水泥攪拌樁在堤防工程軟土地基處理中的應用

王浩淼

（廣州市智利達咨詢有限公司,廣東 廣州 510640）

0 引言

水利工程大多建設在軟土地基上,如果不妥善處理會對工程建設質量和使用安全帶來巨大隱患[1]。水泥攪拌樁是以水泥作為固化劑,通過水泥攪拌機械設備,將土與水泥強制攪拌形成增強體的復合地基[2],其適用于處理淤泥、淤泥質土、泥炭及粉土等軟土地基。通常地基處理方法不僅取決于加固效果和地質參數,還與工程造價、處理工藝、現場要求等息息相關。本文對水利工程水泥土攪拌樁復合地基處理措施進行系統分析和效果驗證。

1 工程概況

1.1 工程現狀

擬加固堤防位于廣州市番禺區,整治堤線長437 m,堤頂高程2.6 m～2.8 m,防浪墻頂高程3.2 m～3.4 m,堤身單薄,堤頂寬度約6 m,達不到50 年一遇防洪潮標準。現狀堤身填土多為粘粒、砂粒組成,含植物根系,局部地段含碎石與建筑垃圾,堤身填土土質砂質含量大,土質不均勻,松散,欠壓實。由于堤防興建時基礎未采用工程措施處理,臨水坡堤前混凝土擋墻直接建于未經處理的軟土層基礎上,造成軟土層產生高壓縮變形、側向滑移或擠出,影響了上部建筑物穩定。

1.2 工程場地地質分析

加固段堤防普遍分布有較厚的淤泥質土、中粗砂、粉質黏土。根據土工試驗成果,其中淤泥質土孔隙比為1.62～2.092,壓縮系數為1.31 MPa-1～1.95 MPa-1。擬建場地人工填土成份較復雜,分布不均勻,壓縮性差異較大,欠壓實,未經處理一般不宜直接作為建筑物的天然地基持力層；淤泥及淤泥質土具有天然含水量高、孔隙比大、靈敏度高、壓縮性高、強度低、承載力較小等特征,未經處理一般不宜直接作為建筑物基礎的天然地基持力層。因此,工程場地地基土上部沒有適合的天然地基持力層,需對地基土上部部分人工填土、淤泥質土層進行處理。

2 水泥攪拌樁實施方案

2.1 水泥攪拌樁設計及成樁工藝

2.1.1 布設方案

工程區域的地基基礎基本上是淤泥基礎,全線分布且厚度較大,根據工程的實際情況,結合堤防加固斷面形式,工程擬采用水泥土攪拌樁法。

水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑和軟土之間發生反應,使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的復合地基。具有安全、可靠性較好、價格便宜等優點,但施工工藝復雜,施工周期長。考慮到節省投資,對于本工程的堤身均采用水泥攪拌樁處理地基。經過計算,樁徑采用0.6 m,樁長16 m,間距為1.2 m,三角形布置,攪拌樁總根數約4202根,總樁長67230 m。具體布置方案見圖1～圖2。

圖1 水泥土攪拌樁平面布置圖

圖2 三角形布樁方案

水泥土攪拌樁復合基礎和樁之間設置褥墊層,厚度0.25 m。褥墊層材料采用8%水泥石屑,壓實系數不小于0.94。石屑粒徑必須嚴格控制在2 mm～10 mm,含泥量不得超過5%。

2.2 復合地基承載力驗算

地基處理后按照復合地基承載力驗算。各層土的樁基特性指標建議值參考表1。

表1 各層土的樁基特性指標建議值

由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力：

單樁承載力由樁身材料強度確定：

取較小值即Ra=84.78 kN；

因此復合地基承載力特征值：

2.1.2 試樁

施工前進行工藝性試樁,試樁數量不少于6 報。試樁分3 組,每組2 報,各組水泥用量分別為65 kg/m,70 kg/m,75 kg/m。通過試樁調整確定各項工藝參數,選擇合理的施工措施,以檢測滿足設計要求后方可進行大面積施工。單樁靜荷載試驗的最大加載值為設計單樁承載力的兩倍。

