水泥攪拌樁在公路軟弱地基樁板墻加固中的應(yīng)用

張為

（青海省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，西寧 810001）

1 引言

水泥攪拌樁是利用水泥材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基中就地將軟土和固化劑（漿液狀或粉體狀）強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(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、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質(zhì)地基。

然而在水泥攪拌樁發(fā)展過程中，通常研究的重點放在提高地基豎向承載力上面，而忽略了對其提高水平荷載的能力。隨著工程建設(shè)的發(fā)展需要，水泥攪拌樁提高水平承載能力和提高土體強度的作用日益得到重視與應(yīng)用，有時甚至成為主要處治手段，用以保證軟土邊坡的整體穩(wěn)定。某城市在建的過境公路下沉隧道敞開段下伏深厚層流塑狀軟黏土，主線K71+490～K71+518（下沉隧道敞開段）路段受周邊房屋及用地空間控制，設(shè)計時在主線路基右側(cè)設(shè)置了樁板式擋土墻，采用水泥攪拌樁方案對設(shè)置樁板墻路段軟弱地基進行了加固處理。

2 工程概況

某城市在建的過境公路下沉隧道敞開段下伏深厚層流塑狀軟黏土，主線K71+490～K71+518 路段需下挖9.2m 至主線路基設(shè)計標高，主線路基與右側(cè)輔道形成高9.2m 的直立邊坡。輔道右側(cè)為7 層樓房（樁基礎(chǔ)），距離輔道僅有1m，正常設(shè)置扶壁式擋土墻及其他支擋結(jié)構(gòu)將會造成該樓房拆遷。受周邊房屋及用地空間控制，本次設(shè)計在主線路基右側(cè)設(shè)置樁板式擋土墻橫斷面（見圖1）。

圖1 擋土墻橫斷面示意圖

根據(jù)鉆孔取樣試驗統(tǒng)計分析，從上至下地層依次為：①流塑性軟黏土：有機質(zhì)粉質(zhì)黏土為灰黑色，有機質(zhì)含量5.1%～7.8%，含水量36%，流塑狀，分布不規(guī)律，塑性指數(shù)為11 左右，層厚 9.2～10.7m。該層綜合參數(shù)建議 c=4kPa，φ=3.5°。②粉土：黃褐色，濕～很濕，中密，干強度一般，韌性低，無光澤，切面較粗糙，無搖振反應(yīng)，主要成分為粉粒，層厚8.3～9.8m。該層綜合參數(shù)建議c=5kPa，φ=16°。③中密圓礫：灰黃色，稍濕，中密，顆粒母巖成分以砂巖、板巖為主，強～中風(fēng)化，磨圓度一般，呈亞圓形，顆粒粒徑一般2～18mm，顆粒含量60%～70%，分選性一般，級配一般，充填以粉土、礫砂為主。該層綜合參數(shù)建議c=4kPa，φ=28°。

根據(jù)地勘報告及詢問當?shù)啬昀暇用?，以前此處為一水塘，后來因城市開發(fā)，水塘回填后形成現(xiàn)在流塑性軟黏土地基，流塑性軟黏土的存在成為影響樁板墻施工、樁板墻穩(wěn)定性及路基承載力的主要不利因素。

3 加固機理

水泥攪拌樁加固的基本原理是基于水泥加固土（以下簡稱水泥土）的物理化學(xué)反應(yīng)過程。但水泥土與混凝土的硬化機理有所區(qū)別。水泥在粗填充料中進行水解和水化作用是混凝土硬化的主要方式，所以混凝土凝結(jié)速度較快。由于水泥在水泥加固土中的摻量很小，水泥土是在有一定活性的介質(zhì)土的圍繞下進行水泥水解和水化反應(yīng)的，所以，土質(zhì)條件對加固土質(zhì)量有重要的影響。土體的物理力學(xué)性質(zhì)對水泥土攪拌均勻性的影響和對水泥土強度增加的影響是土質(zhì)條件對于加固土質(zhì)量的2 個主要影響方面。水泥土硬化需經(jīng)歷較長的時間，需要養(yǎng)護時間也較長，其強度增長的過程也較緩慢。水泥攪拌樁的物理化學(xué)反應(yīng)主要包括：

