雙向水泥土攪拌樁加固復合地基邊坡穩定性研究

2017-11-10 23:28:20王小健

珠江水運 2017年19期

王小健

摘要：長江下游新三角洲平原工程地質區，廣泛存在著新近沉積的深厚超軟土地基，其中淤泥和淤泥質土層厚度可達幾十米，必須采用一定的地基處理方法來提高地基強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行地基處理，采用條分法分析了不同工藝對雙向水泥土攪拌樁加固復合地基穩定性的影響。通過對比發現，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，邊坡穩定性最佳，可為今后類似工程提供參考依據。

關鍵詞：水泥土攪拌復合地基穩定性

1.引言

江蘇沿海分布著許多重要的濱海城市，是我國經濟發達地區之一，也是我國基礎設施建設最密集的地區，特別是近幾年的大規模航道整治、船閘、高速公路、大型港口碼頭等工程建設，對軟土地基處理技術提出更高要求。長江下游新三角洲平原工程地質區，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，大堤邊坡穩定性不足，若軟基處理不當，將會嚴重影響工程質量和使用功能，甚至造成工程事故，因此必須采用一定的地基處理方法來提高地基強度以及減小工后沉降量。

國內常用的軟土地基處理技術主要包括兩大類：排水固結法和復合地基法。堆載預壓、降水預壓以及真空預壓方法等都是屬于排水固結法，可起到加快排水固結的作用，但是不能減少總沉降量，因為在有限的時間之內，工后沉降大；復合地基法又分為剛性復合地基（如CFG樁、PHC樁等）和柔性復合地基（如砂樁、二灰樁和水泥土攪拌樁等），剛性復合地基由于加固效果好、加固質量高等優點，能夠有效地控制工后沉降，但一般樁基造價高，地基處理工程投資大。而柔性樁復合地基造價相對較低，但是沉降控制效果相對差，且加固深度有限，對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將噴樁或深層攪拌樁，而將噴射水泥粉形成的柱體稱為粉噴樁，二者統稱為水泥土攪拌樁，或稱為深層攪拌樁。水泥土攪拌法具有振動小、噪音低、無污染、速度快、施工機械簡單、施工效率高和造價相對低等優點，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用。

大量實踐表明，水泥土攪拌樁在實際施工工程中也出現諸多問題：比如攪拌不均勻、樁身不連續現象，導致樁身強度過低；處理深度偏淺，一般在8～12m，最深不超過15m；水泥漿上浮等現象。因此，改進水泥土攪拌樁技術加固深厚軟土地基（特別是超過15m）是工程建設中需要迫切解決的關鍵技術問題之一。針對以上存在的問題，東南大學劉松玉教授等在充分研究水泥土加固機理和影響水泥土攪拌樁成樁質量和樁身質量因素基礎上，經過多年的探索，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，對雙向水泥土攪拌樁的樁身強度進行統計分析，得出攪拌樁強度參數，并采用條分法分析了不同工藝對雙向水泥土攪拌樁加固復合地基穩定性的影響。

2.工程概況

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

楊林船閘位于江蘇太倉市瀏家港鎮，地理位置如圖1所示，楊林塘航道起自申張線上的巴城鎮，流經蘇州市的昆山和太倉，至長江楊林口結束，整治前全長約41km，是《江蘇省干線航道網規劃》“二縱四橫”的連申線蘇南段的重要組成部分，現狀為七級航道，規劃等級為三級。

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

楊林塘船閘工程是在現有河道的北側新開挖航道工程，在航道的北側需要新建長達1700m的長江提防相連的防洪大堤。由于場地條件的限制，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，大堤邊坡穩定性不足。在綜合考慮北大堤邊坡加固措施和工程費用的情況下，北大堤邊坡設計采用雙向水泥攪拌樁進行超深厚軟土加固。

場區處于長江新三角洲平原工程地質區，區內近40米以淺連續分布有淤泥、淤泥質（粉質）粘土、淤泥質（粉質）粘土夾粉砂薄層以及稍密～中密狀態粉砂。

本文進行條分法計算的區域土層分布采用SK610鉆孔所得其土層及分布特征如下：

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

1-2淤泥質粘土：灰色，流塑狀態，高壓縮性，局部為淤泥，土性差。連續分布于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，該層為本區主要軟土層，是工程沉降和穩定性的控制層位。地基容許承載力f=70kPa。

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

3.邊坡穩定分析

3.1 雙向水泥土攪拌樁工藝改進

優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 計算參數

根據《楊林塘船閘勘察總說明》和《楊林塘船閘工程施工圖設計總說明》取得計算土層參數，見表1。endprint

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

3.3水泥土攪拌樁復合地基密度和強度參數

根據現場的地質條件，為了提高楊林船閘下游北大堤邊坡邊坡穩定性，在邊坡不同的位置采取不同布置方式的水泥攪拌樁對邊坡進行加固，以提高軟土層1-2和1-2b的強度參數，從坡頂到坡底水泥土攪拌樁面積置換率逐漸增大。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不同的樁位布置形式，將水泥土攪拌樁加固區劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四個區域，各區域樁身長度從圖2可知，各區域的面積置換率如表3所示。

