水泥攪拌樁處理軟基變形及影響因素研究

曹 杰

（中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610023）

1 研究背景

水泥攪拌樁是一種將水泥作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機(jī)將水泥噴入土體并充分?jǐn)嚢瑁?使水泥與土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)， 使軟土硬結(jié)而提高地基強(qiáng)度。20世紀(jì)70年代，開始用水泥攪拌樁加固軟土地基，至今已有40多年的歷史。它是通過特制的深層攪拌機(jī)，將軟土和水泥（固化劑）強(qiáng)制攪拌，并利用水泥和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，使土體固結(jié)，形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對水泥攪拌樁處理軟土地基做了一系列研究。主要通過實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值分析等方法。 余敦猛［1］基于某實(shí)際工程，通過數(shù)值模擬手段建立三維數(shù)值模型進(jìn)行研究， 分析了水泥攪拌樁處理地基的效果，并對相關(guān)敏感參數(shù)的影響進(jìn)行探討。何開勝等［2］通過實(shí)際工程施工，對水泥攪拌樁處理高黏性軟土進(jìn)行研究，總結(jié)了高黏性軟土中水泥攪拌樁的施工工藝和檢測評估方法。 鄭剛等［3］通過試驗(yàn)研究了水泥土強(qiáng)度，對多種影響因素進(jìn)行了分析，主要包含：水泥摻合比、礦物成分、土樣含水量、齡期、圖中pH值、外摻劑、水泥標(biāo)號(hào)、溫度等，結(jié)果顯示隨著強(qiáng)度的變化，水泥土變形特性也顯著變化。 付艷斌等［4］基于地鐵隧道工程，研究了水泥攪拌樁加固擠土效應(yīng)，同時(shí)應(yīng)用在該地鐵工程， 為相關(guān)工程施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。 大量的研究表明［5-7］，水泥土攪拌樁工程應(yīng)用具有較大優(yōu)越性， 但其在實(shí)際工程中成樁質(zhì)量難以保證、處理深度難以測估、成樁質(zhì)量影響因素較多。 上述問題的研究始終處于理論和模型試驗(yàn)的階段，尤其是對于軟土地基， 地基處理后復(fù)雜的沉降過程和較大的沉降量關(guān)乎工程的壽命周期， 缺乏長期的實(shí)際監(jiān)測以反饋設(shè)計(jì)優(yōu)化。同時(shí)，對于水泥土攪拌樁處置效果目前的研究多是集中在樁身幾何尺寸上，而對于樁-土體系的相關(guān)關(guān)系并未有深入探討和分析，從而影響水泥土攪拌樁處置后地基承載力和變形的合理驗(yàn)算。

本文依托某市政大道項(xiàng)目， 通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析并結(jié)合數(shù)值模擬的方法研究了水泥土攪拌樁處理地基的沉降變形規(guī)律。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

2.1 工程概況

該市政道路總長約3910.347m。 道路起于規(guī)劃海灣大道，向北分別于張橫18路、秀張路及張橫10路平交，終點(diǎn)位于規(guī)劃泉東大道，與泉東大道平交；海城大道（原第四縱路）（張緯四路～張緯六路）段道路長2703.317m，道路起于規(guī)劃張緯六路，與張緯六路平交，并分別與湖濱南路（張青公路）、張橫4路、張經(jīng)8路、張經(jīng)7路等規(guī)劃道路平交，終點(diǎn)與張緯四路平交。規(guī)劃道路紅線寬度60m，設(shè)計(jì)速度為60km/h。 道路規(guī)劃橫斷面為四幅路型式， 主路采用雙向八車道標(biāo)準(zhǔn)，如圖1。

圖1 海城大道施工照片

2.2 地形地貌及地層巖性

區(qū)內(nèi)地貌分布不均勻，洛陽鎮(zhèn)地貌以臺(tái)地為主，土壤以紅壤為主，上層淺薄、質(zhì)地多沙，保水性能差，東南部海洋淤積，地層堿性黏土，亞黏土土層深厚。東園鎮(zhèn)地貌較復(fù)雜，丘陵、臺(tái)地間雜，臺(tái)地為主，土壤有赤紅壤，潮土等土類。百崎鄉(xiāng)境內(nèi)屬沿海丘陵地帶，最高為東部鷹歌山，最低為五一旱田，部分為灘地。 境內(nèi)除圍墾外，以丘陵的剝蝕臺(tái)地為主，分布有花崗巖殘丘。 由于氣候炎熱，山石風(fēng)化強(qiáng)烈，植物覆蓋稀疏，水土流失嚴(yán)重，巖石裸露石蛋地形，水源較缺。張坂鎮(zhèn)三面環(huán)山，一面臨海，東西長7km，南部寬5km，背山面水，座北朝南，屬典型海灣河谷盆地。地勢自西北向東南傾斜。區(qū)內(nèi)東西北三面環(huán)山，山形起伏跌宕，南面向海，海闊天空。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 路基填筑及地基處理方案

