水泥攪拌樁施工引起深層土體水平位移分析

王志豐+王亞瓊+謝永利

摘要：針對水泥攪拌樁施工時水泥漿的注入對周圍地層造成擾動，從而引起土體發(fā)生水平位移的問題，介紹了以柱形圓孔擴張理論為基礎(chǔ)的Chai方法及其計算步驟，應(yīng)用Chai方法分析了試樁C1，C2的現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：當(dāng)C1完工時，實測水平位移隨深度的改變而變化，水平位移最大值達到34 mm，樁底以下土體也會產(chǎn)生一定的水平位移；當(dāng)C2完工時，實測水平位移隨深度的變化趨勢與單樁（C1）施工情況的變化趨勢基本一致，水平位移最大值達到72 mm；Chai方法可以用于計算單根水泥攪拌樁施工的情況，而對于多樁施工情況，無法考慮施工順序和樁身強度的影響，產(chǎn)生較大的計算誤差；以土體水平位移不超過10 mm作為施工的安全控制值時，單根水泥攪拌樁施工對周圍環(huán)境的影響范圍大約為9 m。

關(guān)鍵詞：地基處理；水泥攪拌樁；現(xiàn)場試驗；水平位移；圓孔擴張理論；影響范圍

中圖分類號：TU472.5文獻標(biāo)志碼：A

Abstract： During the installation process of soilcement columns， the surroundings of ground would be disturbed due to injection of grout， which could cause significant lateral displacements of subsoils. Chais method and its calculation procedure， which was developed based on the theory of cylindrical cavity expansion， were introduced. Chais method was adopted to analyze the field test results of installing two soilcement columns （C1 and C2）. The results shows： after the construction of C1， the measured lateral displacements change with the variation of construction depth， and the maximum value can reach to 34 mm， and there are some lateral displacements under the bottom of column； when the installation of C2 is completed， the variation of measured displacements with depth is identical with the trend after the installation of C1， and the maximum value can reach to 72 mm. Chais method can be used to predict the lateral displacements caused by installing a single column， however there will be some discrepancy for the case constructing several columns due to that the effects of construction sequence and the column strength cannot be considered in Chais method. If the lateral displacement to be less than 10 mm is taken as safety control value， the influence range caused by the installation of single soilcement column is about 9 m away from the column center.

Key words： ground improvement； soilcement column； field test； lateral displacement； theory of cavity expansion； influence range

0引言

隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，水泥攪拌樁技術(shù)已經(jīng)在中國土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如高速公路建設(shè)中軟土路基的處理等[14]。水泥攪拌樁技術(shù)最早起源于日本，與其他混凝土樁不同[59]，其基本原理是將攪拌機械插入土層中，并注入水泥漿與土體攪拌混合，最終形成具有較高強度的水泥土樁[10]。水泥攪拌樁技術(shù)主要分為濕噴法和干噴法2種[11]，濕噴法施工時噴入的是液體狀水泥漿，而干噴法施工時噴入的是水泥粉。經(jīng)過多年的發(fā)展，各國學(xué)者在水泥攪拌樁復(fù)合地基承載性狀、沉降性狀等方面都取得了較多的研究成果。鄭剛等[12]通過單樁靜載試驗成果和復(fù)合地基荷載試驗成果，研究了軟土中水泥攪拌樁復(fù)合地基的承載特性。馬克生等[13]通過現(xiàn)場試驗研究了試樁與工程樁復(fù)合地基的確定方法。馬洪友等[14]通過多種工況下的水泥攪拌樁荷載試驗研究了復(fù)合地基的作用機理。閆超等[15]通過室內(nèi)模型試驗研究了添加土工格柵的水泥攪拌樁的水平承載特性。胡賀松等[16]通過現(xiàn)場試驗，分析了單樁復(fù)合地基與四樁復(fù)合地基的沉降變形特性。沈一帆等[17]通過顆粒流數(shù)值模擬方法探討了基坑支護中水泥攪拌樁水平位移的主要影響因素。Shen等[18]通過室內(nèi)試驗與理論分析相結(jié)合的方法研究了水泥攪拌樁與土體的相互作用機理。

