小木桩处理内河航道护岸软基初析

    钱文军+王伦明

    

    

    

    摘 要：本文以苏南运河镇江段Ⅲ级航道整治工程陵口镇～西战备河段护岸工程为例，对小木桩处理内河航道护岸软基的结构受力做出详细的分析计算，试图剖析它的内在机理，为今后设计提供半理论半经验依据。

    关键词：小木桩 软基处理 护岸 竖向承载力 抗滑力 结构稳定

    在长三角冲积平原地区航道整治护岸建设工程中，常常遇到软土地基需要处理的情况。采用小木桩处理内河航道护岸基底下卧薄层软土，以其安全、经济、施工方便等诸多优点，受到业主、设计和施工单位的广泛欢迎。由于缺少相应的计算理论，以往的设计多是以工程实践经验作为依据。下面以苏南运河镇江陵口段护岸工程为例，对小木桩处理内河航道护岸软基的结构受力做出详细的分析计算，尝试剖析它的内在机理。

    设计概况

    1、项目概况

    苏南运河镇江段Ⅲ级航道整治工程（陵口镇～西战备河段）于2008年10月完成施工图设计，2009年10月正式开工建设，2011年7月12日交工验收。航道护岸采用重力式结构，墙高6m，底板厚度0.6m。

    2、地质条件

    根据《苏南运河镇江段Ⅲ级航道整治工程地质勘察报告》，将苏南运河镇江段（陵口镇—西战备河段）本断面有关地层的土性和分布特征，自上而下说明如下：

    1b填土：粉质粘土含碎石，主要为原有护岸填土。分布于地表，层厚0.5～5.0，平均厚度2.0m，分布不连续。

    1-1砂质粉质：灰黄、黄灰色，松散—稍密状态，稍湿，分布为粉质粘土夹粉砂，层厚0.4～9.5m，近地表连续分布。推荐地基土容许承载力f=100～140kPa。

    1-2淤泥质（粉质）粘土：灰色，流塑，高压缩性。为本区浅部主要软土层，多在老河道分布，层厚变化大。层顶标高为▽0.7～▽3.0，层厚1.0～10.0m，分布不连续。推荐地基土容许承载力f=60～90kPa。

    1-2a（粉质）粘土：黄灰色、灰色，软塑～流塑状态，局部含腐植物，中等～中偏高压缩性。多与1-2层伴生，一般分布于1-2层中部， 层厚0.8～1.6m。推荐地基土容许承载力f=100～120kPa。

    1-2b淤泥：灰色，灰黑色，夹腐植物，流塑，高含水率，高压缩性，含较多有机质。推荐地基土容许承载力f=40～50kPa。

    1-2c粉土：灰色、黄灰色，湿～很湿，松散状态为主。为区内主要的液化砂土层，综合判别该层的液化等级为中等液化。与1-2层伴生， 多位于1-2层上部， 层厚1.0～10.0m， 平均厚度3.0m。推荐地基土容许承载力f=110～130kPa。

    1-3砂质粉土：灰色、黄色，湿～很湿，稍密状态为主，局部夹粉质粘土薄层或与粉质粘土互层，总体土质欠均匀。层顶标高为▽1.0～▽-3.0，层厚2.0～5.0m， 平均厚度3.5m，分布不连续。推荐地基土容许承载力f=110～130kPa。

    苏南运河镇江段Ⅲ级航道整治工程（陵口镇～西战备河段）软土层分布：主要为1-2层、1-2b层和2-2层，软土的主要成因为冲湖积成因。土性特征：1-2淤泥质（粉质）粘土，灰色，流塑，高压缩性。1-2b淤泥，灰色，灰黑色，夹腐植物，流塑，高含水率，高压缩性。2-2淤泥质（粉质）粘土，灰色，局部夹腐植物，流塑，中等～高压缩性。

    3、设计方案

    设计采用经验法，对护岸结构底板下软土厚度大于1.0m小于3.5m的采用小木桩加固方案，岸线总长3986m，设计断面如图1。小木桩设计长度分别为2m（适用1～1.5m软土层）、3m（适用1.5～2.5m软土层）、4m（适用2.5～3.5m软土层），基础下设300mm碎石垫层。

    小木桩采用梅花形布置，纵向间隔0.8m；横向前紧后疏，前4排间距0.7m，后6排间隔0.8m。小木桩桩梢直径不小于0.12m，可采用马尾松、水杉及质地坚硬、耐水性好的杂材。

    结构受力分析

    选取地质条件比较差的ZK996钻孔（航道里程桩号35K+285；左岸）位置的重力式护岸结构作为本文分析断面（见图1），竖向承载力和整体稳定性分析计算工况为完建期，水平滑移计算工况为低水期。

    1、竖向承载力分析

    底板以上混凝土（容重r=24KN/m3）、回填土（容重r=18.5KN/m3）等自重（每延米）：784.0KN/m。

    小木桩单桩竖向承载力：

    式中：Nd—小木桩单桩竖向承载力；qci--桩周i层土的侧壁摩阻力；Ui—小木桩桩周周长；Li—小木桩在i土层中桩长；As—小木桩横截面积；fs--桩端地基承载力标准值。