2.1.3 設計要求

對本工程采用水泥土攪拌樁,樁身材料采用42.5 級普通硅酸鹽水泥。樁身設計強度按照90 d齡期的無測限抗壓強度大于1.5 MPa控制,28 d齡期無側限抗壓強度要求大于1 MPa。攪拌樁的樁徑為600 mm,單樁承載力定為100 kN,復合地基承載力定為95 kPa。停灰面應高于設計樁頂標高500 mm,水泥槳液的水灰比嚴格控制在0.45～0.55的范圍內。

2.1.4 施工要求

施工采用濕法施工方式施工,“兩噴四攪”工藝成樁。水泥攪拌樁施工現場施工前應予以平整,清除地上和地下的障礙物。應根據設計的樁位、樁型、樁徑、樁長,復勘場地地質條件,選擇施工機具設備。

攪拌樁施工前平整至設計高程,形成打樁平臺,上部空樁只攪不噴；樁基施工時跳樁施工,并隨時注意監測基坑底部與邊坡的變形,如發現變形應立即停止施工,采取臨時措施進行支護。停漿（灰）面高于樁頂設計標高500 mm,在開挖基坑時,應將樁頂以上土層及樁頂施工質量較差的樁段,采用人工挖除。

2.1.5 質量檢驗

樁位定位偏差不應超出50 mm,樁徑、樁長均不得少于設計值。每根樁施工時應用水準尺檢查導向架和攪拌軸的垂直度,垂直誤差不應超過1%；成樁3 d輕型動力觸探檢查上部樁身的均勻性,成樁7 d采用淺部開挖樁頭以量測成樁直徑,要求樁身最小直徑不小于設計樁徑,抽檢樁數為總樁數的5%；攪拌樁施工28 天后,采用雙管單動取樣鉆取芯樣,鑒定持力層土性,同時評價攪拌均勻性和水泥土抗壓強度。

經計算,攪拌樁處理后的符合地基承載力大于軸向壓力,可以滿足堤防使用要求。

2.3 土堤最終沉降量估算

沉降計算采用下列公式進行計算：

式中：S為地基最終沉降量,mm；m為沉降計算經驗系數；n為地基沉降計算深度范圍內所劃分的土層數；e1i為新建海堤時為第i 土層在平均自重應力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應力和平均附加應力共同作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度,mm。根據工程經驗,m取1.40。

計算結果見表2。

表2 沉降計算成果表

根據計算結果,當按15 m考慮淤泥層厚度,150 d后水泥攪拌樁處理地基的固結度可達80%,工程竣工后的基礎剩余沉降量約為0.10 m。按照堤身預留沉降,工程設計預留量取0.15 m。

2.4 堤防整體抗滑穩定分析

2.4.1 計算工況選定

本工程整治堤段總長437 m,根據運行情況、地形特征和地質條件,選取樁號為K0+310 的典型斷面進行邊坡穩定計算,見圖3。本工程防洪（潮）標準采用200 年一遇,堤防等級為1級。堤防抗滑穩定計算應包括正常運行情況和非常運行情況,各種工況組合見表3。

圖3 計算典型斷面選取

2.4.2 計算結果

海堤邊坡穩定計算方法采用瑞典圓弧法。計算采用河海大學研制的穩定計算軟件Avtobank6.1 進行計算。邊坡穩定計算成果見表5。

計算結果表明：堤防加固處理后的斷面,在各種工況上均滿足規范要求。

3 結語

水泥土攪拌樁處理地基具有不均勻沉降小,承載力高且施工過程對周邊環境影響小等特點而得到了推廣應用。廣州市番禺區堤防達標加固工程中采用水泥攪拌樁處理軟土地基符合工程要求,樁體設計實施方案及計算復核方法對水利工程軟土地基處理具有借鑒意義,在選用處理方法時應堅持因地制宜,綜合考慮地質條件、工程建設標準和經濟效益,持續探索新工藝和新方法以實現地基處理效果最優化。