1）水泥的水解和水化反應(yīng)。

2）黏土顆粒與水泥水化物的作用。

3）碳酸化作用。

4 適用范圍

各種成因的飽和軟黏土最適合利用水泥攪拌樁處治。新填的超軟土、沼澤地帶的泥炭土、沉積的粉土和淤泥質(zhì)土等已廣泛利用水泥攪拌樁加固。目前，國內(nèi)許多工程中使用水泥攪拌樁加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高且地基承載能力標準值不大的土體。施工機械會隨著工程實踐的深入和工程經(jīng)驗的積累而不斷優(yōu)化改進，處治深度及適用的土質(zhì)范圍也在不斷擴大。

對擬采用水泥攪拌樁的工程，由于水泥攪拌樁適用處治的土體范圍有限，且以下因素對施工及處治效果影響較大，應(yīng)特別注意：

1）填土層的厚度和組成，特別是有地下障礙物。如大塊石對水泥土攪拌法施工速度有很大的影響，所以，必須清除大塊石等地下障礙物后再予施工。

2）土的含水量。水泥土配比相同時，其強度隨土樣的天然含水量降低而增大。當土的含水量在50%～85%之間變化時，含水量每降低10% ，水泥土強度可提高30% 。

3）有機質(zhì)含量。水泥水化反應(yīng)及水泥土的強度增長會受有機質(zhì)含量的影響，有機質(zhì)含量較高時會減緩水化反應(yīng)及增長強度。故對有機質(zhì)含量較高的土體應(yīng)予慎重考慮。對于有機質(zhì)含量較高的土體，為保證水泥土達到一定的樁身強度，應(yīng)適當加密攪拌樁間距，提高置換率和增加水泥摻入量。對于生活垃圾填土不應(yīng)采用水泥土攪拌法加固。

4）水質(zhì)分析。對地下水的酸堿度（pH）以及硫酸鹽含量等進行分析，pH 高、硫酸鹽含量高時，用水泥攪拌樁加固效果差。

5）塑性指數(shù)。水泥攪拌樁一般要求土體塑性指數(shù)小于25。當土的塑性指數(shù)I ＞25 時，水泥和土不易攪拌均勻。

5 復(fù)合地基等效強度

采用水泥攪拌樁加固后，復(fù)合地基的抗剪強度由土體的抗剪強度和水泥土樁體的抗剪強度2 部分組成，其等效強度用式（1）表示：

式中，η 為樁土面積置換率；τP為樁體抗剪強度，kPa；τS為地基土抗剪強度，kPa；τPS為復(fù)合地基抗剪強度，kPa。

水泥土的抗剪強度隨抗壓強度的增加而提高，水泥土的黏聚力 CP為抗壓強度 qu的 0.2～0.3 倍，內(nèi)摩擦角 φP在 20°～30°之間變化【1】。復(fù)合地基抗剪強度 CPS和 φPS分別按式（2）、式（3）計算：

式中，CPS為復(fù)合地基等效黏聚力；φPS為復(fù)合地基等效內(nèi)摩擦角；CS為加固前地基土黏聚力；CP為加固土樁樁身黏聚力，本次取200kPa；φP為加固土樁樁身內(nèi)摩擦角，取20°；φS為加固前地基土內(nèi)摩擦角。

6 設(shè)計方案

需處治路段下伏軟弱土含水量27%～36%，有機質(zhì)含量5.1%～7.8%，塑性指數(shù)為8.1～11，很適合利用水泥攪拌樁處治。

在樁板墻后即輔道路基范圍內(nèi)設(shè)置樁長為20m 的水泥攪拌樁，水泥攪拌樁按等邊三角形布置，樁間距S 為1.3m。此范圍設(shè)置水泥攪拌樁的目的如下：

1）通過水泥攪拌樁形成復(fù)合地基，提高土體強度，減小樁板墻樁后土壓力，進而減小樁板墻尺寸，同時，可以減小對樁嵌固段地基橫向承載力的要求。

2）由于流塑性軟黏土主要位于抗滑樁懸臂段，水泥攪拌樁處治后樁體才可挖孔施工，同時，防止樁體開挖后出現(xiàn)樁間溜塌，甚至產(chǎn)生整體滑移，影響周邊建筑。

