水泥土攪拌樁在軟土地基加固中的應用研究

摘 要：依托湖北省孝感市某多層小區項目軟土地基處理工程，運用室內試驗獲得場區軟土地基的物理力學指標，并基于數值模擬手段對水泥土攪拌樁的加固參數進行確定。研究結果表明，不同噴漿壓力下，水泥土攪拌樁周圍土體位移隨著距徑比增加均呈指數降低的趨勢，距徑比＞3.0m時，不同噴漿壓力下的土體位移均接近于零。水泥土攪拌樁周圍土體超靜孔隙水壓力，隨距徑比增加均呈現指數衰減的趨勢，并不斷趨近于零。噴漿持續時間＞20 s后，超靜孔隙水壓力的增幅較大。工后沉降實測表明，水泥攪拌樁復合地基的工后沉降在1～8月，沉降量迅速增加，而在8～12月，沉降量則趨于收斂穩定。

關鍵詞：水泥土攪拌樁；軟土；地基加固；超靜孔隙水壓力；位移；抗剪強度

中圖分類號：TU753.3" " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0007-03

0 引言

水泥土攪拌樁加固技術是軟土地基加固中的一項重要技術，在大量工程的基礎工程中得到廣泛應用。通過在軟土地基中噴射和攪拌水泥漿液或者水泥粉體，可以增強地基承載力，降低軟弱土體的變形危害，提高工程的安全性[1]。雙向雙軸水泥土攪拌樁由于在成樁過程中，借助安裝在設備上內外同心桿上的2組攪拌葉片同時旋轉，相互配合，極大地提高了施工效率。與單軸水泥土攪拌樁不同，增加旋轉軸和旋轉葉片對軟土地基而言增加了施工擾動風險，其鉆機速率、噴漿壓力、噴漿持續時間等控制參數均影響著加固效果[2]。本文結合實際工程案例，借助數值模擬的手段，對水泥土攪拌樁的噴漿壓力、噴漿持續時間、樁長和樁間距的變化影響展開研究，研究成果可應用于建筑工程水泥土攪拌樁軟土復合地基的設計和施工。

1 工程概況

湖北省孝感市某多層住宅小區項目為區級重點民生工程，項目規劃用地面積55 757 m2，第2標段施工總建筑面積為23 547 m2，其中地上建筑面積20 184 m2，地下室建筑面積3 363 m2。結構形式為鋼筋混凝土框架結構，地下1層主要為車庫。地上由5棟多層住宅、1棟5F便民服務中心、1棟配電室組成，5#、6#、7#樓地上6層，建筑高度25.2 m，8#樓地上5層，建筑高度21.6 m，10#樓地上6層，建筑高度24.9 m，便民服務中心地上5層，建筑高度21.7 m。擬建場地地貌單元屬于澴水河流域沖洪積沉積區，經人類活動改造后，周邊多為民房。現地坪較為平坦，紅線范圍呈長方形。

勘察資料顯示，場區廣泛分布有淤泥、淤泥質土以及軟弱黏性土。對住宅地基產生較為明顯影響的主要有2層軟土，分別為②淤泥質粉質黏土夾粉土和③淤泥質黏土，二者均為淺埋型軟土層。②淤泥質粉質黏土夾粉土含有貝屑、夾粉土薄層，局部夾細砂薄層，流塑-軟塑狀態，厚度約2～7 m。③淤泥質黏土呈軟塑-可塑狀態，厚度約5～10 m。為了滿足建筑工程的地基承載力和后期沉降要求，設計采用直徑為600 mm、樁長為12 m、樁間距為1 500 mm的水泥土攪拌樁進行地基處理加固，水泥土攪拌樁采用梅花形布置。

2 場區軟土地基工程特性

對場區的②淤泥質粉質黏土夾粉土和③淤泥質黏土進行室內試驗物理指標測試，測試結果顯示，②淤泥質粉質黏土夾粉土和③淤泥質黏土均具有高液限、高含水量和高孔隙比的特點。其中，②淤泥質粉質黏土夾粉土的液限平均值為43.98%，含水量變化范圍大，含水量平均值為39.78%，孔隙比平均值為1.13。而③淤泥質黏土的液限平均值為49.07%，含水量變化范圍大，含水量平均值為31.39%，孔隙比平均值為0.91。土體的高液限使得其在地基碾壓過程中含水量大于最優含水量，導致土體具有一定的流動性、觸變性，無法壓實。高含水量和高孔隙比則使得土體易于壓縮，加載初期孔隙水壓力增大，后期沉降增大，力學抗剪性能變差[3-6]。

對場區的②淤泥質粉質黏土夾粉土和③淤泥質黏土進行室內試驗抗剪強度指標測試，測試結果如表1所示。從表1中可知，②淤泥質粉質黏土夾粉土和③淤泥質黏土均具有抗剪強度低的特點，其中②淤泥質粉質黏土夾粉土的不固結不排水黏聚力平均值為6.77 kPa，內摩擦角平均值為1.31°，且該層土的直接剪切內摩擦角、固結不排水剪切內摩擦角與黏聚力、不固結不排水剪切內摩擦角與黏聚力均具有較大的變異系數（＞0.30）。③淤泥質黏土的不固結不排水剪切黏聚力平均值為18.94 kPa，內摩擦角平均值為2.14°，該層土的直接剪切內摩擦角與黏聚力、固結排水剪切內摩擦角、固結不排水剪切內摩擦角、不固結不排水剪切黏聚力均具有較大的變異系數（＞0.30）。

