淺談攪拌樁復(fù)合地基抗滑穩(wěn)定計(jì)算的強(qiáng)度參數(shù)取值

(中山市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，廣東 中山 528400)

1 引 言

軟土地基堤防、路基、基坑等工程的整體穩(wěn)定是其設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。由于軟土的抗剪強(qiáng)度低，如不通過(guò)適當(dāng)?shù)牡鼗幚恚擃?lèi)型工程的整體穩(wěn)定安全系數(shù)往往難以達(dá)到規(guī)范要求。采用攪拌樁加固軟土地基以提高其整體穩(wěn)定性是目前國(guó)內(nèi)普遍采用的一種地基處理方法；然而，由于部分工程攪拌樁布置和設(shè)計(jì)、強(qiáng)度參數(shù)的取值不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致用攪拌樁加固的軟土地基不能達(dá)到預(yù)期效果，甚至發(fā)生地基失穩(wěn)等工程事故。

2 攪拌樁加固軟土地基原理、樁身強(qiáng)度和設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1 加固原理

攪拌樁是采用水泥等膠凝材料作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機(jī)將固化劑噴入土體并充分?jǐn)嚢瑁袒瘎┖蛙浲林g所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的加固體。攪拌樁屬于有黏結(jié)強(qiáng)度加強(qiáng)體，但其剛度不高，工程界大都將之劃歸于半剛性樁的范疇。

攪拌樁加固軟土地基的原理是以攪拌樁為加固體，加固體和原狀土共同作用，形成復(fù)合地基，以提高復(fù)合土體的承載能力，從而提高地基的整體穩(wěn)定性。因此，采用攪拌樁加固軟土地基的關(guān)鍵是要形成攪拌樁復(fù)合地基，使復(fù)合地基樁體與土體共同承擔(dān)豎向和水平荷載。

2.2 樁身強(qiáng)度

攪拌樁固化劑的類(lèi)型、強(qiáng)度、摻入比和齡期等直接影響攪拌樁的樁身強(qiáng)度。

國(guó)內(nèi)攪拌樁多采用水泥作為固化劑，近年采用GS土體硬化劑等其他材料作為攪拌樁固化劑在攪拌樁加固地基中也逐步得到了推廣。根據(jù)《GS土體硬化劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ 08-2082—2017)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)相同摻量的GS土體硬化劑加固土和水泥土，14天、28天、90天齡期時(shí)，GS土體硬化劑加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為水泥土的1.3～1.4倍、1.5～1.9倍和1.6～2.1倍；摻入8%、10%、13%的GS土體硬化劑加固土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，分別可以達(dá)到摻入10%、13%、16%的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的效果。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)的分析，采用水泥作為固化劑時(shí)，水泥強(qiáng)度提高10MPa，水泥土攪拌樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度約增加20%～30%；如要求達(dá)到相同的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水泥強(qiáng)度提高10MPa后可降低水泥摻入比2%～3%。

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)的分析，當(dāng)水泥摻入比在10%～20%之間時(shí)，水泥土攪拌樁的強(qiáng)度與齡期大致呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為：fcu1/fcu2=(aw1/aw2)1.77；這與《地基處理手冊(cè)》分析所得出的在28天齡期時(shí)，qu1/qu2=(aw1/aw2)1.6的結(jié)論基本一致。

2.3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.3.1 攪拌樁的平面布樁方式和長(zhǎng)度

常見(jiàn)的攪拌樁加固軟土地基的平面布樁方式有柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等。由于攪拌樁屬于脆性材料，其抗壓強(qiáng)度高，抗拉和抗剪強(qiáng)度低，因此在以提高地基豎向承載力為主要加固目的的攪拌樁軟土地基加固中，只要加固區(qū)的面積置換率達(dá)到要求，采用何種布樁方式均可；但對(duì)于在以提高地基水平向抗剪承載力為主要加固目的的攪拌樁軟土地基加固中(如堤防、路基、邊坡整治、重力式水泥土墻等)，如采用柱狀、壁狀布樁等方式，容易因水平力的作用導(dǎo)致地基中的部分樁體先斷裂，并逐漸形成連續(xù)滑動(dòng)面的破壞現(xiàn)象，從而形成多米諾骨牌效應(yīng)，地基整體失穩(wěn)破壞，釀成工程事故。因此，建議采用攪拌樁加固軟土地基設(shè)計(jì)時(shí)盡量采用格柵狀或塊狀布樁，慎重采用較低面積置換率的柱狀或壁狀布樁方式。格柵狀布樁時(shí)格柵格內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)寬比宜控制在2.0以?xún)?nèi)；格柵狀或塊狀布樁時(shí)樁與樁之間可采用搭接的方式，也可適當(dāng)咬合。