水泥土攪拌樁復合地基屬于柔性復合地基，置換率是復合地基的重要參數，可以根據復合地基的置換率計算加固區的等效密度和強度參數，水泥土攪拌復合地基密度和強度計算公式如下：

根據各土層參數表1、各個水泥土攪拌樁參數表2和A斷面水泥攪拌樁面積置換率表3其中參數，按照上述公式可以計算得出優化工藝前后現場試驗的水泥土攪拌樁復合地基密度和強度參數。

3.4 邊坡穩定性影響因素

3.4.1北大堤重力式擋土墻對邊坡穩定性影響

在計算模型中，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化成分布荷載，只考慮自身荷載對邊坡穩定性的影響，不考慮素填土和擋墻的抗剪強度提高邊坡穩定性的作用，也就是認為滑面形成時，會在填土中形成拉裂縫。

3.4.2地下水水位對邊坡穩定性影響

根據工程水位與水位組合及水文地質，發現在施工過程當中，地下水對邊坡穩定有著顯著的影響。為了考慮地下水位變化對邊坡穩定性的影響，取坡頂外側以外的水位為恒定值，坡頂外側以內由于工程施工采取的降水措施，使地下水位降低并形成穩定滲流場，坡底水位取-5.25m，取堤壩外側最高處的壩頂對應的橫坐標為浸潤線在滲流過程中形成的起始點，向外地下水位為水平線。考慮由于降水作用，形成不同的坡外水位，進行邊坡穩定分析。分析時，A斷面坡外最高地下水位取1.7m，每次分別降低1m。

3.5 邊坡護岸穩定性分析

邊坡穩定分析的計算方法有多種，如數值分析方法、塑性極限方法、條分法、可靠度方法和模糊數學方法等。目前，對于土質邊坡來說，為人們所熟知和廣泛討論的方法有條分法和有限元方法。條分法因為其力學模型簡單適用，可對邊坡進行定量的評價，經過長期的工程實踐和不斷的完善和補充，己經成為邊坡穩定分析的成熟方法。因此本文選用條分法進行復合地基邊坡穩定性分析。

3.5.1條分法分析不同工藝加加固邊坡護岸

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岸的效果，分別以第一次試驗、彎刀型試驗及框型試驗進行研究。第一次水泥土攪拌樁試驗采用的是“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采用的是“四攪三噴”和“框型攪拌頭”。

對比圖7和圖8，可以發現彎刀型水泥土攪拌樁試驗的邊坡安全系數大于優化前水泥土攪拌樁試驗，相對于優化前增加了42.4%，而優化前試驗的施工工藝明顯不能起到加固地基的作用。優化前試驗的最危險滑動面上部從水泥土攪拌樁加固區外側穿過，下部從水泥土攪拌樁加固區的穿過，主要原因優化前施工工藝只能對提高攪拌樁加固區上部0～6m土層抗剪強度，下部6m的以下的抗剪強度較低，使邊坡處于危險狀態。改進工藝后，彎刀型試驗的最危險滑動面上部仍然從加固外側穿過，下部從邊坡坡面穿出，主要原因是加固區上部土層的抗滑能力和第一次試驗類似，而加固區下部由于工藝的改進，下部樁體強度提高，同樣能達到與上部相同，同時水泥攪拌樁置換率從坡頂到坡底逐漸加大，Ⅰ和Ⅱ加固區的面積置換率高，其相應的抗剪強度明顯高于Ⅲ和Ⅳ加固區。

對比圖8和圖9，可以發現使用框型攪拌頭工藝施工的水泥土攪拌樁進一步加固邊坡穩定性，邊坡安全系數增大至1.11，相對于優化前試驗安全系數提高了52%。同時，框型試驗的最危險滑動面未經過水泥土攪拌樁軟土加固區，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度，樁身強度上下均勻很好，大幅度提高軟土加固區安全性，最危險滑動面不經過雙向水泥土攪拌樁加固區，均能很好的達到設計要求。

3.5.2 地下水水位對邊坡穩定性影響

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

對比上述計算結果可以發現，隨著地下水位的下降，邊坡的安全系數逐漸提高，同時各個地下水水位下的最危險滑動面基本沒有變化，均是從水泥土攪拌樁加固區外側穿過，主要原因就是水泥土攪拌樁加固區的抗剪強度高，不易發生滑動。

4.結論

采用復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邊坡穩定性的影響，可以得出以下結論：

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