    根据上述地质资料，小木桩桩径d=12cm，小木桩单桩竖向承载力Nd =30.1KN/根，每延米：11.25根，338.6 KN/m；小木桩桩径d=15cm，小木桩单桩竖向承载力Nd =42.3KN/根；每延米：11.25根，475.8 KN/m。竖向荷载784.0 KN/m，说明小木桩只能承担底板以上荷载的43.2%（d=12cm）和60.7%（d=15cm），剩余的需要土层承担。

    Nt=Atft

    式中：Nt—土层竖向承载力；At—底板扣除小木桩的面积；

    ft—土层承载力标准值；60～90Kpa。

    计算土层竖向承载力Nt=381.2～571.7 KN/m。小木桩和土层叠加的复合地基：719.8～910.3 KN/m（d=12cm）；857.0～1047.5 KN/m（d=15cm）；竖向荷载784.0 KN/m，安全系数分别为（719.8～910.3） /784.0=0.92～1.16（d=12cm）；（857.0～1047.5） /784.0=1.09～1.34（d=15cm）。

    根据以上分析，采用桩径d=15cm的小木桩，或者加密桩径d=12cm的小木桩（18.6根/m， 安全系数1.2），安全系数才足够。

    2、抗滑力分析

    2.1 护岸挡墙墙后水平土压力

    护岸挡墙墙后土压力，采用《重力式码头设计与施工规范（JTS167-2-2009）》条款2.4.1.3的方法，地面为水平时，在底板垂直上的水平土压力：

    根据计算，挡墙墙后水平土压力：242.6KN/m. 取混凝土与碎石的摩擦系数0.35，底板以上结构自重784.0 KN/m，784.0×0.35=274.4 KN/m >242.6KN/m。说明墙后水平土压力可以全部传递给小木桩或由小木桩和土层形成的复合地基。

    2.2 小木桩顶的水平容许承载力

    根据河南省交通勘测设计院的简化“K法”计算小木桩顶的水平容许承载力：

    式中：t—底板底至第一弹性零点的距离（m）；α—小木桩在土中变形系数；K—土的弹性抗力系数，流塑粘性土IL≥1，淤泥，100000～200000KN/m3；d—小木桩桩径（m）；E—小木桩弹性模量，9.8～12Gpa；

    [T] —小木桩顶的水平容许承载力（KN）；

    [y0] —桩顶容许水平位移，一般取0.5～1.0cm；

    当小木桩桩径d=12、15cm，小木桩顶的水平容许承载力为10.5、17.2KN/根；每延米11.25根，即为118.1、193.5 KN/m，占水平土压力242.6KN/m的48.7%、79.8%，也就是说48.7%（当小木桩桩径d=12cm）、79.8%（当小木桩桩径d=15cm）的水平土压力由小木桩承担，剩余的由土层承担。

    3、整体稳定性

    3.1 计算方法

    护岸结构整体稳定验算采用理正岩土系列软件边坡稳定分析模块，分析方法基于《港口及航道工程护岸工程设计与施工规范（JTJ 300-2000）》条款6.1.6.1～6.1.6.2，地震烈度为7度。计算孔位处护岸底板直接坐落于软土之上，基底下软土厚度约2.5m，用3m长小木桩处理，采用圆弧滑动面计算。

    3.2 计算工况

    计算工况墙前水位为最低通航水位，墙后水位为地表以下1m。该工况为护岸正常使用期的危险工况。

    3.3 整体稳定验算

    计算土体物理力学指标采用固结快剪指标，地基类型为粘性土土坡，地基处理前，航道护岸边坡整体稳定安全系数为0.92，不满足有关规范要求；采用小木桩地基处理后，处理区域软土地基按照复合地基考虑，复合土体粘聚力和内摩擦角参照相关规范计算，整体稳定验算安全系数为1.36，满足有关规范要求。

    结论

    根据计算，设计小木桩（d≥12cm）承担了约43%的竖向荷载，其余由土层承担；如果竖向荷载全部由小木桩（d≥12cm）承担，则小木桩（d≥12cm）数量需要增加约65%。

    设计小木桩（d≥12cm）承担了约49%的水平荷载，其余由土层承担；如果水平荷载全部由小木桩（d≥12cm）承担，则小木桩（d≥12cm）数量需要增加约一倍。

    该段航道护岸已完成近4年时间，监测结果显示护岸结构稳定，说明该工程设计既安全又经济节约，是比较成功的。

    至于小木桩的挤密作用、吸水作用及作为排水固结通道对软土层的加固效果，有待进一步研究。

    参考文献：

    [1]杨挺，周健，周晨，软基中木桩复合地基的分析与设计[J]，岩土力学与工程学报；2003，22（9）：1560-1565；

    [2]徐立功， 短木桩处理软土地基的计算方法及效果[J]，科学之友，2008，08（23）B

    [3]钱家欢，土力学[M]，南京，河海大学出版社，1990：228.

    （作者单位：江苏省交通规划设计院股份有限公司）