改性加固土抗壓/粘聚/內摩擦等性能測試及基坑應用驗證分析

劉 武

(中南冶勘資源環境工程有限公司，湖北 武漢 430035)

我國許多重要城市位于沿江、沿湖、沿海地區，城市建設過程中面臨著軟土地基問題，且軟土地基工程呈現出逐年遞增的趨勢[1]。目前，水泥土攪拌樁利用物理化學反應提高軟土地基的強度，已經成為一種有效的軟土地基處理方式[2]。水泥土攪拌樁可以有效利用原土，與其他軟土地基處理方法相比，具有加固深度大、操作簡單方便、造價低等優勢，其在軟土地基基坑施工中得到了廣泛的應用[3]。大量學者在水泥土攪拌樁方面開展了大量的研究工作。其中，有采用水泥土攪拌加固了了降雨入滲條件下的黃土路基，分析了加固后黃土路基的承載能力[4]；以廣東肇花高速公路軟土地基水泥攪拌樁處理工程為研究背景，分析了3個現場的路基樁土沉降、壓縮和分層沉降等情況[5]；分析了水泥土攪拌樁的受力特征和破壞模式[6]；結合實際工程中水泥土攪拌樁的分布規律和現場試驗，分析了水泥土強度和水泥土攪拌樁成樁質量的主要影響因素[7]。上述研究表明水泥土攪拌樁可以有效改善軟土地基。本文以春申湖路快速化改造工程5號節點基坑為研究背景，在開展水泥土密度、無側限抗壓強度、彈性模量、抗剪強度等物理力學性能測試的基礎上，建立了水泥土加固技術在實際工程中應用的數值計算模型，分析了基坑土體及周邊隧道的位移變化規律，為春申湖路快速化改造工程5號節點基坑提供了理論指導。

1 試驗材料配比

蘇州春申湖路快速化改造工程上跨軌道交通4號線，其5號節點基坑表土層含有大量的淤泥和雜填土，為了保證基坑安全，需在基坑開挖前對軟土進行加固。因此，需確定淤泥和雜填土中的水泥摻量。根據以往經驗，設計了如表1所示5組水泥摻量和水灰比水泥土試驗。

表1 水泥土中水泥摻量和水灰比Tab.1 Cement content and water-cement ratio in soil-cement

試驗制備及密度、無側限抗壓強度、彈性模量、粘聚力和內摩擦角測試均依據(JGJ/T 233—2011)《水泥土配合比設計規程》。

2 水泥土力學性能測試結果分析

2.1 密度

不同水泥摻量下，淤泥和雜填土的密度變化曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，不摻加水泥時，原狀淤泥土和雜填土的密度分別為1 560、1 800 kg/m3。隨著水泥摻量由18%逐漸遞增至42%時，淤泥土的密度由1 618 kg/m3呈近線性增至1 701 kg/m3；而雜填土的密度則由1 870 kg/m3呈近線性增至1 975 kg/m3。即，水泥摻量每增加10%，淤泥土和雜填土的密度將分別提高34.6、43.8 kg/m3，原因在于水泥漿摻入后能夠同土顆粒一起固化并填充在一部分土孔隙內，從而提高土體的密度。

圖1 加固土密度隨水泥摻量的變化曲線Fig.1 Change curves of soil density with cement content

2.2 無側限抗壓強度

淤泥和雜填土無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線，結果如圖2所示。

圖2 加固土無側限抗壓強度隨水泥摻量的變化曲線Fig.2 Chang curves of unconfined compressive strength of reinforced soil with cement content

從圖2可以看出，當水泥摻量分別為18%、24%、30%、36%以及42%時，淤泥土抗壓強度分別為0.87 、1.03、1.22、1.35和1.69 MPa；雜填土抗壓強度則分別為1.01、1.13、1.28、1.52和1.84 MPa。這說明隨著水泥摻量的提高，淤泥土和雜填土的抗壓強度也將逐漸提高，原因在于，水泥的活性物質能夠與土中游離水發生化學反應而生成氫氧化鈣、鐵酸鈣等硬性物質，并與土顆粒在空間上形成獨特的泥土結構，從而提高了土體的抗壓性能。