為達(dá)到提高軟土地基抗滑穩(wěn)定性的加固目的，對(duì)為提高抗滑穩(wěn)定性而設(shè)的攪拌樁，樁頂宜平齊軟土地基頂面、樁底宜穿透軟土層或超過(guò)加固后最危險(xiǎn)滑弧以下至少2m。

2.3.2 攪拌樁沿樁身豎向的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

與以豎向承載為主的攪拌樁不同，對(duì)以提高抗滑穩(wěn)定性而設(shè)的攪拌樁，設(shè)計(jì)希望加固區(qū)的攪拌樁沿樁身從上到下均有較大的強(qiáng)度，以確保加固區(qū)攪拌樁能承擔(dān)較大的荷載。因此當(dāng)攪拌樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)，不宜沿樁身豎向采用變摻量設(shè)計(jì)減小樁身下部固化劑摻量，也不宜采用長(zhǎng)短樁相結(jié)合的形式，否則可能因樁身下部強(qiáng)度不足而導(dǎo)致地基失穩(wěn)破壞。

由于以提高抗滑穩(wěn)定性而設(shè)的攪拌樁，為防止樁土的剛度相差過(guò)大而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，一般樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度并不高，而其面積置換率卻相對(duì)較大，因此為降低成本、節(jié)約水泥，可采用32.5級(jí)的水泥作為固化劑，其摻入比可為7%～12%。

3 攪拌樁復(fù)合地基抗滑穩(wěn)定計(jì)算強(qiáng)度參數(shù)的取值

目前國(guó)內(nèi)計(jì)算復(fù)合地基整體穩(wěn)定的方法基本都是采用圓弧滑動(dòng)法，攪拌樁加固軟土地基的整體穩(wěn)定計(jì)算也不例外。攪拌樁加固軟土地基后，使加固區(qū)復(fù)合土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ值提高，從而達(dá)到提高整體穩(wěn)定性的目的。

3.1 C和φ的取值

根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)，攪拌樁樁身的內(nèi)摩擦角φ=20°～24°，樁身強(qiáng)度高時(shí)取高值，否則取低值；攪拌樁樁身的粘聚力C可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中C——抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力，kPa;

φ——內(nèi)摩擦角，(°)；

η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，干法可取0.2～0.3，濕法可取0.25～0.33；

fcu——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土塊(邊長(zhǎng)為70.7mm或50mm)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28天齡期的立方體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa。

根據(jù)《地基處理手冊(cè)》，對(duì)水泥土強(qiáng)度進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其粘聚力與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比值C/qu為0.2～0.3；其內(nèi)摩擦角φ在20°～30°之間。由此可見(jiàn)，不同文獻(xiàn)資料對(duì)攪拌樁樁身的內(nèi)摩擦角φ值取值均為20°～30°；而對(duì)攪拌樁樁身的粘聚力的取值方法卻不一致，但均是以攪拌樁樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。以中山市南朗鎮(zhèn)中心二河水閘工程(原狀淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°)為例，根據(jù)理論公式、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和土工試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，所得水泥攪拌樁樁身的粘聚力和內(nèi)摩擦角結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同方法計(jì)算的攪拌樁樁身的粘聚力和內(nèi)摩擦角結(jié)果

注：1.表中根據(jù)室內(nèi)加固土指標(biāo)，用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》公式理論計(jì)算粘聚力C時(shí)，取η=0.25、φ=24°計(jì)算。 2.表中根據(jù)樁身抽芯指標(biāo)，用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》公式理論計(jì)算粘聚力C時(shí)，取φ=24°計(jì)算。

由表1可知，利用室內(nèi)加固土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)公式理論計(jì)算的粘聚力指標(biāo)最大；利用樁身抽芯強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)公式和《地基處理手冊(cè)》理論推算的粘聚力指標(biāo)基本接近，且與土工試驗(yàn)直接測(cè)定的粘聚力指標(biāo)也相差不大；由于攪拌樁抗壓強(qiáng)度與試塊形狀、尺寸和齡期有關(guān)，因此由攪拌樁抗壓強(qiáng)度推求其粘聚力的影響因素較多，導(dǎo)致粘聚力的取值受到影響。由表1還可知，《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)推薦的內(nèi)摩擦角經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)最?。弧兜鼗幚硎謨?cè)》推薦的內(nèi)摩擦角經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)最相對(duì)較大，但均比土工試驗(yàn)直接測(cè)定的內(nèi)摩擦角指標(biāo)偏小。

因此，對(duì)攪拌樁的粘聚力和內(nèi)摩擦角的取值，建議可在具有充分的土工實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上，逐步由以目前的理論公式推求為主向以實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主的方向轉(zhuǎn)變，避免理論公式推求帶來(lái)的偏差。

