水泥攪拌樁在擋墻下軟土地基處理中的應(yīng)用

吳金耀

(福建省建專巖土工程有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福建沿海地區(qū)工程建設(shè)中常會遇到軟土地段，由于軟土強(qiáng)度低、壓縮性高，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性和流變性，若不加以處理就用作建筑地基，易造成沉降、側(cè)移等病害，嚴(yán)重影響工程建設(shè)的質(zhì)量[1]。為了提高軟土地基的強(qiáng)度，減少工程沉降和差異沉降，避免工程破壞，就須對軟弱地基進(jìn)行治理。按各種軟土的不同性質(zhì)以及厚度，處理軟土地基有很多不同的方法。本文結(jié)合軟土地基上的擋墻支護(hù)工程實(shí)例，通過理正軟件和有限元軟件驗(yàn)證分析水泥攪拌樁復(fù)合地基在軟土地基處理工程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 工程概況

工程位于閩侯縣青口鎮(zhèn)，場地原為荒地，西側(cè)有已建建筑，東側(cè)為一條小河穿過。因場地空間有限，建筑與河道之間采用重力式擋墻支護(hù)，擋墻高度為3.1m。

根據(jù)勘察報(bào)告，場地各巖土層情況如下：

雜填土：堆填時(shí)間小于3年，主要為回填殘積粘性土。

淤泥：埋藏在雜填土之下，深灰色，飽和、流塑狀態(tài)，含夾粉砂薄層，以及有機(jī)質(zhì)、腐植質(zhì)，層厚約5.70m～9.0m。

卵石：埋藏在淤泥之下，淺灰色、灰黃色，粒徑>20mm，含量≈62.3%，由各種巖性巖漿巖(凝灰熔巖巖、花崗巖等)組成，粒間充填粘性土、砂。

由于擋墻基礎(chǔ)落在淤泥層上，且附近有已建建筑，需要嚴(yán)格控制擋墻變形和地基土深層滑移。因場地淤泥天然含水量、孔隙比較大，不滿足承載力要求，且觸變性較大，所以需對淤泥層進(jìn)行地基處理。

2 地基處理方案

2.1 擋墻與建筑物地基處理比較

建筑物的地基處理在選擇地基處理方案時(shí)還應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和地基的共同作用，其地基處理是在建筑場地半無限空間內(nèi)的大面積地基處理。而擋墻下的地基處理，一般沿著擋墻的軸線，在擋墻下基礎(chǔ)應(yīng)力擴(kuò)散范圍內(nèi)有限空間的局部地基處理。擋墻的地基處理計(jì)算內(nèi)容基本與建筑物地基處理一致，但由于擋墻兩邊存在高低差，承受較大的水平力，因而除計(jì)算復(fù)核復(fù)合地基承載力外，還應(yīng)進(jìn)行地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2.2 處理方法比較

該工程淤泥層厚約5.70m～9.0m，若采用拋石擠淤或換填的處理辦法，則處理深度不夠；若采用塑料排水板和堆載預(yù)壓的處理方法，則工期較長；若采用振沖碎石樁或砂石樁進(jìn)行處理，由于淤泥的約束作用微弱，透水性差，成樁困難，樁徑較難控制，承載力提高幅度小，且工后沉降不易控制；若采用CFG樁、鉆孔灌注樁進(jìn)行處理，會產(chǎn)生嚴(yán)重的擠樁效應(yīng)，影響成樁質(zhì)量，造價(jià)較高。水泥攪拌樁處理利用水泥作為固化劑，通過攪拌，與原地基土形成復(fù)合地基，提高軟土地基承載力，減少地基沉降量。如李為華、王亮等基于工程實(shí)踐，闡述了水泥攪拌樁在加固軟土地基工程中應(yīng)用[2-4]，說明水泥攪拌樁復(fù)合地基在濱海地區(qū)、駁岸地帶已有成功的施工案例，該法具有可行性。同時(shí)，水泥攪拌樁具有施工方便、無噪聲、無振動(dòng)、無水泥漿廢水等污染特點(diǎn)，對周圍環(huán)境影響小，是現(xiàn)在比較提倡的綠色施工方法。

2.3 經(jīng)濟(jì)性比較

由于各種樁處理地基的樁距不同，假定樁長一致為9m，鉆孔灌注樁間距取為1.6m×1.6m；水泥攪拌樁采用三軸攪拌樁，3根樁一組，采用梅花形布置，間距1.0m；旋噴樁處理間距取為1.2m×1.2m；塑料排水板1.0m×1.0m +堆載預(yù)壓處理，則可以比較每延米擋墻地基處理單價(jià)，如表1所示。