事實上，水泥攪拌樁施工時會對周圍土層造成一定的擾動，如引起超靜孔隙水壓力及周邊土體變形等，然而目前這方面的研究成果相對較少，主要包括一些室內(nèi)試驗成果、現(xiàn)場試驗成果以及部分理論分析成果。沈水龍等[19]基于日本有明粘土的室內(nèi)試驗成果，分析了攪拌樁施工引起的孔隙水壓力的變化規(guī)律。關(guān)云飛等[20]利用圓孔擴張理論[21]，得到了攪拌樁引起土層中超靜孔隙水壓力的計算方法及變化規(guī)律。Chai等[22]基于柱形圓孔擴張理論，提出了適用于濕噴法和干噴法2種情況的水泥攪拌樁施工引起土體側(cè)向位移的方法（簡稱Chai方法）。

本文首先對Chai方法進行了概述，然后依托水泥攪拌樁的現(xiàn)場工程實例，研究了施工引起深層土體水平位移隨深度的變化規(guī)律。將實測水平位移與采用Chai方法得到的計算結(jié)果進行了對比，分別探討了Chai方法對于單樁和多樁施工情況下的適用性，并分析了水泥攪拌樁的施工影響范圍。

1Chai方法概述

水泥攪拌樁技術(shù)作為一種地基處理方法廣泛應(yīng)用于高速公路路堤建設(shè)中（圖1），其施工過程中由于注入了一定壓力的水泥漿（或水泥粉），引起地層內(nèi)部膨脹，從而對周圍土層造成擾動。這種膨脹引起的擾動可以近似認為等同于平面內(nèi)的圓孔擴張問題。

圖2給出了全無限空間的柱形圓孔擴張理論示意，其中，Ru為極限區(qū)半徑，Pu為圓孔極限壓力，Rp為塑性區(qū)半徑，σp為塑性區(qū)邊界處應(yīng)力，σr為徑向應(yīng)力，σθ為切向應(yīng)力，r為到圓心的距離。由圖2可知，平面內(nèi)圓孔受到外力作用發(fā)生膨脹，導(dǎo)致周邊形成塑性變形區(qū)與彈性變形區(qū)?；诖耍珻hai等提出了適用于濕噴法和干噴法2種情況的水泥攪拌樁施工引起土體側(cè)向位移的方法，具體計算公式如表1所示。

2工程概況

施工場地位于上海，在基坑開挖之前需要對周邊地層進行加固，擬采用干噴水泥攪拌樁工法。由于待開挖基坑周邊低層民房較多，為了防止水泥攪拌樁施工引起較大的土層變形，給周邊環(huán)境帶來不利影響，在施工之前進行了試樁以分析施工引起的深層土體水平位移情況。

2.1現(xiàn)場土質(zhì)條件

上海地層屬于典型的軟土地區(qū)，該區(qū)域地層的含水量較高，壓縮性較強，強度較低，滲透性較差，對于工程建設(shè)十分不利，因而在施工之前往往需要對軟土地基進行加固處理。表2給出了施工現(xiàn)場土體物理力學(xué)性質(zhì)的統(tǒng)計情況，其土層分布如下：①填土，該土層的厚度大致為2.5 m；②粉質(zhì)粘土，該土層厚度大致為4.5 m；③軟粘土，該土層厚度大致為11 m；④硬粘土，該土層厚度大致為4.5 m；⑤粉砂，土層剖面厚度/m重度γ/（kN·m-3）孔隙比e0含水量w/%填土2.520.00.7123.6粉質(zhì)粘土4.518.10.8328.3軟粘土11.017.61.2744.0硬粘土4.518.40.8732.0粉砂12.518.90.9037.0該土層厚度大致為12.5 m。

從表2可以看出，水泥攪拌樁試樁主要處于填土層和粉質(zhì)粘土層，離軟粘土層較近。圖3給出了粉質(zhì)粘土和軟粘土的顆粒級配曲線。由圖3可知，施工深度范圍以及距離較近區(qū)域的土層主要以細顆粒（粘粒和粉粒）為主。

3實測結(jié)果分析與討論

依據(jù)干噴法的注漿參數(shù)、設(shè)計樁徑以及Chai方法中的公式（2），可以得到該工程實例中Ru0取值為0.46 m。從Chai方法的公式可以發(fā)現(xiàn)，水平位移的主要控制參數(shù)為極限區(qū)和土層模量。事實上，由于Chai方法平面假設(shè)的局限性，對于單一均勻土層，若彈性模量上下相同，則計算出的水平位移應(yīng)當(dāng)沿深度不變。在該計算中，根據(jù)已有文獻關(guān)于上海類似土層的力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果選取[2324]：填土層模量為6.0 MPa，粉質(zhì)粘土層模量為3.0 MPa。