3）水泥攪拌樁處治后才可滿足輔道路基地基承載力要求。

在樁板墻前即主線路基范圍內(nèi)設(shè)置樁長為20m 的水泥攪拌樁，水泥攪拌樁按等邊三角形布置，樁間距S 為1.3m。此范圍設(shè)置水泥攪拌樁的目的如下：

1）通過水泥攪拌樁形成復(fù)合地基提高抗滑樁嵌固段地基水平承載力，同時，提高抗滑樁嵌固段地基系數(shù)（水平方向），控制樁頂位移，防止樁頂位移過大無法正常工作。

2）水泥攪拌樁處治后才可滿足主線路基地基承載力要求。

受周邊房屋及用地空間控制，下伏深厚層流塑狀軟黏土的下沉隧道敞開段采取在主線路基右側(cè)設(shè)置樁板式擋土墻，以節(jié)約空間避免拆遷。

水泥攪拌樁樁間距為1.3m，攪拌樁面積置換率η 取16.7%，加固區(qū)位于流塑性軟黏土和濕～很濕粉土層內(nèi)，各土層加固后復(fù)合土體強度根據(jù)式（2）和式（3）計算可得復(fù)合地基土體強度指標（見表1）。

表1 加固區(qū)內(nèi)復(fù)合土體強度表

使用各土層加固后的復(fù)合土體強度指標見表1，經(jīng)理正巖土反復(fù)試算，當樁板墻樁間距為5.5m，樁長22m（懸臂段9.2m），樁截面采用1.8m×2.2m 時較好地符合安全、經(jīng)濟、適用的要求。經(jīng)計算：樁背側(cè)最大彎矩=6 270.133kN·m，距離樁頂14.055m；最大剪力=1 321.915kN，距離樁頂9.200m；樁頂位移=27mm。樁前土反力最大為：158.461kPa，離樁頂13.172m。

當設(shè)樁處沿滑動方向地面坡度小于8° 時，地基處的地基橫向承載力特征值可根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中公式13.2.8-2 計算【2】原狀土地基橫向承載力特征值（離樁頂 13.172m 處）為 38.739kPa（小于 158.461kPa，不滿足要求），水泥攪拌樁處治后地基橫向承載力特征值（離樁頂13.172m 處）為 747.206kPa（大于 158.461kPa，滿足要求）。

7 施工方案

實施水泥攪拌樁后不僅要滿足主線和輔道路基地基承載力要求，還需保證主線開挖后樁板墻的穩(wěn)定，避免因主線開挖導(dǎo)致抗滑樁失穩(wěn)，對周邊建筑產(chǎn)生不利影響。施工主要措施如下：

1）整平場地，清除地下障礙物。全斷面（主線、輔道）施工水泥攪拌樁，但在主線范圍內(nèi)，考慮敞開段主線設(shè)計標高線至地面的土體最后需挖出，故只需空鉆至主線路基設(shè)計標高后對其以下部分施工水泥攪拌樁，嚴禁下挖至主線設(shè)計標高后才施工水泥攪拌樁。

2）成樁28h 檢測通過后，方可進行樁板墻樁孔開挖，樁孔開挖應(yīng)選在有利季節(jié)施工，挖孔應(yīng)跳樁開挖，開挖土方不得直接堆填在基坑附近，以避免樁孔基坑外圍攪拌樁出現(xiàn)傾覆、剪切破壞等問題。

3）待樁板墻施工完并達到設(shè)計強度后，方可進行主線開挖。開挖全程需對地表及周邊重要建筑觀測點進行監(jiān)測，及時掌握施工過程中的變形動態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停工回填。

8 結(jié)語

本文通過某城市在建的過境公路下沉隧道敞開段下伏深厚層流塑狀軟黏土，采用了水泥攪拌樁方案對設(shè)置樁板墻路段進行了地基加固處理，提出了水泥攪拌樁處治軟弱地基，保證樁板墻穩(wěn)定性和路基地基承載力的設(shè)計方法及施工方案。通過計算分析，水泥攪拌樁可以較大地提高地基水平承載能力，希望能為加固類似工程的工程技術(shù)人員提供一些思路。