表1 地基處理方法經(jīng)濟(jì)性比較

綜合比較，且根據(jù)該工程的實(shí)際情況，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基處理擋墻下的軟土地基，以提高其地基承載力[5-8]是比較經(jīng)濟(jì)、合理、可行的。

3 三軸水泥攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

建筑與河道之間采用重力式擋墻支護(hù)，根據(jù)擋墻底應(yīng)力大小和應(yīng)力擴(kuò)散范圍，擋墻基底采用樁徑0.65m的三軸水泥攪拌樁作為復(fù)合地基。該工程擋墻高度較小，采用三軸攪拌樁進(jìn)行地基處理，3根樁一組，采用梅花形布置，樁長取9m以穿透淤泥軟弱土層，進(jìn)入卵石層，如圖1所示。且在攪拌樁樁頂設(shè)置500mm厚碎石墊層，并在墊層中加設(shè)一道土工格柵起到均勻上部應(yīng)力和增大應(yīng)力擴(kuò)散角的作用。

圖1 水泥攪拌樁地基處理平面布置圖

樁間天然土特征值fsk=50kPa,樁身水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu=1MPa,樁間土承載力折減系數(shù)β=0.4,樁身折減系數(shù)η=0.25。樁端天然土承載力折減系數(shù):α=0.4。樁側(cè)土摩擦阻力特征值qsi=5kPa，樁端土阻力qp=2000kPa,參照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，復(fù)合地基承載力計(jì)算如下：

Ra=Up·qsi·li+α·Ap·qp=1004kN

Ra=η·fcu·Ap=252kN

攪拌樁的面積置換率m=單位長度范圍內(nèi)攪拌樁的面積/單位長度范圍內(nèi)地基處理的面積。

0.241

fspk=λm×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=74.54kPa復(fù)合地基承載力特征值:fspk=75.4kPa>75kPa，滿足設(shè)計(jì)承載力要求。

4 重力式擋墻設(shè)計(jì)

擋墻設(shè)計(jì)高度為3.1m，墻頂寬1.2m，擋墻底基礎(chǔ)寬度約2m，擋墻橫斷面圖如圖2所示。

圖2 擋墻橫斷面圖

擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算：在充分考慮擋土墻自重，墻后土壓力及墻后施工荷載共同作用下最不利情況的前提下，采用理正巖土分析軟件(理正6.5)計(jì)算，驗(yàn)算基底承載力、擋墻整體滑移穩(wěn)定性，具體內(nèi)容如下：

(1)地基驗(yàn)算

作用于基底的合力偏心距驗(yàn)算滿足:e=0.072≤0.250×2.050=0.512(m)；

墻趾處地基承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=74.933≤84.000(kPa)；

墻踵處地基承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=48.788≤91.000(kPa)；

地基平均承載力驗(yàn)算滿足:壓應(yīng)力=61.860≤70.000(kPa)。

(2)擋墻整體滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

水泥土C為50kPa，φ為30°；淤泥C為10.87kPa，φ為1.22°。

面積置換后的復(fù)合地基參數(shù)：

c=0.241×50+(1-0.241)×10.87=20.3

φ=0.241×30+(1-0.241)×1.22=8.155。

采用理正巖土計(jì)算軟件，按復(fù)雜土層穩(wěn)定計(jì)算，如圖3所示。

圖3 擋墻整體穩(wěn)定性分析圖

經(jīng)計(jì)算整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.302，滿足規(guī)范穩(wěn)定性要求。

(3)復(fù)合地基沉降計(jì)算

沉降計(jì)算采用半理論、半經(jīng)驗(yàn)的水泥土復(fù)合體壓縮量計(jì)算公式，即將攪拌樁連同樁間土視為一個(gè)整體，采用置換率加權(quán)作為復(fù)合地基模量，以此作為計(jì)算參數(shù)，再用單向壓縮的分層總和法求得S1。

Esp=mEp+(1-m)Es=3.86MPa

當(dāng)水泥攪拌樁復(fù)合地基承受上部基礎(chǔ)傳遞來的垂直荷載后，所產(chǎn)生的垂直沉降S包括樁土復(fù)合層本身的壓縮變形S1和樁土復(fù)合層底面以下天然地基土產(chǎn)生的沉降量S2，即:

S=S1+S2。

樁土復(fù)合體底面以下未加固土體壓縮變形按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的分層總和法進(jìn)行計(jì)算：