3.2 攪拌樁加固區(qū)復(fù)合土體的等效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)，攪拌樁加固區(qū)復(fù)合土體的等效強(qiáng)度指標(biāo)可按式(2)、式(3)計(jì)算：

C=mc1+(1-m)C2

(2)

(3)

式中C——復(fù)合土體的粘聚力，kPa；

m——面積置換率；

C1、C1——攪拌樁樁身、樁間土體的粘聚力，kPa；

φ——復(fù)合土體的內(nèi)摩擦角，(°)；

φ1、φ2——攪拌樁樁身、樁間土體的內(nèi)摩擦角，(°)；

K1、K2——攪拌樁樁身、樁間土體的剛度，kN/m；

β——樁的沉降與樁周土沉降之比，一般可取β=0.5，對(duì)剛性基礎(chǔ)β=1.0。

根據(jù)《地基處理手冊(cè)》，攪拌樁加固區(qū)復(fù)合土體的等效強(qiáng)度指標(biāo)可按式(4)、式(5)計(jì)算：

C=mC1+(1-m)C2

(4)

tanφ=mtanφ1+(1-m)tanφ2

(5)

由以上計(jì)算公式可知，攪拌樁加固區(qū)復(fù)合土體的等效強(qiáng)度指標(biāo)與攪拌樁樁身和樁間土的粘聚力和內(nèi)摩擦角直接相關(guān)；復(fù)合土體的等效粘聚力計(jì)算公式一致，僅與攪拌樁樁身、樁間土的粘聚力及面積置換率有關(guān)；而等效內(nèi)摩擦角計(jì)算公式不同，且《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)的計(jì)算公式中不但與攪拌樁樁身和樁間土的內(nèi)摩擦角有關(guān)，還與樁身、樁間土的剛度和沉降比有關(guān)，計(jì)算比較復(fù)雜。經(jīng)過(guò)對(duì)中山市南朗鎮(zhèn)中心二河水閘工程(原狀淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°)進(jìn)行試算，其等效粘聚力和內(nèi)摩擦角詳見(jiàn)表2和圖1。

表2 不同方法計(jì)算的復(fù)合地基的等效粘聚力和內(nèi)摩擦角結(jié)果

續(xù)表

注：1.表中計(jì)算時(shí)攪拌樁fcu=1.2MPa，η=0.25，φ=20°；淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°。

2.當(dāng)面積置換率較小(如小于10%)時(shí)，可能并不能形成復(fù)合地基，表中所列置換率數(shù)據(jù)僅為反映兩種公式計(jì)算的φ值不同所用。

圖1 不同方法計(jì)算的復(fù)合地基的等效內(nèi)摩擦角曲線(xiàn)

由表2和圖1可知，如采用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)的計(jì)算公式計(jì)算復(fù)合地基等效內(nèi)摩擦角，在面積置換率為0%和100%的極端情況時(shí)，計(jì)算結(jié)果與《地基處理手冊(cè)》的計(jì)算結(jié)果一致，其余情況的結(jié)果均偏大，且在面積置換率為16%～40%區(qū)間偏大較多。

因此，為確保工程安全，對(duì)攪拌樁加固區(qū)復(fù)合地基內(nèi)摩擦角的取值，宜采用《地基處理手冊(cè)》的計(jì)算方法；如采用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取值，設(shè)計(jì)取值時(shí)應(yīng)根據(jù)攪拌樁的面積置換率、工程的重要性等綜合分析，除以必要的安全系數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

在采用攪拌樁加固軟土地基以提高地基整體穩(wěn)定的工程中，建議：

a.優(yōu)先采用格柵狀或塊狀的布樁方式使加固區(qū)攪拌樁與原狀土形成復(fù)合地基共同受力，盡量提高地基處理的面積置換率。為達(dá)到處理效果，攪拌樁的處理深度宜穿透軟土層或超過(guò)加固后最危險(xiǎn)滑弧以下至少2m，攪拌樁沿樁身豎向等強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

b.在進(jìn)行地基抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，一方面，對(duì)攪拌樁的粘聚力和內(nèi)摩擦角的取值宜以目前的理論公式推求為主向以實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主的方向轉(zhuǎn)變，盡量采用土工實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取值，避免理論公式推求帶來(lái)的誤差；另一方面，對(duì)攪拌樁加固區(qū)等效粘聚力和內(nèi)摩擦角取值宜采用《地基處理手冊(cè)》的計(jì)算方法；如采用《廣東省海堤工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(DB44/T 182—2004)的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)取值時(shí)應(yīng)根據(jù)攪拌樁的面積置換率、工程的重要性等因素綜合分析，除以必要的安全系數(shù)。