水泥攪拌樁復合地基綜合強度指標方法在岸坡設計中的適用性分析

貝建忠，趙瑞東，李偉儀，陳良志

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

水泥土攪拌法(水泥攪拌樁)是一種用于加固飽和黏性土地基的常見地基處理方法。自20世紀80年代起，國內開始應用此軟基加固處理技術，并取得良好效果。但也有不少工程失事的案例，特別是在一些工程的堤防、岸墻和基坑工程中，邊坡失穩(wěn)是主要的破壞形式之一。引發(fā)邊坡失穩(wěn)的原因眾多，其中一個重要原因是設計過程中過高地估計了水泥攪拌樁的加固效果。因此，有必要對水泥攪拌樁復合地基的穩(wěn)定性分析開展進一步研究。

目前，針對水泥攪拌樁復合地基的研究主要集中在復合地基的豎向承載力和沉降等方面[1-4]，對水泥攪拌樁復合地基穩(wěn)定分析的研究[5-6]較少。在《復合地基技術規(guī)范》[7]中有復合地基穩(wěn)定分析的內容，指出當水泥攪拌樁處理穩(wěn)定性工程時，應進行穩(wěn)定性驗算，可采用以下2種方法。1)復合地基加固區(qū)強度指標采用復合地基綜合強度指標；2)復合地基加固區(qū)強度指標分別采用樁體和樁間土的強度指標。

以上規(guī)范中的描述，在某種程度上說明2種計算方法是基本等效的，其中采用復合地基綜合強度指標計算整體穩(wěn)定是較為普遍的方法。但通過分析失事案例可以發(fā)現(xiàn)：在某些情況下，采用復合地基綜合強度指標驗算整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，卻發(fā)生了滑移事故，有的甚至出現(xiàn)水泥攪拌樁斷樁的現(xiàn)象，其中一個重要原因是，在某些情況下，水泥攪拌樁復合地基綜合強度指標設計方法在岸坡設計中的適用性較差，采用的復合地基綜合強度指標未能真實地反映水泥攪拌樁對軟弱地基的加固效果，即針對整體穩(wěn)定核算，有些情況下2種方法不能完全等效。

針對某失事工程，借助Plaxis 3D建立三維模型，分別采用2種方法進行岸坡穩(wěn)定性計算，分析工程失穩(wěn)的原因。同時，在該工程原始設計的基礎上，分別調整軟土的黏聚力以及水泥攪拌樁置換率，分析復合地基綜合強度指標設計方法在岸坡設計中的適用性，以便指導今后的工程設計。

1 復合地基綜合強度指標的確定

《地基處理手冊》第三冊[8]2.7節(jié)中指出，在計算復合地基穩(wěn)定性分析時，復合地基綜合強度指標可采用面積比法計算。復合土體黏聚力Cc和內摩擦角φc計算公式如下：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(1)

tanφc=tanφs(1-m)+tanφp

(2)

式中：Cc為復合土體黏聚力(kPa)；Cs為樁間土黏聚力(kPa)；Cp為樁體黏聚力(kPa)；φc為復合土體內摩擦角(°)；φs為樁間土內摩擦角(°)；φp為樁體內摩擦角(°)；m為復合地基積置換率。

另外，該手冊11.3節(jié)還指出水泥土的黏聚力隨其無側限抗壓強度的增加而增加，水泥土的無側限抗壓強度qu一般為0.5～4.0 MPa，其黏聚力Cc一般約為qu的20%～30%，其內摩擦角變化范圍是20°～30°。

2 工程案例

某岸坡工程港池岸墻采用L形擋墻，底高程-4.5 m，頂高程1.80 m，典型斷面如圖1所示。擋墻底部淤泥較厚、標貫較低，采用水泥攪拌樁進行加固，樁位布置如圖2所示。水泥攪拌樁直徑為0.5 m，樁體采用三角形布置，排距為1.0 m，共10排，L1～L8排的樁長為12.0 m，L9和L10排采用長短樁結合的套樁，長樁為14.9 m，短樁為6.0 m。

圖1 港池擋墻設計斷面(高程：m；尺寸：mm)

圖2 水泥攪拌樁樁體平面布置(單位：mm)

原狀土指標及復合地基強度指標分別如表1、2所示。

表1 原狀土參數(shù)

表2 置換率為10%的復合地基強度指標

通過Plaxis 3D建立三維模型，采用復合地基綜合強度指標(方法1)進行岸坡穩(wěn)定性分析，安全系數(shù)FOS=1.155，見圖3。

圖3 方法1計算整體穩(wěn)定安全系數(shù)

分別采用樁體和樁間土的強度指標(方法2)進行岸坡穩(wěn)定性分析，擋墻出現(xiàn)失穩(wěn)，最大水平位移為8.633 m，計算結果如圖4所示。

圖4 方法2計算最大水平位移

通過計算可知，2種計算方法的結果差距很大。方法1采用復合地基綜合強度指標，整體穩(wěn)定安全系數(shù)FOS=1.155(>1.15)，根據(jù)《海堤工程設計規(guī)范》[9]10.2節(jié)中規(guī)定，滿足施工期整體抗滑穩(wěn)定要求。但在實際工程施工期該岸坡失穩(wěn)，出現(xiàn)了滑移斷樁現(xiàn)象(圖5)，與方法2分別采用樁體和樁間土的強度指標計算整體穩(wěn)定的結果相符。

圖5 現(xiàn)場擋墻失穩(wěn)、斷樁

分析得知，該工程案例中水泥攪拌樁置換率較低(10%)且樁間土黏聚力較小(5.6 kPa)，樁體對樁間土的約束作用較差，在后方回填料自重荷載的作用下，軟土從水泥攪拌樁中間滑出，在擋墻前腳趾處形成隆起，水泥攪拌樁體被剪斷，岸墻失穩(wěn)傾倒，導致工程失事。