2.3 彈性模量

不同水泥摻量下淤泥和雜填土的彈性模量分布曲線如圖3所示。

圖3 加固土彈性模量隨水泥摻量的變化曲線Fig.3 The elastic modulus variation curves of reinforced soil with cement content

從圖3可以看出，隨著水泥摻量的提高，淤泥和雜填土的彈性模量呈近線性式增長。當水泥摻量分別為18%、24%、30%、36%和42%時，淤泥土的彈性模量分別為508、784、957、1 279和1 445 MPa；雜填土的彈性模量分別為634、841、1 125、1 346和1 520 MPa。這說明，水泥摻量每增加10%，淤泥土和雜填土的密度將分別提高390.4 MPa和369.2 MPa。

2.4 粘聚力

圖4所示為淤泥和雜填土粘聚力隨水泥摻量的變化曲線。

圖4 加固土粘聚力隨水泥摻量的變化曲線Fig.4 Chang curves of cohesion of reinforced soil with cement content

從圖4可以看出，不摻加水泥時，淤泥和雜填土的粘聚力分別為5.0、25.1 kPa。當水泥摻量分別為18%、24%、30%、36%和42%時，淤泥土的粘聚力分別增至205、259、289、321和374 kPa，比未摻加前提高了200～369 kPa；而雜填土的粘聚力分別增至238、276、331、369和428 kPa，比未摻加前提高了213～ 403 kPa。由此可見，水泥的摻入極大提高了原狀淤泥土和雜填土的粘聚力，提高了它的抗剪性能。

2.5 內摩擦角

圖5所示為淤泥和雜填土內摩擦角隨水泥摻量的變化曲線。

圖5 加固土內摩擦角隨水泥摻量的變化曲線Fig.5 Change curves of internal friction angle of reinforced soil with cement content

從圖5可以看出，不摻加水泥時，淤泥和雜填土的內摩擦角分別為10.1°和16.2°。當水泥摻量分別為18%、24%、30%、36%和42%時，淤泥土的內摩擦角分別增至28.6°、30.1°、32.0°、32.9°和34.7°，比未摻加前提高了將近18.5° ～ 23.6°；而雜填土的內摩擦角分別增至31.8°、32.2°、33.5°、34.4°和35.6°，比未摻加前提高了將近15.6° ～ 19.4°。這說明水泥的摻入大大增加了原狀淤泥土和雜填土的內摩擦角，有利于其在高剪應力作用下保持自身的穩定。

3 水泥土加固技術在上跨軌道交通基坑工程的應用

蘇州春申湖路快速化改造工程5號節點基坑上跨蘇州軌道交通4號線姚祥站至活力島站區間隧道，基坑開挖長度約36.5 m、深度約6.2 m，支護形式采用Φ850@600型鋼水泥土攪拌墻。基坑開挖影響范圍內土層而下分別為淤泥、雜填土、素填土、淤泥質黏土、粉質黏土、粉土、粉質黏土、粉土夾粉質黏土，各土層物理力學參數如表2所示。

表2 5號節點基坑周邊土體的物理力學參數Tab.2 Physical and mechanical parameters of the soil around the No.5 joint foundation pit

為減小基坑開挖對軌道交通4號線的影響，基坑地基采用3軸水泥土攪拌樁以及MJS工法進行組合加固，加固位置如圖6所示。對于區間隧道上方及其兩側1.5 m范圍內，采用MJS工法加固，豎向自原狀地面至區間隧道頂1.5 m，平面上加固至基坑外側5 m。對于區間隧道外側1.5 ～ 4.5 m，采用3軸水泥土攪拌樁加固，豎向自地面加固至區間隧道底；平面上加固至基坑外側5 m；2部分加固共同形成門式加固。3軸攪拌樁施工技術參數為3軸幅間搭接250 mm，樁長8.79～ 21.2 m，P·O42.5級普通硅酸鹽水泥摻量20%，28 d抗壓強度不小于1.0 MPa；MJS工法技術參數為樁徑2 400 mm，樁間距1 700 mm，搭接700 mm，樁長8.8～9.1 m，樁底距軌道交通4號線盾構頂大于等于1.5 m，P·O42.5級普通硅酸鹽水泥摻量40%，28 d抗壓強度不小于1.5 MPa。