圖5給出了C1施工完成后的土體水平位移實測數(shù)據(jù)與計算值對比曲線。由圖5可知：實測水平位移隨深度的改變而變化，呈現(xiàn)出近似先增大后減小的規(guī)律，最大值約為34 mm，最大值的發(fā)生深度約在地表以下3 m處，位于粉質(zhì)粘土層中；樁底以下土體也會產(chǎn)生一定的水平位移，距離樁底越遠，位移實測值越小。此外，從圖5還可以看出，對于填土層和粉質(zhì)粘土層，采用Chai方法計算的結(jié)果均沿深度不變，總體上略小于實測值，其主要原因是Chai方法忽略了相鄰?fù)翆訉λ轿灰频南拗谱饔茫嬎阒形纯紤]土層模量沿深度的變化情況。

C2知：在2根試樁施工完成之后，水平位移實測數(shù)據(jù)隨深度改變而變化的趨勢與單樁施工情況的變化趨勢基本一致，呈現(xiàn)出近似先增大后減小的規(guī)律，最大值約為72 mm，最大值的發(fā)生深度約在地表以下3 m處，位于粉質(zhì)粘土層中；樁底以下的實測水平位移比單樁施工引起的水平位移要大，同時隨著距離樁底越遠，位移實測值越小。由圖7還可以看出，Chai方法得到的計算結(jié)果小于實測數(shù)據(jù)，并且計算誤差相對于單樁的情況增大了較多，主要原因是Chai方法對于多樁情況只能利用簡單的疊加原理，無法反映現(xiàn)實情況中水泥攪拌樁的施工順序與樁身強度對水平位移的影響。在C1先施工完成之后，水泥發(fā)生凝結(jié)硬化，攪拌樁強度高于周邊土體。因此，在C2施工期間，攪拌樁C1會限制土體在C1方向產(chǎn)生位移，將間接地增大土體在其他方向的位移。隨著水泥攪拌樁施工數(shù)量的增多，采用Chai方法得到的計算結(jié)果誤差也將逐漸增大。

根據(jù)該工程的施工參數(shù)與土體參數(shù)得到了單根水泥攪拌樁施工引起的深層土體位移隨樁心距離的變化曲線，如圖8所示?；诖耍梢詮乃轿灰频慕嵌忍接懰鄶嚢铇兜氖┕び绊懛秶?。由圖8可知，深層土體水平位移隨樁心距離的增大而快速減小，當(dāng)與樁心距離為1 m時，水平位移約為91.2 mm，而當(dāng)與樁心距離為10 m時，水平位移則減少為9.1 mm。采用文獻[26]關(guān)于水平旋噴樁施工影響范圍的分析思路，以水平位移不超過10 mm作為施工時的安全控制值，則不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)與樁心距離超過9 m時，深層土體水平位移將小于安全控制值，即表示水泥攪拌樁施工的影響范圍約為9 m。

4結(jié)語

（1）當(dāng)C1完工時，實測水平位移隨深度的改變而變化，呈現(xiàn)出近似先增大后減小的規(guī)律，最大值約為34 mm，最大值的發(fā)生深度約為地表以下3 m處，位于粉質(zhì)粘土層中。此外，樁底以下土體也會產(chǎn)生一定的水平位移，距離樁底越遠，位移實測值越??；當(dāng)C1和C2完工時，實測水平位移隨深度的變化趨勢與單樁（C1）施工情況的變化趨勢基本一致，也呈現(xiàn)出近似先增大后減小的規(guī)律，最大值達到72 mm左右，最大值的發(fā)生深度也位于粉質(zhì)粘土層中。此外，樁底以下的實測水平位移比單樁施工引起的水平位移要大，變化規(guī)律類似，距離樁底越遠，實測水平位移越小。

（2）Chai方法可以應(yīng)用于計算單根水泥攪拌樁施工的情況，而對于多樁施工的情況，由于其無法考慮施工順序的影響，產(chǎn)生的計算誤差也將逐漸變大。Chai方法只能計算對應(yīng)于樁身側(cè)邊土體的水平位移，而無法計算樁底以下（或樁頂以上）土體的水平位移。

（3）分析表明，以水平位移不超過10 mm作為施工時的安全控制值，則單根水泥攪拌樁施工對周圍環(huán)境的影響范圍約為9 m。水泥攪拌樁施工的影響范圍遠小于預(yù)制樁施工的影響范圍。未來可以結(jié)合考慮球形圓孔擴張理論與疊加理論以提出更接近現(xiàn)場實際的分析方法。

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