由此表明土體的分布較為不均，其力學性質存在明顯的空間變異性。軟土的抗剪切強度大小與其排水邊界條件、加載速率（施工速率）、固結時間等各種因素有關，在較低的抗剪切強度條件下，如果不采取必要的地基加固和處理措施，很難達到工程承載力需求。

3 水泥土攪拌樁加固施工參數的確定

為了確定水泥土攪拌樁加固施工參數，運用數值模擬的手段建立三維計算模型[7]。計算時，②淤泥質粉質黏土夾粉土和③淤泥質黏土物理力學指標參數選取如表1所示，②淤泥質粉質黏土夾粉土的彈性模量取為10.53 MPa，泊松比取為0.40，③淤泥質黏土的彈性模量取為14.23 MPa，泊松比區位0.35。水泥土攪拌樁的樁周接觸面設置為徑向壓力和剪切力，樁底和樁頂不設置約束[8-9]。

水泥土攪拌樁在攪拌和噴射水泥漿的過程中，不可避免地對周圍軟弱土體產生擾動，使得軟土的顆粒發生相對移動，塑性位移和孔隙水壓力產生變化[10]。為了研究這種變化，模擬計算設置了4種不同的噴射壓力、5種不同的噴射持續時間，噴漿壓力分別為300 kPa、500 kPa、700 kPa和900 kPa，噴漿持續時間分別為10 s、20 s、40 s、80 s和160 s。對距離水泥土攪拌樁不同距離處的位移、噴漿后土體不同時間內的超靜孔隙水壓力進行分析，結果如圖2和圖3所示。

圖1為噴漿持續時間為40s時，水泥土攪拌樁周圍土體位移分布，圖1中選取分析點與水泥土攪拌樁中心的距離和樁直徑之間的比值為距徑比。從圖1中可以看出，不同噴漿壓力下水泥土攪拌樁周圍土體位移隨著距徑比增加的變化規律大致相同，均呈非線性降低的趨勢，并趨于零。在距徑比≤2.0 m時，噴漿壓力越大，水泥土攪拌樁周圍土體越大，并迅速降低。在距徑比＞3.0 m時，噴漿對土體的擾動基本可以忽略不計，不同噴漿壓力下的土體位移均接近于零。在實際工程中，可以選擇噴漿壓力為500 kPa，以足夠的噴漿壓力形成合適直徑的樁體，避免產生較大的土體擾動。

圖2為噴漿壓力為500 kPa時，水泥土攪拌樁周圍土體超靜孔隙水壓力分布。從圖2中可以看出，隨著距徑比的不斷增加，水泥土攪拌樁周圍土體超靜孔隙水壓力，在不同噴漿持續時間條件下的變化規律大致相同，均呈非線性減小的趨勢，并不斷趨近于零。在同一距徑比條件下，隨著噴漿持續時間的增加，周圍土體超靜孔隙水壓力不斷增加，且在噴漿持續時間≤20 s時，超靜孔隙水壓力的增幅較小；而噴漿持續時間＞20 s后，超靜孔隙水壓力的增幅較大。在實際工程中，可以選取噴漿時間為50 s，以確保足夠的噴漿時間形成完整的樁體，并使孔隙水壓力的快速消散。

4 水泥攪拌樁軟土地基加固工后沉降分析

為了研究水泥攪拌樁的軟土地基處理效果，以8#樓和6#樓為例，運用現場實測的方法，對水泥攪拌樁復合地基的沉降量進行監測，監測時長為12個月，得到軟土路基實測工后沉降曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著時間的增加，2棟樓的水泥攪拌樁復合地基的工后沉降曲線表現為類似的變化規律，在1～8月，沉降量迅速增加，而在8～12月，沉降量則趨于收斂穩定。在相同的監測時間內，8#樓水泥攪拌樁復合地基的沉降量比6#樓水泥攪拌樁復合地基的沉降量小，前者的最大沉降量約為109 mm，后者的最大沉降量約為151 mm。

5 結束語

本文以湖北省孝感市某高層小區項目軟土地基處理工程為研究對象，運用室內試驗獲得場區軟土地基的物理力學指標，并基于數值模擬手段對水泥土攪拌樁的加固參數進行計算，將研究成果應用于工程施工，得到以下3個結論。

第一，不同噴漿壓力下，水泥土攪拌樁周圍土體位移，隨著距徑比增加的變化規律均呈指數降低的趨勢，距徑比＞3.0 m時，不同噴漿壓力下的土體位移均接近于零。第二，不同噴漿持續時間，水泥土攪拌樁周圍土體超靜孔隙水壓力，隨距徑比增加均呈現指數衰減的趨勢，并不斷趨近于零，噴漿持續時間＞20 s后，超靜孔隙水壓力的增幅較大。第三，工后沉降實測表明，水泥攪拌樁復合地基的工后沉降在1～8月，沉降量迅速增加，而在8～12月，沉降量則趨于收斂穩定。

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