深層水泥土攪拌樁在深厚海相淤泥質(zhì)軟土中的應(yīng)用研究

吳寧

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

深層水泥土樁由于施工方便、環(huán)境擾動小及造價低廉等特點而被廣泛應(yīng)用于軟土地基處理中[1-5]。近年來，隨著我國港口建設(shè)的大力發(fā)展，在海相淤泥質(zhì)軟土地基上修建的港口工程項目及相關(guān)配套設(shè)施越來越多。海相淤泥質(zhì)軟土大多處于流塑性狀態(tài)，具有很大的孔隙比及含水量，壓縮性極大，再加上極小的滲透系數(shù)，在上部荷載作用下，容易產(chǎn)生很大的長期持續(xù)性沉降，從而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生破壞，影響正常使用[6-7]。

現(xiàn)有關(guān)于深層水泥土攪拌樁在海相淤泥質(zhì)軟土中的應(yīng)用研究較少，對于深層水泥土攪拌樁處理深厚海相淤泥質(zhì)軟土的效果及其工作特性不是十分清楚。本文以我國沿海某港口工程通港大道的深層水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理工程為依托，通過埋設(shè)土壓力盒、測斜管和沉降板等測試元件，開展深厚海相淤泥質(zhì)軟土中深層水泥土攪拌樁復(fù)合地基的現(xiàn)場監(jiān)測，討論深層水泥土攪拌樁處理深厚海相淤泥質(zhì)軟土的效果以及在路堤荷載作用下的長期工作特性，對比濕噴和干噴兩種攪拌樁施工工法在海相淤泥質(zhì)軟土中的效果。

1 現(xiàn)場試驗設(shè)計

1.1 工程概況

工程所在地廣泛分布著深厚的海相淤泥質(zhì)軟土。在通港大道的建設(shè)過程中，巖土工程勘察報告表明在埋深1.8~12.1 m的范圍內(nèi)存在著海相淤泥質(zhì)軟土，工程性質(zhì)極差（見表1）。在2.5 m高的路堤填土作用下，預(yù)計總沉降高達80 cm，不能滿足路堤填筑的沉降控制要求，因此擬采用深層攪拌樁對軟土地基進行處理。為了解深層攪拌樁應(yīng)用于海相淤泥質(zhì)軟土中的處理效果和比較干噴與濕噴工法的適用性，進行了試驗段的填筑，分別采用濕噴和干噴工法，通過埋設(shè)測試元件，對復(fù)合地基變形以及荷載傳遞規(guī)律進行監(jiān)測，對比了濕噴和干噴兩種工法對于海相淤泥質(zhì)軟土的處理效果，并討論了兩種工法對樁周軟土工程性質(zhì)的影響程度。初步設(shè)計的深層水泥土攪拌樁樁長13 m，打穿軟土層，按三角形分布，樁間距1.3 m，樁直徑為500 mm。干噴和濕噴工法的設(shè)計水泥用量相同，水泥摻入比均為15%。

表1 試驗場地的土層參數(shù)表Table1 Parameters of soil layers in test sites

1.2 試驗方案

在進行深層水泥土攪拌樁復(fù)合地基變形和荷載傳遞規(guī)律監(jiān)測時，埋設(shè)的主要監(jiān)測設(shè)備有沉降板、測斜管和土壓力盒。而在討論深層水泥土攪拌樁施工對樁周土工程性質(zhì)的影響時，使用的是鉆孔取樣法。試驗共分為A、B兩個斷面，分別采用干噴和濕噴兩種工法進行施工。兩個試驗斷面的儀器埋設(shè)方式類似，平面布置如圖1所示。