路堤邊坡高度均小于10m時(shí)， 采用直線型邊坡，坡率取1∶1.5。路基過水（魚）塘?xí)r，采用M7.5漿砌片石護(hù)坡防護(hù)，坡率1∶1.75。 填方路基優(yōu)先選用級(jí)配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料。

對于軟土厚度大于3m的路段， 采用水泥攪拌樁處理。 水泥攪拌樁直徑0.5m。 間距1.1～1.3m，樁平面上呈正三角方形布置（布置區(qū)域邊線與構(gòu)造物基礎(chǔ)輪廓線平行）。 考慮到地基場地的弱腐蝕環(huán)境，水泥攪拌樁的水泥建議采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，水灰比一般采用0.45～0.55。 為有效排除地表水及預(yù)壓時(shí)地基滲出水， 有助于應(yīng)力擴(kuò)散， 在路堤基底鋪設(shè)50cm 厚碎石墊層。 同時(shí)鋪設(shè)土工格柵，提高路基穩(wěn)定性及減小不均勻沉降，縱、橫向每延米極限拉伸強(qiáng)度≥50kN/m， 縱、 橫向標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度下的伸長率≤13%，2%伸長率時(shí)的拉伸力≥17.5kN/m，5%伸長率時(shí)的拉伸力≥35kN/m。

本文分析時(shí)以K0+550斷面為例， 該斷面的典型剖面如圖2。 填筑高度5m，該斷面水泥攪拌樁深度為6m，穿透土層為素填土（層厚0.4m），粉質(zhì)黏土（層厚2.1m）、淤泥（層厚2.8m）和粉質(zhì)黏土（層厚1.2m）。 水泥攪拌樁28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu為0.9MPa，水泥攪拌樁樁徑為0.5m，基坑位置處樁間距為1.1m，樁土面積置換率m=0.187。

圖2 K0+500斷面

4 路基沉降變形規(guī)律

軟土路基的沉降問題一直以來都是土力學(xué)中的重要課題，地基（路基）在上部荷載（附加荷載）作用下，地基土層要產(chǎn)生壓縮變形從而引起建筑物沉降。路堤在填筑過程中，在路中、左右路肩位置埋設(shè)了沉降標(biāo)用以觀測在公路路基填筑過程中的沉降變形。沉降標(biāo)底座為50cm×50cm×3cm的鋼板， 測桿為1根φ30mm的鋼管， 采用TopconGTS311型全站儀（精度2mm+2PPm）。首先將鋼筋打入軟基，直至基巖。然后將沉降板貫穿于鋼筋，沉降板座落于軟基表面，鋼管外套PVC塑料管。 當(dāng)軟基產(chǎn)生沉降時(shí)，沉降板隨之沉降，而鋼筋是固定不動(dòng)的，由此測量出的鋼管相對于鋼筋的位移則為軟基的沉降量。 埋設(shè)完成后的現(xiàn)場照片如圖3。

圖3 沉降標(biāo)埋設(shè)完成后現(xiàn)場照片

自埋設(shè)后開始監(jiān)測直至填筑完成，在此過程中路堤每填筑1層（30cm）監(jiān)測1次。 在施工填筑期，路堤中心線地面沉降速率每晝夜不大于1.0cm； 坡腳水平位移速率每晝夜不大于0.5cm。 觀測結(jié)果應(yīng)結(jié)合沉降和位移發(fā)展趨勢進(jìn)行綜合分析。 沉降變形曲線如圖4。

圖4 實(shí)測沉降變形量

從圖4可見， 地基沉降量不僅與填筑高度有關(guān)，與填筑的時(shí)間也密切相關(guān)。 隨著填筑高度的增加沉降逐漸增大最終的累計(jì)變形量為65mm。 因該路段填筑高度較低（僅4m），結(jié)合該路段的處置措施，在前100d即完成了路堤的填筑工作，可見在填筑期，軟土地基隨著施工填土而沉降變形迅速， 沉降速率保持在1～1.5mm/d，主要是由于路堤施工前期土體處于近似彈性狀態(tài)，以瞬時(shí)沉降為主，沉降變形隨時(shí)間、荷載近似為線性增加。 隨著靜壓期時(shí)間的增加固結(jié)沉降產(chǎn)生，固結(jié)期沉降速率為0～0.5mm/d。 而固結(jié)沉降與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)，是一個(gè)長期及緩慢的過程。

