雙向水泥土攪拌樁加固復(fù)合地基邊坡穩(wěn)定性研究

王小健

摘 要：長(zhǎng)江下游新三角洲平原工程地質(zhì)區(qū)，廣泛存在著新近沉積的深厚超軟土地基，其中淤泥和淤泥質(zhì)土層厚度可達(dá)幾十米，必須采用一定的地基處理方法來(lái)提高地基強(qiáng)度以降低工后沉降量。本文以楊林塘船閘工程為依托，采用雙向水泥土攪拌樁加固方法進(jìn)行地基處理，采用條分法分析了不同工藝對(duì)雙向水泥土攪拌樁加固復(fù)合地基穩(wěn)定性的影響。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，雙向水泥土攪拌樁采用“四攪三噴”、“框型攪拌頭”施工工藝，加固效果很好，邊坡穩(wěn)定性最佳，可為今后類似工程提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水泥土攪拌 復(fù)合地基 穩(wěn)定性

1.引言

江蘇沿海分布著許多重要的濱海城市，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)之一，也是我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)最密集的地區(qū)，特別是近幾年的大規(guī)模航道整治、船閘、高速公路、大型港口碼頭等工程建設(shè)，對(duì)軟土地基處理技術(shù)提出更高要求。長(zhǎng)江下游新三角洲平原工程地質(zhì)區(qū)，廣泛存在著新近沉積的深厚超軟土地基，在軟基上開挖并加高地面形成放大堤，大堤邊坡穩(wěn)定性不足，若軟基處理不當(dāng)，將會(huì)嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和使用功能，甚至造成工程事故，因此必須采用一定的地基處理方法來(lái)提高地基強(qiáng)度以及減小工后沉降量。

國(guó)內(nèi)常用的軟土地基處理技術(shù)主要包括兩大類：排水固結(jié)法和復(fù)合地基法。堆載預(yù)壓、降水預(yù)壓以及真空預(yù)壓方法等都是屬于排水固結(jié)法，可起到加快排水固結(jié)的作用，但是不能減少總沉降量，因?yàn)樵谟邢薜臅r(shí)間之內(nèi)，工后沉降大；復(fù)合地基法又分為剛性復(fù)合地基（如CFG樁、PHC樁等）和柔性復(fù)合地基（如砂樁、二灰樁和水泥土攪拌樁等），剛性復(fù)合地基由于加固效果好、加固質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地控制工后沉降，但一般樁基造價(jià)高，地基處理工程投資大。而柔性樁復(fù)合地基造價(jià)相對(duì)較低，但是沉降控制效果相對(duì)差，且加固深度有限，對(duì)于深厚軟土地基加固效果較差，工后沉降難以滿足工程要求。

水泥土攪拌法是用于加固飽和軟粘土地基的一種有效方法，它將噴射水泥漿形成的柱體稱為濕噴樁或?qū)姌痘蛏顚訑嚢铇?，而將噴射水泥粉形成的柱體稱為粉噴樁，二者統(tǒng)稱為水泥土攪拌樁，或稱為深層攪拌樁。水泥土攪拌法具有振動(dòng)小、噪音低、無(wú)污染、速度快、施工機(jī)械簡(jiǎn)單、施工效率高和造價(jià)相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)，因此在船閘、航道整治、港口碼頭、市政工程、高速公路等軟土地基處理加固方面得到了大量推廣應(yīng)用。

大量實(shí)踐表明，水泥土攪拌樁在實(shí)際施工工程中也出現(xiàn)諸多問題：比如攪拌不均勻、樁身不連續(xù)現(xiàn)象，導(dǎo)致樁身強(qiáng)度過低；處理深度偏淺，一般在8～12m，最深不超過15m；水泥漿上浮等現(xiàn)象。因此，改進(jìn)水泥土攪拌樁技術(shù)加固深厚軟土地基（特別是超過15m）是工程建設(shè)中需要迫切解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。針對(duì)以上存在的問題，東南大學(xué)劉松玉教授等在充分研究水泥土加固機(jī)理和影響水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量和樁身質(zhì)量因素基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年的探索，成功研制出雙向水泥土攪拌樁及施工工藝，并推廣使用。