圖1 儀器埋設(shè)平面圖（單位：m）Fig.1 Plane graph of laying instruments（m）

具體的儀器埋設(shè)數(shù)量以及位置描述為：1）在路基的邊緣處埋設(shè)1塊沉降板和1根測斜管，其中測斜管長度為15 m，用以監(jiān)測地基邊緣處的沉降和深層水平位移；2）在路基中心處埋設(shè)1塊沉降板觀測復(fù)合地基中心處在填土荷載下的沉降；3） 在樁體以及土體表面對稱埋設(shè)2個土壓力盒，用以監(jiān)測在填土荷載作用下樁土豎向應(yīng)力的分布變化規(guī)律；4） 在深層水泥土攪拌樁施工完畢后28 d，在樁周土中鉆孔取樣，進行室內(nèi)試驗，分析樁體施工對于樁周土工程性質(zhì)的影響，鉆孔深度為20 m。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 地基變形

試驗段的路堤填筑，在30 d左右的時間將路堤填筑至了2.5 m高度，填筑速率較快。由深層水泥土攪拌樁復(fù)合地基的沉降曲線（圖2）可以看出，采用深層水泥土攪拌樁處理過的軟土地基，能滿足路堤快速填筑的要求。在迅速增加的上部荷載作用下，地基沉降穩(wěn)定增加，沒有出現(xiàn)突變情況，地基的整體穩(wěn)定性較好。采用雙曲線法進行的地基總沉降預(yù)測也可以看出，4塊沉降板所測出的地基總沉降均小于35 cm，剩余沉降均小于10 cm。即采用深層水泥土攪拌樁進行海相淤泥質(zhì)土處理之后，地基總沉降減少了一半以上，工后沉降也滿足高速公路相應(yīng)的工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。在沉降量的控制上，干噴工法要優(yōu)于濕噴工法。對于這一現(xiàn)象的分析，將在之后的荷載傳遞規(guī)律以及鉆孔取樣結(jié)果分析中做進一步的討論。

圖2 路基填筑過程的地基沉降圖Fig.2 The settlement curvesof composite foundation during embankment fill process

圖3 為路堤填筑完成時（30 d）復(fù)合地基的深層水平位移圖。此時地基變形已基本穩(wěn)定，這個時段的深層水平位移基本可以反應(yīng)復(fù)合地基的側(cè)向水平位移控制效果。由圖3可以看出：在2.5 m的填土作用下，最大深層水平位移僅為30 mm左右。采用深層水泥土攪拌樁能很好地控制海相淤泥質(zhì)軟土的深層水平位移。保證路堤填筑的穩(wěn)定性的同時，也減少了由于水平位移而引起的地基沉降量。同樣，采用干噴工法的地基水平位移控制效果要優(yōu)于濕噴工法。

圖3 復(fù)合地基深層水平位移圖Fig.3 Deep horizontal displacement of composite foundation

2.2 樁周土體性質(zhì)變化

圖4 施工前后樁周土含水率變化圖Fig.4 Thevariation of surrounding soil water content before and after column construction

圖5 施工前后樁周土壓縮模量變化圖Fig.5 The variation of surrounding soil compression modulus before and after column construction

圖4 和圖5為干噴法和濕噴法施工對于海相淤泥質(zhì)軟土性質(zhì)的影響規(guī)律。由于水泥與樁周土產(chǎn)生了一系列的化合反應(yīng)，因此在施工完成后樁周土的含水率有所下降。采用干噴法施工時，攪拌頭噴出的是水泥粉，而采用濕噴法施工時攪拌頭噴出的則是水泥漿。所以采用干噴法施工后，樁周土的含水率降低更多。而隨著含水率的降低，樁周軟土的壓縮模量有所提高。含水率降低越大，壓縮模量提高越多。因此，干噴法對于樁周軟土壓縮模量的提高效果相比濕噴法也更為明顯?？傮w來說，對于處理海相淤泥質(zhì)軟土，試驗結(jié)果表明采用干噴法能更好地降低樁周土的含水率，同時提高其壓縮模量，使得地基產(chǎn)生整體加固。這也可以用來解釋圖2和圖3的觀測結(jié)果，即為什么干噴法的變形控制效果要優(yōu)于濕噴法。