圖6 5號節點基坑水泥土加固示意圖Fig.6 Schematic diagram of cement-soil reinforcement of No.5 joint foundation pit

根據上述工程情況，采用FLAC 3D建立5號節點基坑開挖數值模擬模型，具體如圖7所示。該模型長×寬×高為85.0 m×76.8 m×35.0 m，包括軌道交通4號線、5號節點基坑圍護結構、地基加固區幾大部分。模型邊界條件定義為底面固定、四周法向約束，頂面自由。4號線盾構隧道襯砌采用Shell單元進行模擬，其彈性模量、泊松比和厚度分別設為31.5 GPa、0.25和0.35 m；基坑圍護結構型鋼水泥土攪拌墻采用實體單元進行模擬，其彈性模量和泊松比分別設為5.0 GPa和0.30；混凝土支撐和鋼支撐采用Beam單元進行模擬，彈性模量分別設為30、210 GPa，泊松比分別設為0.20、0.30。3軸攪拌樁以及MJS加固區土體的力學參數選用圖1～圖5相應水泥摻量的數據。

圖7 5號節點基坑開挖數值模擬模型Fig.7 Numerical simulation model of No.5 joint foundation pit excavation

當5號節點基坑開挖完成后，表3給出了是否對地基進行加固條件下基坑以及軌道交通4號線支護結構以及周邊土體的最大位移值。

表3 5號節點基坑以及鄰近軌道交通4號線支護結構與周邊土體的最大位移Tab.3 Maximum displacement of the supporting structure and surrounding soil of the foundation pit of No.5 node and the adjacent rail transit Line 4

由表3可知，地基土體未加固條件下5號節點基坑開挖完成后，基底最大隆起值達到10.39 mm，導致位于基坑下方的4號線的盾構隧道管片襯砌發生整體上浮，其最大豎向、水平位移分別為5.58、2.24 mm；豎向、橫向收斂位移分別為2.45、1.98 mm。這勢必引起位于管片襯砌內部的軌道發生較大的變形而威脅列車行進安全。當采用3軸水泥土攪拌樁以及MJS工法對地基土體進行組合加固后，5號節點基坑開挖完成后，基底最大隆起值減小至2.16 mm，比未加固前減小了79.2%，4號線盾構隧道管片襯砌最大豎向位移和水平位移則分別減小至1.13、0.71 mm，比未加固前分別減小了79.7%和68.3%；這與實際監測到基底最大隆起為1.96 mm、4號線最大豎向位移和水平位移分別為0.95、0.87 mm相符。由此可見，水泥土加固技術在蘇州國際快速物流通道二期工程5號節點基坑工程中的應用極大減小了基坑本身以及鄰近基坑的軌道交通4號線支護結構的變形，確保了基坑以及鄰近隧道的安全。

4 結語

(1)水泥摻量每增加10%，淤泥土和雜填土的密度將分別提高34.6、43.8 kg/m3，無側限抗壓強度將分別提高0.342、0.346 MPa，彈性模量則分別提高390.4、369.2 MPa；

(2)水泥摻量從18%增至42%時，淤泥土和雜填土的粘聚力將分別比未摻加前提高200～ 369 kPa和213～ 403 kPa；內摩擦角則分別比未摻加前提高18.5°～23.6°和15.6°～ 19.4°；

(3)采用3軸水泥土攪拌樁以及MJS工法對地基土體進行組合加固后，5號節點基坑開挖完成后，基底最大隆起值減小至2.16 mm，比未加固前減小了79.2%；4號線盾構隧道管片襯砌最大豎向位移和水平位移則分別減小至1.13、0.71 mm，比未加固前減小了79.7%和68.3%。