則復(fù)合地基總沉降為44.9mm，滿足工程需求。

5 MIDAS有限元模型的建立與分析

根據(jù)《福州市深基坑與建筑邊坡工程管理暫行規(guī)定》為保證基坑或邊坡設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果的可靠性，屬于地質(zhì)情況和周邊環(huán)境較復(fù)雜的邊坡，應(yīng)采用2套不同軟件進(jìn)行互校。下文采用MIDAS有限元軟件進(jìn)行建模分析復(fù)核。

場地土層自上而下分別為雜填土、淤泥和卵石，層厚2.9m、9m、6.1m，場地土層和復(fù)合地基均采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，由于擋墻在整個(gè)縱向上一致，選取擋墻橫斷面建立二維有限元模型，如圖4所示。

圖4 擋墻橫向剖面模型圖

參考相關(guān)資料[9-14]和勘察報(bào)告，取模型土層計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算土層參數(shù)取值

地基處理后的巖土參數(shù)取值按上文中置換后的復(fù)合地基參數(shù)：c=20.3，φ=8.155 。

在擋土墻自重，墻后土壓力及墻后施工荷載共同作用下，通過非線性靜力分析法和強(qiáng)度折減法(SRM)計(jì)算分析，用所得有限元分析結(jié)果與理正巖土軟件計(jì)算結(jié)果對比分析。

圖5是模型的最大剪應(yīng)變圖，其發(fā)生最大剪應(yīng)變處即是模型滑動(dòng)面處，從中可以看到模型整體滑動(dòng)面穿過水泥攪拌樁加固區(qū)，與理正巖土軟件計(jì)算滑動(dòng)面結(jié)果相符。經(jīng)數(shù)值分析計(jì)算整體穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.315，理正軟件計(jì)算整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.302，略大于理正軟件計(jì)算結(jié)果，都滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)。

圖5 最大剪應(yīng)變圖

從圖6模型的豎向沉降圖可看出，上部填土、淤泥層沉降較大，卵石層沉降較小，且擋墻右側(cè)沉降變形較大。這是因?yàn)樘钔?、淤泥壓縮性大，在施工荷載和自重影響下，有較大沉降；擋墻位置沉降變形較小，是由于擋墻底下淤泥與水泥發(fā)生反應(yīng)，生成水泥土加固體，提高了地基壓縮模量，減少地基沉降變形。擋墻頂位置的豎向沉降約為41.4mm，與按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的分層總和法計(jì)算沉降結(jié)果相符合。

圖6 豎向沉降圖

通過有限元分析結(jié)果與理正巖土軟件計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證可知，該工程設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果相對準(zhǔn)確，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基處理擋墻下軟土地基能較好地控制擋墻的沉降量，地基承載力可達(dá)到75kPa以上，且擋墻的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.30，滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，是可行的處理方法。

6 水泥攪拌樁復(fù)合地基質(zhì)量控制

由于水泥攪拌樁施工方法和施工質(zhì)量嚴(yán)重影響水泥攪拌樁強(qiáng)度以及復(fù)合地基的穩(wěn)定性，因而需加強(qiáng)水泥攪拌樁施工管理：

(1)設(shè)計(jì)前應(yīng)現(xiàn)場采集土樣，進(jìn)行處理地基土的室內(nèi)配方試驗(yàn)，以為設(shè)計(jì)選擇合適的水泥摻量、水泥土強(qiáng)度等參數(shù)；且正式施工之前，應(yīng)進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，通過檢測認(rèn)可后確定水灰比、噴漿量等技術(shù)參數(shù)作為正式施工的依據(jù)。

(2)由于河邊場地不平整，水泥攪拌樁施工前應(yīng)將現(xiàn)有場地地表水疏干，進(jìn)行場地回填、整平，鋪設(shè)工作墊層及砂石褥墊層，滿足機(jī)械行走要求后，方可打設(shè)水泥攪拌樁。

(3)施工中加強(qiáng)水泥攪拌樁質(zhì)量控制：①確保原材料質(zhì)量；②確保攪拌樁數(shù)量和樁長；③確保水泥摻入量和樁土置換率；④保證攪拌均勻性。

(4)水泥攪拌樁施工完后，應(yīng)采用鉆取樁芯的方式檢驗(yàn)水泥土攪拌樁的樁身強(qiáng)度和復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)檢測地基承載力，以確保其攪拌樁強(qiáng)度和穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

該工程按上述方案進(jìn)行軟基處理后，竣工已近3年，現(xiàn)場未見明顯的差異沉降和側(cè)移。采用水泥攪拌樁復(fù)合地基基本解決了該工程在淤泥軟弱土層上沉降和滑移問題，取得了設(shè)計(jì)所要的處理效果。對于工期不緊的工程，采用水泥攪拌樁進(jìn)行軟基處理是為經(jīng)濟(jì)、可行的方法，為今后類似工程提供參考。