本文以楊林船閘工程為依托，對(duì)雙向水泥土攪拌樁的樁身強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出攪拌樁強(qiáng)度參數(shù)，并采用條分法分析了不同工藝對(duì)雙向水泥土攪拌樁加固復(fù)合地基穩(wěn)定性的影響。

2.工程概況

長(zhǎng)江下游新三角洲平原工程地質(zhì)區(qū)，廣泛存在著新近沉積的深厚超軟土地基，其中淤泥和淤泥質(zhì)土層厚度可達(dá)幾十米。深厚超軟土地基主要由淤泥、淤泥質(zhì)土等土層構(gòu)成，其特點(diǎn)是含水率高，承載能力低，孔隙比大，壓縮性高，透水性低，抗剪強(qiáng)度低，靈敏度高等。

楊林船閘位于江蘇太倉(cāng)市瀏家港鎮(zhèn)，地理位置如圖1所示，楊林塘航道起自申張線上的巴城鎮(zhèn)，流經(jīng)蘇州市的昆山和太倉(cāng)，至長(zhǎng)江楊林口結(jié)束，整治前全長(zhǎng)約41km，是《江蘇省干線航道網(wǎng)規(guī)劃》“二縱四橫”的連申線蘇南段的重要組成部分，現(xiàn)狀為七級(jí)航道，規(guī)劃等級(jí)為三級(jí)。

楊林塘與長(zhǎng)江相連，受潮汐影響，楊林船閘下游（長(zhǎng)江側(cè)）航道屬于典型的感潮河段。

楊林塘船閘工程是在現(xiàn)有河道的北側(cè)新開挖航道工程，在航道的北側(cè)需要新建長(zhǎng)達(dá)1700m的長(zhǎng)江提防相連的防洪大堤。由于場(chǎng)地條件的限制，本工程大堤邊坡大致為1：3，在軟基上開挖并加高地面形成防洪大堤，大堤邊坡穩(wěn)定性不足。在綜合考慮北大堤邊坡加固措施和工程費(fèi)用的情況下，北大堤邊坡設(shè)計(jì)采用雙向水泥攪拌樁進(jìn)行超深厚軟土加固。

場(chǎng)區(qū)處于長(zhǎng)江新三角洲平原工程地質(zhì)區(qū)，區(qū)內(nèi)近40米以淺連續(xù)分布有淤泥、淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）粘土、淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）粘土夾粉砂薄層以及稍密～中密狀態(tài)粉砂。

本文進(jìn)行條分法計(jì)算的區(qū)域土層分布采用SK610鉆孔所得其土層及分布特征如下：

1-1（粉質(zhì)）粘土：灰色，可塑狀態(tài)為主，局部為粉土，中等壓縮性。近地表連續(xù)分布，層厚0.9～3.3米，表層土土質(zhì)不均。地基容許承載力f=120kPa。

1-2淤泥質(zhì)粘土：灰色，流塑狀態(tài)，高壓縮性，局部為淤泥，土性差。連續(xù)分布于1-1層表土層以下，層頂面埋深1.2～4.3米，一般厚度16.0～19.9米，該層為本區(qū)主要軟土層，是工程沉降和穩(wěn)定性的控制層位。地基容許承載力f=70kPa。

1-2b淤泥：灰色，流塑狀態(tài)，高壓縮性。分布于1-2層之間或，層厚1.5～9.0米不等。該層為區(qū)內(nèi)主要軟土層，是工程沉降和穩(wěn)定性的控制層位。地基容許承載力f=50kPa。

3.邊坡穩(wěn)定分析

3.1 雙向水泥土攪拌樁工藝改進(jìn)

優(yōu)化前雙向水泥土攪拌樁采用兩攪一噴施工工藝，攪拌鉆頭為直葉片如圖2；優(yōu)化后雙向水泥土攪拌樁的施工工藝采用四攪三噴工藝，攪拌鉆頭采用彎刀型和框型攪拌頭圖3、圖4。

3.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《楊林塘船閘勘察總說(shuō)明》和《楊林塘船閘工程施工圖設(shè)計(jì)總說(shuō)明》取得計(jì)算土層參數(shù)，見表1。endprint

水泥土的抗剪強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加而提高。當(dāng)？cu=0.30～4.0MPa時(shí)，其粘聚力c=0.10～1.0MPa，一般約為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的（20～30）%，其內(nèi)摩擦角變化在20～30度之間。本文中，水泥土的粘聚力均取無(wú)側(cè)限側(cè)限抗壓強(qiáng)度的20%，內(nèi)摩擦角分別取20°、25°和30°，重度均取20 kN/m3，試驗(yàn)水泥土攪拌樁參數(shù)如表2所示。