2.3 樁土應(yīng)力比

圖6為樁土應(yīng)力比隨填土高度的變化規(guī)律。隨著填土高度的增加，樁土應(yīng)力比隨之增大。樁土應(yīng)力比越大，說明有更多的填土荷載向樁體集中，有利于減少總沉降量。在整個填土過程中，采用干噴法的填土斷面樁土應(yīng)力比要大于采用濕噴法的填土斷面。這說明在含水量很高的海相淤泥質(zhì)軟土中，采用干噴法進行施工的成樁效果更好，樁體模量更高。

圖6 樁土應(yīng)力比圖Fig.6 Pile-soil stressratio

3 結(jié)語

對深層水泥土攪拌樁處理海相淤泥質(zhì)軟土的工程實例進行試驗分析，對比了濕噴和干噴兩種工法在海相淤泥質(zhì)軟土中的應(yīng)用，主要結(jié)論為：

1）深層水泥土攪拌樁處理海相淤泥質(zhì)軟土的效果較好，能有效控制沉降以及深層水平位移，保證路堤填筑的安全。

2）相比濕噴法，干噴法能有效減少樁周軟土的含水量并增加其壓縮模量。

3）相同填土高度情況下，干噴法場地的樁土應(yīng)力比大于濕噴法場地。說明干噴法的成樁效果較好。推薦在含水量較高的海相淤泥質(zhì)軟土地基處理中使用干噴法施工。

[1] 龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.GONG Xiao-nan.The theory and application in engineering of composite foundation[M].Beijing:China Architecture&Building Press,2002.

[2] 崔春義，李軍，欒茂田，等.帶墊層樁體復(fù)合地基工作性狀參數(shù)化數(shù)值分析[J].中國港灣建設(shè)，2009（6）：1-5.CUI Chun-yi,LI Jun,LUAN Mao-tian,et al.Parameterized numerical analysison workingperformanceof compositefoundation with piles and cushion[J].China Harbour Engineering,2009(6):1-5.

[3] 張渭波，周磊，張四化，等.復(fù)合地基沉降計算傳統(tǒng)方法參數(shù)取值研究[J].河南科學(xué)，2010，28（9）：1 161-1 163.ZHANG Wei-bo,ZHOU Lei,ZHANG Si-hua,et al.Study of the parametersfor thetraditional settlement calculation method of compositefoundation[J].Henan Science,2010,28(9):1 161-1 163.

[4] 麻勇，欒茂田.深層水泥攪拌法加固引橋地基效果分析[J].中國港灣建設(shè)，2012（4）：47-49.MA Yong,LUAN Mao-tian.Analysis on effect of cement deep mixing method for ground improvement for approaches[J].China Harbour Engineering,2012(4):47-49.

[5] 方育琪，張衛(wèi)國.我國水泥土攪拌樁施工技術(shù)現(xiàn)狀與改進[J].低溫建筑技術(shù)，2008，122（2）：123-124.FANG Yu-qi,ZHANG Wei-guo.The present situation and improvement of soil cement mixingpile in China[J].Low Temperature Architecture Technology,2008,122(2):123-124.

[6] 陳甦，李武，蔡正銀.循環(huán)荷載作用下淤泥質(zhì)黏土軟化試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2013（2）：21-25.CHENSu,LIWu,CAIZheng-yin.Experimental Study on silt clay tosoften under cyclic loading[J].China Harbour Engineering,2013(2):21-25.

[7] 楊勤林，王彥春，張靜，等.濱里海盆地鹽下構(gòu)造處理解釋一體化研究[J].物探與化探，2013，37（2）：323-327.YANG Qin-lin,WANG Yan-chun,ZHANG Jing,et al.The integratation for processing and interpretation of sub-salt structure in pre-caspian basin[J].Geophysical and Geochemical Exploration,2013,37(2):323-327.