佛山市某深基坑支護中重力式擋土墻應用研究

李瑞卓，張歐陽，趙 陽，鄧云程

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 工程概況

佛山某基坑項目總用地面積54 383.04m2，擬建高層住宅塔樓及幼兒園、商業及1～2 層地下室。本基坑支護總長約710.8m，最大開挖達深度9.5m。

南側基坑支護已在一層地下室區域開挖施工時打設預應力高強混凝土管樁垂直支護。基坑南側：項目負一層首開區范圍，施工中。基坑西側：地下室外墻邊距用地紅線最近約7.5m。基坑東側：地下室外墻邊距用地紅線最近約15.1m。基坑北側：地下室外墻邊距用地紅線最近約17.7m。基坑平面布置如圖1 所示。

圖1 基坑平面圖

基坑所在區域地質主要為：＜1-1>雜填土、＜1-2>素填土、＜2-1>淤泥質土、＜3-1>中砂、＜3-2>礫砂、＜3-4>粉質黏土、＜6-2>泥質粉砂巖和＜7>泥質粉砂巖。

根據勘察結果判斷場地地下水主要為第四系淺部土層中的孔隙水和深部基巖裂隙水。

1）第四系孔隙水（以潛水為主，局部為承壓水）：素填土＜1-1>層、雜填土＜1-2>層、沖洪積中砂＜3-1>層、礫砂＜3-2>層為本場地內的主要含水層。

2）基巖裂隙水（以承壓水為主）主要賦存在泥質粉砂巖的強風化帶和中等風化帶中，該層水通常上覆礫砂層＜3-2>及淤泥質土，故以承壓水為主，基巖裂隙水與礫砂＜3-2>相通，該場區的強風化層透水性弱，中等風化區透水性弱，富水性低。

2 水泥攪拌樁重力式擋墻支護原理

2.1 水泥攪拌樁作用機理

在普通硅酸鹽水泥與水和地基土進行拌合過程中，隨著水解、水化反應的不斷進行，普通硅酸鹽水泥里層的水化物不斷被溶解，最里層的水泥顆粒又不斷向外滲透出來與水繼續反應，一直到溶液飽和，此時新生成的物質不能溶于水，產生的一部分水泥顆粒與周圍土體顆粒發生反應，另外一部分逐漸凝結硬化，形成水泥土骨架。在一般的硅酸鹽水泥里，硫酸鈣、鋁酸三鈣會與水作用，形成一種針狀的“水泥桿菌”。這種針狀的水泥桿菌可以將地基中水泥漿的自由水轉化為固體，從而能降低水泥漿中46%自由水含量。

1）離子交換和團粒化作用 土壤為多相彌散體系，在與水的作用下，會形成一種具有膠狀特性的土壤。土壤中SiO2含量較高，與水作用后，可生成硅酸鹽膠體，其表面存在K、Na 等離子，均可與Ca 等離子發生吸附作用。在這種情況下，這些小粒子將逐漸地結合成為大粒子。在這種作用下，其體積將是最初的1 000 倍左右，因而其比表面積和吸附性也將大大增加，因而強度也將顯著增加。

2）凝硬作用 當水泥在土中與水發生水化反應并進行到一定程度的時候，水中的鈣離子濃度會升高，導致部分鈣離子不能發生吸附交換反應，在堿性環境下，這部分多余的鈣離子會與粘土中的SiO2、Al2O2發生化學反應，形成難溶的微晶凝膠。晶體膠體在水里會逐漸增加其強度，并且逐漸硬化，從而使水泥土具有一定的水穩性。

在水泥混合物中，自由氫氧化鈣可以在空氣和水里通過化學反應產生碳酸鈣。該反應能提高水泥的強度，但反應緩慢，增強幅度不大，用于增加后期強度。

2.2 水泥攪拌樁重力式擋墻設計

2.2.1 支護形式

水泥土攪拌樁重力式擋土墻支護是將水泥攪拌樁相互搭接，并與攪拌樁間土壤相結合，利用擋土墻體自重作用及嵌入深度對基體的影響，對基坑側壁土體進行支護的重力式支護結構。

當基坑深度較大，或基坑重要性等級較高時，可與鋼板樁、土釘、混凝土灌注樁等支護方式相互結合，形成復合支護。常見的水泥攪拌樁重力式擋墻如圖2 所示。橫向布置有帶肋和不帶肋的墻、格柵和拱形。水泥土攪拌樁的重力式擋墻一般適合在軟弱的地基上使用，而在基坑開挖時，由于支護結構存在較大的橫向變形，往往會在基坑內部和外部都有一定的沉降變形，從而導致基坑內部隆起和墻后地表沉降。