因此，采用復合地基綜合強度指標設計方法對岸墻穩(wěn)定進行驗算，未能真實地反映水泥攪拌樁對軟弱地基的加固效果，過高地估計了低置換率水土攪拌樁的加固作用，導致工程失事。該工程條件下，復合地基綜合強度指標設計方法在岸坡設計中的適用性較差，即并非所有工況下采用復合地基綜合強度指標與分別采用樁體和樁間土的強度指標都是等效的。

因此，在工程設計中，復合地基綜合強度指標設計方法在岸坡設計中的適用性應引起高度重視，尤其在軟土黏聚力和水泥攪拌樁置換率較低的情況下，須建立三維模型，分別采用樁體和樁間土的強度指標(方法2)進行岸坡整體穩(wěn)定分析。

3 復合地基綜合強度指標方法適應性分析

3.1 不同軟土的黏聚力

分別針對水泥攪拌樁置換率10%、19%、25%、39%，改變軟土(③淤泥)的黏聚力，建立三維模型，分別采用方法1和方法2進行岸坡穩(wěn)定分析，計算結果如表3及圖6所示。

表3 不同黏聚力情況岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖6 不同置換率情況黏聚力與安全系數(shù)關系曲線

從表3和圖6可知，相同水泥攪拌樁置換率條件下，軟土的黏聚力越大，2種方法計算的整體穩(wěn)定安全系數(shù)越接近，即軟土的黏聚力越大，水泥攪拌樁復合地基綜合強度指標設計方法越能真實地反映水泥攪拌樁對軟基的加固軟基效果，復合地基綜合強度指標設計方法在岸坡設計中的適用性越好。

3.2 不同水泥攪拌樁置換率

3.2.1軟土黏聚力較低工況

當軟土黏聚力較低時，分別針對軟土(③淤泥)的黏聚力為7、15、20 kPa情況下，改變水泥攪拌樁置換率10%、19%、25%、39%、57%、66%，建立三維模型，分別采用2種方法進行岸坡穩(wěn)定分析，計算結果如表4及圖7所示。

表4 低黏聚力工況不同置換率下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7 低黏聚力工況置換率與安全系數(shù)關系曲線

3.2.2軟土黏聚力較高工況

當軟土黏聚力較高時，分別針對軟土(③淤泥)的黏聚力為30、35、40 kPa情況下，改變水泥攪拌樁置換率10%、19%、25%、39%，建立三維模型，分別采用2種方法進行岸坡穩(wěn)定分析，計算結果如表5及圖8所示。

表5 高黏聚力工況不同置換率下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖8 高黏聚力工況置換率與安全系數(shù)關系曲線

綜合分析表4～5和圖7～8可知：

1)當軟土黏聚力固定時，水泥攪拌樁置換率越大，整體穩(wěn)定安全系數(shù)越大，2種方法計算整體穩(wěn)定的安全系數(shù)差值越小。

2)當軟土黏聚力較小時，2種方法整體穩(wěn)定的安全系數(shù)差別較大；隨著水泥攪拌樁置換率的增大，方法1整體穩(wěn)定安全系數(shù)的增速明顯大于方法2。

3)當軟土黏聚力較小時，水泥攪拌樁置換率增大到某個值后，方法1整體穩(wěn)定的安全系數(shù)基本保持不變，而方法2整體穩(wěn)定的安全系數(shù)還在持續(xù)增大。這主要是因為大于該置換率后，復合地基綜合強度指標已經(jīng)足夠強，整體穩(wěn)定滑弧幾乎不再經(jīng)過水泥攪拌樁加固區(qū)，繼續(xù)提高水泥攪拌樁置換率，對方法1的整體穩(wěn)定安全系數(shù)影響不大；而若分別采用樁體和樁間土的強度指標(方法2)分析岸坡整體穩(wěn)定性，滑弧仍經(jīng)過該水泥攪拌樁加固區(qū)，繼續(xù)提高水泥攪拌樁置換率，對方法2的整體穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大。

4)當軟土黏聚力較大時，2種方法整體穩(wěn)定的安全系數(shù)差別較小，且隨著水泥攪拌樁置換率的增大，2種方法計算整體穩(wěn)定的安全系數(shù)快速趨于相同。

4 結語

1)采用水泥攪拌樁加固軟基岸坡，當軟土黏聚力、水泥攪拌樁置換率較低時，樁體對樁間土的約束作用較差，常規(guī)設計方法——復合地基綜合強度指標設計方法(方法1)在岸坡設計中的適用性較差，該設計方法不能真實地反映水泥攪拌樁對軟基的加固效果。

2)當軟土黏聚力超過30 kPa、水泥攪拌樁置換率超過20%后，2種方法的整體穩(wěn)定安全系數(shù)差值小于5%，幾乎等效。但由于每個工程的地質條件、結構形式并不相同，其岸坡穩(wěn)定性對軟土黏聚力和水泥攪拌樁置換率的敏感程度也不相同。本案例歸納的軟土黏聚力和水泥攪拌樁置換率臨界點不具普遍適用性，建議同時采用方法1(復合地基綜合強度指標設計方法)和方法2(分別采用樁體和樁間土的強度指標設計方法)對岸坡整體穩(wěn)定性進行評估，相互校核。

3)在水泥攪拌樁加固軟基岸坡的工程中，可基于Plaxis 3D有限元軟件，分別建立水泥攪拌樁樁體和樁間土的三維模型，采用方法2進行岸坡穩(wěn)定性分析，可較真實地反映水泥攪拌樁對軟基岸坡的加固效果。