水利工程挡土墙软土地基加固设计

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摘 要：挡土墙是水利工程中广泛采用的一种构造物，可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害。文章对某水利工程挡土墙软土地基加固设计进行了探讨。

关键词：挡土墙设计；软土地基；搅拌桩设计；搅拌桩计算；变形计算

中图分类号：TV871 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）06－0068－02

1 工程概况

某水利工程位于广东省汕头市，为灌排两用的中型泵站，工程等别为Ⅲ等，建于1967年，防洪标准为20年一遇，设计排涝标准为5年一遇，设计流量18 m3/s，总装机容量为1 960 kW。安装7台机组，5台48ZL－87型和2台28ZBL－70型立式轴流泵，配套电机单机功率分别为330 kW、155 kW，泵站承担着64 km2农田的排水和72 km2农田灌溉任务。枢纽工程由进水闸、前池、泵房、出水池、出水涵闸、引水涵闸和灌溉涵闸7部分组成。本次更新改造工程设计主要内容包括：拆除重建进水闸和前池，维修加固泵房、出水池、出水涵闸、引水涵闸和灌溉涵闸。

2 前池下游端挡土墙设计

前池下游端挡土墙由渐变段和直立挡墙段组成。渐变段长12.0 m，底板顶高程－1.2～－3.2 m，两侧挡土墙采用钢筋混凝土直线扭曲面，边坡系数2.0，末端墙高8.3 m。直立挡墙段长4.0 m，底板顶高程－3.2 m，两侧挡土墙为半重力式钢筋混凝土挡墙，墙高8.3 m，底宽7.4 m。前池下游端挡土墙稳定计算成果见表1。

根据地质资料，前池挡土墙地基允许承载力为95 kPa。由表1可看出，挡土墙抗滑稳定安全系数、基底应力不均匀系数均满足规范要求，但平均基底应力大于地基允许承载力，最大基底应力大于地基允许承载力的1.2倍，不满足规范要求，需进行地基处理。

3 前池下游端挡土墙地基处理

3.1 水泥土搅拌桩设计

前池下游端挡土墙地基为黏土粉砂互层、壤土粉砂互层。由于工程地质报告提供的天然地基土承载力较低，经稳定计算地基承载力均不满足要求，故需要进行地基处理。处理措施常采用换土法、强夯法、振冲碎石桩和水泥搅拌桩法等。由于工程区域地下水位较高，采用强夯法排水较困难，工期长；振冲碎石桩的防渗性能差，对地基的稳定不利；换土法也不适用，在最大换土深度以下挡土墙基础仍存在较厚的软土层；水泥搅拌桩工艺较简单，适用范围广，经综合考虑推荐采用水泥土搅拌桩地基处理方案。

根据工程实际情况，挡土墙底部水泥土搅拌桩采用矩型布置，桩径70 cm，桩长10 m，桩间距1.2 m×1.2 m。桩顶设置褥垫层，褥垫层采用0.3 m厚、粒径不大于20 mm的碎石。

3.2 水泥土搅拌桩计算

3.2.1 单桩竖向承载力计算

单桩竖向承载力特征值（Ra）应通过现场载荷试验确定。初步设计按式（1）估算，是由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，并应同时满足由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力小于（或等于）由桩身材料强度确定的单桩承载力，即式（2）的要求：

式中，fcu：与搅拌桩水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7 mm的立方体）在标准养护条件下90 d龄期抗压强度，kPa；

η：桩身强度折减系数，取0.3；

up：桩的周长，m；

n：桩长范围内所划的土层数；

qsi：桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；

li：桩长范围内第i层土的厚度，m；

qp：桩尖地基土未修正的承载力特征值，kPa，取150 kPa；

α：桩尖天然地基土的承载力折减系数，取0.4；

根据以上公式，由式（1）计算单桩竖向承载力特征值为243 kN；由式（2）计算单桩竖向承载力特征值为288.7 kN；单桩竖向承载力特征值取243 kN。

为充分发挥桩间土的承载力和复合地基的潜力，应使土对桩的支承力与桩身强度所确定的单桩承载力接近，通常后者略大于前者较为安全和经济。上述计算结果，由桩身材料强度确定的单桩承载力288.7 kN大于由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力243 kN，满足要求。

3.2.2 复合地基承载力特征值计算

处理后的复合地基承载力特征值按以下公式计算：

fspk＝m・（Ra/Ap）＋β・（1－m）・fsk （3）

式中，fspk：复合地基的承载力标准值；

m：面积置换率，计算得m＝0.266；

Ap：桩的截面积；

fsk：桩间天然地基土承载力标准值，取100 kPa；

β：桩间土承载力折减系数，当桩端土木经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.1～0.4，取0.1；

Ra：单桩竖向承载力标准值，Ra＝243 kPa。

根据式（3）计算出复合地基承载力特征值fspk＝175.6 kPa，满足挡土墙地基承载力要求。

3.3 复合地基沉降变形计算

竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1与桩端下未加固土层的压缩变形S2。

3.3.1 搅拌桩复合土层的压缩变形S 1按下式计算

S1＝（pz＋pzl）l/2Esp （4）

Esp＝mEp＋（1－m）Es （5）

式中，pz：搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，kPa，pz＝153 kPa；

pzl：搅拌桩复合土层底面的附加压力值，kPa，pzl＝153 kPa；

Esp：搅拌桩复合土层的压缩模量，kPa；计算得Esp＝71 683 kPa；

Ep：搅拌桩的压缩模量，kPa，取Ep＝250 000 kPa；

Es：桩间土的压缩模量，kPa，取桩长范围内土的加权平均压缩模量，计算得Es＝6 900 kPa。

由式（4）和式（5）计算得搅拌桩复合土层的压缩变形S1＝21.4 mm。

3.3.2 桩端下未加固土层的压缩变形S 2计算

压缩变形S2采用分层总和法进行计算，计算公式：

式中，s：地基总沉降量，mm；

φs：沉降计算经验系数，取1.1；

s′：按分层总和法计算的地基沉降量，mm；

n：地基压缩范围内所划分的土层数；

P0：对应于荷载长期效应组合时的基础底面处附加应力，kPa，取153 kPa；

Esi：基础底面下第i层土的压缩模量，MPa；

zi、zi－1：基础底面第i层土、第i－1层土底面的距离，m；

、：基础底面计算点至第i层土、第i－1层土底面范围内平均附加应力系数。

经计算，桩端下未加固土层的压缩变形S2＝13.6 mm。复合地基沉降变形计算总沉降量S＝S1＋S2＝35 mm，满足规范要求。

4 结束语

在水利工程中，挡土墙的应用更为广泛。挡土墙设计时，应进行详细地调查、勘测，确定构造物的形式与尺寸，运用合适的理论计算土压力，并进行稳定性和截面强度方面的验算，采取合理、可行的措施，以保证挡土墙的安全性。

参考文献：

［1］齐文君.用土工织物加固挡土墙软土地基的方法［J］.水利科技与经济，2005（07）.

［2］王清生.某挡土墙加固设计解析［J］.工程建设与设计，2007（03）.

Hydraulic Engineering Retaining Walls in Soft Soil Reinforcement Design

Zhu Haiqing

Abstract: The retaining wall is a widely used in the hydraulic engineering structures can be used to stabilize the embankment and cutting slope to reduce the amount and covers an area of earth and stone works, to prevent water erosion roadbed, and often used in the remediation landslides, landslides roadbed diseases. Soft soil reinforcement design of retaining walls of a water conservancy project.

Key words: design of retaining walls; soft ground; mixing pile design; mixing piles computing; deformation calculation