深層水泥攪拌法加固引橋地基效果分析

麻勇，欒茂田

（大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 116024）

0 引言

我國港口主要分布在沿海及河流的出海口，因此港口通常建設在以淤泥及淤泥質黏土為主的軟土地基上，軟土厚度一般為10～60m不等。這些土具有含水量高、孔隙比大、滲透性小、壓縮性大和抗剪強度低等不良的工程性質，普遍不能達到承載力要求。深層水泥攪拌加固技術作為一種高效的地基處理方法，在國內外各類工程中得到了廣泛使用。從1885年美國阿斯皮琴提出用硅酸鹽水泥作為注漿材料處理地基開始，深層水泥攪拌法伴隨著軟基加固研究不斷深入。我國自1977年從日本引入軟土地基深層攪拌加固技術的思想之后，進行了大量室內外試驗，同時積極研發先進的施工機械和相應的施工工藝，并先于國外將深層攪拌加固技術大量應用于工業與民用建筑物、市政工程和道路建設的軟基加固工程中，積累了大量的工程經驗，同時也形成了比較成熟的理論體系和施工工藝[1-4]。本文給出了深層水泥攪拌法在天津港某引橋地基加固工程的一個典型應用，并應用有限元法對其加固效果進行了分析。

1 工程概況

天津港某引橋工程采用深層水泥攪拌法進行地基加固[5-6]，引橋深層水泥攪拌加固體為塊式結構，長40.5m，寬4.4m。加固體使用525號普通硅酸鹽水泥，水泥摻量為310 kg/m3。引橋攪拌樁長18.5m，樁頂標高為+2.0m，底標高為-16.5m。攪拌樁布置示意如圖1所示。攪拌樁單樁樁徑為700mm，樁與樁之間搭接150mm，深層水泥攪拌加固體每隔9～10m設一道沉降縫，沉降縫兩側水泥攪拌樁相切。水泥攪拌樁設計樁身強度要求90d標準無側限抗壓強度為2.5MPa。

圖1 引橋拌合體結構圖

2 數值模擬

有限元模型中土體和加固體均采用莫爾-庫倫模型，其中加固體采用齡期為90 d時的強度參數，胸墻采用彈性模型。為了減小土體的邊界效應，土體深度延伸到加固體底面以下1倍加固體深度處，臨海側寬度取加固體寬度的3倍。在土體側向施加水平向約束，底部施加豎向和水平向約束，第一層淤泥質黏土表面初始孔隙水壓為2 kPa。結合地質勘察資料，有限元模型中采用的材料物理力學指標見表1，模型如圖2所示。

表1 有限元模型采用的材料物理力學指標

圖2 有限元模型

3 計算結果及分析

利用有限元法對引橋的施工過程進行模擬，計算出了加固體及周圍土體的變形、內部應力和孔隙水壓力。

引橋CDM攪拌體及周圍土體的變形云圖如圖3所示。

由結構體的變形云圖可知，攪拌體的側向變形為3～6 mm，豎向變形約為8mm，周圍土體的變形較攪拌體的變形大，充分證明了深層水泥攪拌加固法處理軟弱地基的有效性。

引橋CDM攪拌體及周圍土體孔隙水壓力云圖如圖4所示。由引橋CDM攪拌體及周圍土體孔隙水壓力云圖可以看出，由于胸墻施工完畢后回填土的作用，地基土中的孔壓有所上升，這與土力學理論是一致的。

為了獲得深層水泥攪拌加固體各種外力、內力、變形等變化規律，施工過程中埋設了大量土壓力、孔隙水壓力等監測儀器，對深層水泥攪拌加固工程進行全方位的現場監測，同時，該監測資料可以作為數值模擬的校核。

圖5為堆場側和臨海側土壓力的實測值、理論計算值及有限元計算值沿深度的分布曲線。

由圖5可知，在施工過程中深層水泥攪拌加固體的實測土壓力變化不大。可以按水土合算的朗肯主動土壓力估算堆場側土壓力的分布，按水土合算的靜止土壓力估算臨海側土壓力的分布。有限元的計算結果與實測值比較吻合。

實測攪拌體兩側地基土孔隙水壓力沿深度變化曲線和有限元計算所得孔隙水壓力沿深度變化曲線如圖6所示。

4 結語

深層水泥攪拌法應用于港口引橋地基加固具有較好的效果。有限元數值計算方法可以較好地模擬深層水泥攪拌法的加固效果。數值模擬表明，采用深層水泥攪拌法加固后，地基變形得到了很好的控制，加固效果顯著。土壓力在施工過程中變化不大，堆場側土壓力分布與按水土合算的朗肯主動土壓力相近，臨海側土壓力分布與按水土合算的靜止土壓力相近。

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