3.3水泥土攪拌樁復(fù)合地基密度和強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件，為了提高楊林船閘下游北大堤邊坡邊坡穩(wěn)定性，在邊坡不同的位置采取不同布置方式的水泥攪拌樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固，以提高軟土層1-2和1-2b的強(qiáng)度參數(shù)，從坡頂?shù)狡碌姿嗤翑嚢铇睹娣e置換率逐漸增大。其中A斷面水泥攪拌樁剖面圖如圖5所示，A斷面水泥攪拌樁平面布置圖如圖6所示。

根據(jù)A斷面水泥土攪拌樁平面布置圖，按照水泥土攪拌樁加固區(qū)不同的樁位布置形式，將水泥土攪拌樁加固區(qū)劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四個(gè)區(qū)域，各區(qū)域樁身長(zhǎng)度從圖2可知，各區(qū)域的面積置換率如表3所示。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基屬于柔性復(fù)合地基，置換率是復(fù)合地基的重要參數(shù)，可以根據(jù)復(fù)合地基的置換率計(jì)算加固區(qū)的等效密度和強(qiáng)度參數(shù)，水泥土攪拌復(fù)合地基密度和強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

根據(jù)各土層參數(shù)表1、各個(gè)水泥土攪拌樁參數(shù)表2和A斷面水泥攪拌樁面積置換率表3其中參數(shù)，按照上述公式可以計(jì)算得出優(yōu)化工藝前后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的水泥土攪拌樁復(fù)合地基密度和強(qiáng)度參數(shù)。

3.4 邊坡穩(wěn)定性影響因素

3.4.1北大堤重力式擋土墻對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

在計(jì)算模型中，重力式擋土墻的重度為24 kN/m3，重力式擋土墻后填土重度為20 kN/m3。將重力式擋土墻和素填土簡(jiǎn)化成分布荷載，只考慮自身荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，不考慮素填土和擋墻的抗剪強(qiáng)度提高邊坡穩(wěn)定性的作用，也就是認(rèn)為滑面形成時(shí)，會(huì)在填土中形成拉裂縫。

3.4.2地下水水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

根據(jù)工程水位與水位組合及水文地質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在施工過程當(dāng)中，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定有著顯著的影響。為了考慮地下水位變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，取坡頂外側(cè)以外的水位為恒定值，坡頂外側(cè)以內(nèi)由于工程施工采取的降水措施，使地下水位降低并形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，坡底水位取-5.25m，取堤壩外側(cè)最高處的壩頂對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為浸潤(rùn)線在滲流過程中形成的起始點(diǎn)，向外地下水位為水平線?？紤]由于降水作用，形成不同的坡外水位，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析。分析時(shí)，A斷面坡外最高地下水位取1.7m，每次分別降低1m。

3.5 邊坡護(hù)岸穩(wěn)定性分析

邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算方法有多種，如數(shù)值分析方法、塑性極限方法、條分法、可靠度方法和模糊數(shù)學(xué)方法等。目前，對(duì)于土質(zhì)邊坡來(lái)說(shuō)，為人們所熟知和廣泛討論的方法有條分法和有限元方法。條分法因?yàn)槠淞W(xué)模型簡(jiǎn)單適用，可對(duì)邊坡進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)，經(jīng)過長(zhǎng)期的工程實(shí)踐和不斷的完善和補(bǔ)充，己經(jīng)成為邊坡穩(wěn)定分析的成熟方法。因此本文選用條分法進(jìn)行復(fù)合地基邊坡穩(wěn)定性分析。

3.5.1條分法分析不同工藝加加固邊坡護(hù)岸

在取坡外最高地下水位為1.7m情況下，為了研究不同施工工藝加固邊坡護(hù)岸的效果，分別以第一次試驗(yàn)、彎刀型試驗(yàn)及框型試驗(yàn)進(jìn)行研究。第一次水泥土攪拌樁試驗(yàn)采用的是“兩攪一噴”和“直葉片”攪拌頭，彎刀型水泥土攪拌樁試驗(yàn)采用的是“四攪三噴”和“彎刀型攪拌頭”，框型水泥土攪拌樁試驗(yàn)采用的是“四攪三噴”和“框型攪拌頭”。