5 樁土接觸面摩擦系數(shù)對水泥土攪拌樁加固效果影響分析

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬來探討樁-土接觸面的摩擦系數(shù)對水泥土攪拌樁加固效果的影響。所見模型如圖5，模型長50m，寬50m，高50m。攪拌樁直徑1.0m，樁長10m。 計(jì)算中模型邊界條件的如下： 底部邊界設(shè)定x，y和z3個(gè)方向的位移約束；側(cè)向邊界設(shè)定為僅可以有z向位移；頂部邊界為自由邊界。

圖5 地基-水泥攪拌樁模型示意圖

巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1，其中，水泥樁采用C35混凝土材料， 混凝土材料的彈性模量為35GPa，泊松比為0.24，重度22kN/m3。

模擬時(shí)， 考慮樁土接觸面摩擦系數(shù)分別為0.2，0.3，0.5，0.7，0.9， 計(jì)算樁身附加應(yīng)力隨深度的變化。圖6為樁頂荷載為400kPa時(shí)不同摩擦系數(shù)對樁身附加應(yīng)力的分布情況。 由圖6可知，在考慮水泥土攪拌樁加固地基的情況下， 水泥攪拌樁的附加應(yīng)力隨著樁體深度的增加而增加，但在深度到達(dá)一定值后，則隨著深度的增加而減小。在不同荷載下，由于土的壓縮變形模量遠(yuǎn)低于樁體的壓縮變形模量， 樁周土體的豎向變形大于樁的沉降， 這會(huì)導(dǎo)致樁體負(fù)摩阻力的產(chǎn)生，從而讓樁身軸應(yīng)力不斷增加。 深度再增加，由于土體的豎向變形相對減小， 樁土變形會(huì)到達(dá)一個(gè)中性點(diǎn)，在該點(diǎn)處樁體和周圍土體的變形相等，此時(shí)軸應(yīng)力達(dá)到最大。然后沿著深度方向再加深，土體的豎向變形更小，變得小于樁體的沉降，樁側(cè)正摩阻力產(chǎn)生使得樁體的軸力沿逐漸減小，最后歸零。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，樁的中性點(diǎn)在2.0m左右位置處，樁身應(yīng)力最大為2.8MPa；當(dāng)摩擦系數(shù)為0.9時(shí)，樁的中性點(diǎn)在3.0m左右處且最大應(yīng)力達(dá)到3.68MPa， 由此可見，不同的摩擦系數(shù)，會(huì)影響樁身應(yīng)力的發(fā)展，摩擦系數(shù)為0.9時(shí)中性點(diǎn)深度是0.2時(shí)的1.2倍，中性點(diǎn)位置會(huì)隨著摩擦系數(shù)的增大而下移。 所以水泥土攪拌樁加固軟土地基應(yīng)力計(jì)算時(shí)考慮樁側(cè)摩擦系數(shù)影響是必要的。

圖6 不同接觸面摩擦系數(shù)樁體深度與樁身附加應(yīng)力關(guān)系

6 結(jié)語

本文依托某市政大道項(xiàng)目， 以水泥土攪拌樁處理的K0+550斷面為例， 通過埋設(shè)的沉降板監(jiān)測數(shù)據(jù)研究路堤施工過程中軟土地基的沉降變形特征，并結(jié)合ABAQUS有限元軟件初步探討樁土接觸面摩擦系數(shù)對水泥土攪拌樁加固效果影響。研究結(jié)果表明：

（1）水泥土攪拌樁加固軟土地基，其地基沉降量不僅與填筑高度有關(guān)，與填筑的時(shí)間也密切相關(guān)。在填筑期，軟土地基隨著施工填土而沉降變形迅速，兩者近似線性增大，變形以瞬時(shí)沉降為主，而靜壓期沉降以固結(jié)沉降為主。 第一個(gè)階段較第二個(gè)階段沉降速率高2～3倍。 從最終沉降量來看，水泥土攪拌樁加固效果較好。

（2）對于土砂混合型軟土地基，其樁土交界處的的抗剪切強(qiáng)度不僅僅與黏土顆粒的黏聚力有關(guān)，又與砂土粗顆粒的摩阻力相關(guān)。不同的摩擦系數(shù)，會(huì)影響樁身應(yīng)力的發(fā)展，當(dāng)摩擦系數(shù)為0.9時(shí)中性點(diǎn)深度是0.2時(shí)的1.2倍，中性點(diǎn)位置會(huì)隨著摩擦系數(shù)的增大而下移。 所以水泥土攪拌樁加固軟土地基計(jì)算時(shí)考慮樁側(cè)摩擦系數(shù)影響是必要的。