范围的不断扩大，部分原有堤防工程的建设标准已无法满足市政建设需求，在面对汛期的水涝灾害时造成了严重的经济损失，为区域发展带来了负面影响。因此需要采用水泥搅拌桩针对原有堤防工程进行加固设计，以此更好地满足度汛需求，强化经济性与实用性的双重价值。
　　1.工程概况
　　该河道工程位于我国广东省，占地面积约为0.8km2。城市规划将该区域建设为休闲度假区，计划在规划区域陆续建设星级酒店、娱乐设施以及高档住宅区等。但该区域原有的堤防工程防洪标准为3级，堤防填筑土料质量较差，极易发生塌方、滑坡等现象，在历年洪水灾害侵袭时也时常发生漫顶现象。据岩土工程勘察报告显示，该区域的堤防基础土层由淤泥、中细砂、填土、淤泥质粉砂等材料组成，其中淤泥材料的承载力特征值为60kPa、压缩模量为2.71MPa、层厚2.26m，中细砂的承载力特征值为140kPa、压缩模量为6MPa、层厚13.05m，淤泥质粉砂的承载力特征值为75kPa、压缩模量为2.57MPa、层厚8.59m。
　　2.水泥搅拌桩加固堤防工程的设计与优化策略
　　2.1水泥搅拌桩设计与优化
　　2.1.1桩长设计
　　通过观察地质勘查报告可以发现，该堤防内的地表水、地下水均含有一定量的硫酸根离子，会与水泥发生化学反应，生成的结晶体对水泥会产生侵蚀作用，加大了水泥搅拌桩桩体开裂的几率，使桩体强度大大下降。在此拟采用硅酸盐水泥作为原材料，其标号≥42.5，以此最大限度降低膨胀结晶体数量，提高水泥搅拌桩的抗侵蚀水平。该堤防工程的地基埋深为10m，位于淤泥层下的积粘土层，土层厚度较大、层位稳定性强。为防范水泥搅拌桩桩体出现悬浮问题，应选取下卧粘土层作为持力层，将桩体深入粘土层的厚度设为1m，桩顶高程为堤防顶部标高，桩底高程为-12m，水泥搅拌桩桩长为15m、桩径为0.55m。
　　2.1.2桩土置换率
　　依据施工设计要求，水泥搅拌桩的布设位置主要集中在堤防顶部，因此拟将水泥搅拌桩与堤防轴线呈垂直布设，其间隔距离为1m，共布设6排；同时沿堤防轴线方向布设一排水泥搅拌桩，将其间隔距离设为1.5m，桩位整体呈现为矩形，其桩土置换率计算公式为：
　　2.1.3水泥掺入量
　　本工程选取硅酸盐水泥作为水泥搅拌桩的加固材料，由于在同一土层中的水泥掺入量存在一定差异，相应也会使得水泥强度各不相同。依照广东省住房和城乡建设厅发布的《建筑地基处理技术规范》，应将水泥掺入比控制在原有被加固土质量的7%-18%以内，结合本工程涉及到的河道堤防荷载情况，其上层淤泥土的含水量较大、承载力较小，因此应将水泥掺入量设为最大值18%，最终计算得出本工程的水泥掺入量为80kg。
　　2.1.4单桩承载力
　　借助以上计算公式可以获得水泥搅拌桩复合地基的等效强度指标，将搅拌桩加固地层进行单独划分，通过输入该土层的特性指标值便可以计算出加固后整体堤防的稳定性。
　　2.2.2加固处理后对堤防工程稳定性的影响
　　由于该堤防工程所处的地层土质属于软弱土，由淤泥、中细砂、淤泥质粉砂等土层构成，因此拟定采用折线滑动法进行堤防工程稳定性的计算。通过观察岩土工程勘察所获得的数据可以发现，受该河道区域先天地质土层条件的影响，堤防整体的抗滑能力较弱，只有在进行加固处理后进行稳定性计算，方可以确定是否需要利用水泥搅拌桩针对堤防进行深层处理。该堤防工程临水坡原本的水位降落期为1.03、施工期为0.86、稳定渗流期与7度地震下的安全系数为1.11，而进行加固处理后的临水坡水位降落期为1.4、施工期为1.35、稳定渗流期与7度地震下的安全系数为1.37，较处理前堤防的稳定性呈现出明显提高的趋势。为进一步验证加固处理的效果，采用有限元法进行堤防稳定性计算，依据强度等效原理进行水泥搅拌桩的均质化处理，计算得出其安全系数为1.545，基本满足河道堤防工程的安全系数需求，同时又使工程造价节约了20%左右，发挥了显著的经济效益。
　　2.2.3加固处理过程中的优化策略
　　为巩固加固处理效果，应针对水泥搅拌桩的施工质量进行严格检查，具体来说可以从以下几方面入手：其一，在水泥搅拌桩成桩后的1周内，应采用轻便触探法检测桩身是否牢固；待水泥搅拌桩成桩的4周后，采用钻孔取芯法针对桩体完整度、桩土搅拌均匀度等进行检查，针对芯样执行28d龄期抗压强度试验，保障其抗压强度大于或等于1MPa。其二，采用强度等级相同的水泥砂浆将取芯后留下的孔洞回灌密实。其三，确保堤防墙体厚度大于或等于30cm，将其渗透系数控制在1×10-6cm/s范围内。其四，针对水泥搅拌桩的外观进行查看，确保桩体保持匀称、搅拌均匀，凝体紧密、无松散现象，桩体无缩颈、回陷问题；群桩保障桩顶齐平，各桩体间保持恰当间距；还应针对桩体浅部开挖检查，以此判断桩身是否完整。其五，还应当指派专人负责针对施工过程中的下钻深度、水灰比等参数进行检查，确保其桩长、水泥用量符合施工设计要求，将钻孔直径控制在10.8cm以上，确保水泥搅拌桩的垂直度小于1%。在完成加固施工后，还应当组织开展竣工验收、完成荷载试验，最大限度保障水泥搅拌桩的质量，以此满足地基承载力要求。
　　总而言之，务必要严格遵循《堤防工程设计规范》进行加固设计与处理，通过在堤脚填筑碎石构成加固平台，提高原有桩体强度与堤防的抗滑安全系数，在节约工程成本的同时满足各部分结构承载力的要求，进而更好地提高整体工程的稳定性，强化工程的经济性与实用价值。
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