對(duì)比圖7和圖8，可以發(fā)現(xiàn)彎刀型水泥土攪拌樁試驗(yàn)的邊坡安全系數(shù)大于優(yōu)化前水泥土攪拌樁試驗(yàn)，相對(duì)于優(yōu)化前增加了42.4%，而優(yōu)化前試驗(yàn)的施工工藝明顯不能起到加固地基的作用。優(yōu)化前試驗(yàn)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上部從水泥土攪拌樁加固區(qū)外側(cè)穿過，下部從水泥土攪拌樁加固區(qū)的穿過，主要原因優(yōu)化前施工工藝只能對(duì)提高攪拌樁加固區(qū)上部0～6m土層抗剪強(qiáng)度，下部6m的以下的抗剪強(qiáng)度較低，使邊坡處于危險(xiǎn)狀態(tài)。改進(jìn)工藝后，彎刀型試驗(yàn)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上部仍然從加固外側(cè)穿過，下部從邊坡坡面穿出，主要原因是加固區(qū)上部土層的抗滑能力和第一次試驗(yàn)類似，而加固區(qū)下部由于工藝的改進(jìn)，下部樁體強(qiáng)度提高，同樣能達(dá)到與上部相同，同時(shí)水泥攪拌樁置換率從坡頂?shù)狡碌字饾u加大，Ⅰ和Ⅱ加固區(qū)的面積置換率高，其相應(yīng)的抗剪強(qiáng)度明顯高于Ⅲ和Ⅳ加固區(qū)。

對(duì)比圖8和圖9，可以發(fā)現(xiàn)使用框型攪拌頭工藝施工的水泥土攪拌樁進(jìn)一步加固邊坡穩(wěn)定性，邊坡安全系數(shù)增大至1.11，相對(duì)于優(yōu)化前試驗(yàn)安全系數(shù)提高了52%。同時(shí)，框型試驗(yàn)的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面未經(jīng)過水泥土攪拌樁軟土加固區(qū)，主要原因框型攪拌頭施工工藝能夠大幅度提高水泥土攪拌樁的抗剪強(qiáng)度，樁身強(qiáng)度上下均勻很好，大幅度提高軟土加固區(qū)安全性，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面不經(jīng)過雙向水泥土攪拌樁加固區(qū)，均能很好的達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5.2 地下水水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

為了研究地下水水位對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在水泥土攪拌樁采用“四攪三噴”、“框型攪拌頭”工藝下，分別計(jì)算不同地下水位時(shí)A斷面處最危險(xiǎn)滑動(dòng)面情況，如圖10至13所示。

對(duì)比上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著地下水位的下降，邊坡的安全系數(shù)逐漸提高，同時(shí)各個(gè)地下水水位下的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面基本沒有變化，均是從水泥土攪拌樁加固區(qū)外側(cè)穿過，主要原因就是水泥土攪拌樁加固區(qū)的抗剪強(qiáng)度高，不易發(fā)生滑動(dòng)。

4.結(jié)論

采用復(fù)合地基理論和極限平衡理論分析了不同工藝下雙向水泥土攪拌樁對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，可以得出以下結(jié)論：

（1）雙向水泥土攪拌樁采用“兩攪一噴”、“直葉片攪拌頭”工藝，下部樁身強(qiáng)度較低，最危險(xiǎn)滑動(dòng)從坡頂穿過加固區(qū)，從坡腳穿出，加固效果差，邊坡穩(wěn)定性很差。

（2）“四攪三噴”、“彎刀型攪拌頭”工藝優(yōu)于“兩攪一噴”、“直葉片攪拌頭”工藝，加固效果較好，邊坡穩(wěn)定性增加，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面從坡頂穿過加固區(qū)，從坡面穿出。

（3）水泥土攪拌樁采用“四攪三噴”、“框型攪拌頭”工藝優(yōu)于“四攪三噴”、“彎刀型攪拌頭”施工工藝，加固效果很好，邊坡穩(wěn)定性最佳，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面未經(jīng)過加固區(qū)。

（4）地下水水位對(duì)邊坡有著一定程度的影響，在施工期降水施工，可以提高邊坡穩(wěn)定性。

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