圖2 攪拌樁橫向布置形式

2.2.2 水泥攪拌樁支護的失效模式

圖3（a)所示的傾翻破壞是由擋土墻后的堆載、大型施工機械設備的安裝、擠壓、土方施工等所致。如圖3（b) 所示，墻壁和周圍的土壤發生了滑動和破壞，這樣的破壞是非常危險的，經常會引起墻壁后面的地面塌陷，并且會引起工程樁子的移動和地面的隆起。圖3（c) 所示的支承失效，是由于擋土墻的埋設深度不夠或基礎土壤的承載力不夠而引起的。

圖3 水泥攪拌樁支護結構的破壞形態

3 水泥攪拌樁重力式擋土墻施工情況

3.1 攪拌樁施工概況

根據安全性和經濟性原則，該項目深基坑采取分段設計分段施工的方式實施，基坑施工順序為：14-14 剖面→6-6 剖面→7-7 剖面→8-8 剖面→9-9 剖面→9′-9′剖面→10-10 剖面→11-11 剖面→12-12 剖面→12′-12′剖面→13-13剖面→13′-13′剖面。基坑支護的安全等級：8-8剖面安全等級、環境等級為一級，其余剖面為二級。該項目攪拌樁施工分為650mm 三聯攪拌樁和850mm 三聯攪拌樁施工。

3.2 攪拌樁施工流程

攪拌樁施工流程圖如下圖4 所示。

圖4 施工流程圖

3.3 施工參數設計及施工工藝

3.3.1 工藝參數

該項目水泥攪拌樁主要采用直徑650mm 攪拌樁與直徑850mm 攪拌樁，具體參數詳見表1。

表1 施工參數表

3.3.2 施工工藝

在三軸攪拌樁施工之前，必須先做2 根以上的工藝性測樁，以確定三軸攪拌樁的噴漿量、鉆孔速度、提升速度和攪拌次數。通過對工藝測試的檢驗，達到設計和質量的要求，才能進行大規模的施工。

1）場地整平 按照設計圖的施工次序，在現場用GPS 放樣，確定每根攪拌樁的樁位，并進行明顯的標記，每根樁位誤差±50mm。

2）樁位布置 攪拌樁機抵達施工現場后，應由當班機長統一調度，并在施工前對施工現場進行仔細的檢查，確保施工過程中的平順和安全，并做好樁的長度控制標尺。

3）樁機就位 攪拌樁機到達工作地點后，由值班機長統一安排，在運行之前，認真觀察現場，保證移位平穩、安全，同時做好樁長控制標尺。

4）備制水泥漿 壓漿前將按試樁數據配制水泥漿倒入儲漿桶中，并在2h 內使用完畢。

5）預攪下沉 啟動漿噴機馬達，松開吊車或起重機的鋼索，讓漿噴樁機沿著導軌從上往下噴漿，并打開泥漿泵，并開啟馬達使之空轉3～5min，待漿噴樁機正常運轉后再投入工作，并在噴漿期間，充分攪拌水泥和基土，直到達到樁底標高為止，現場噴漿30s 以上。

6）提升噴漿攪拌 當泥漿到達樁底部時，按測試規定的轉速將攪拌鉆頭抬起，在噴漿的同時，將其旋轉提升至離地50cm 或樁頂部設計高度時，停止泥漿泵運作，并在現場進行噴漿30s，以確保樁頭的均勻致密。

7）重復上下攪拌 噴漿器在達到設計樁頂高度時，為了均勻噴漿，將漿液噴到設計的樁頂高度，然后將漿液噴頭一邊轉動一邊下沉，直到達到設計的加固深度后，在把漿噴機從地面升起。

8）提鉆、轉移 將攪拌鉆頭從地面上提起來，停止主電機和空壓機，完成施工記錄單，移動樁機并對樁機垂直度進行修正后，再進行下一根樁的施工。

4 變形分析及控制措施

4.1 墻體水平位移變形

當基坑開挖深度增加時，墻體的變形仍然主要是斜向剛體，但如果在墻體上安裝水平支撐，墻體不會產生側向位移，也不會向坑外偏移，而墻體的腹壁會向內凸出。因此，與其他支護結構相比，水泥土攪拌樁的橫截面要大很多。由于水泥土樁體為剛體，在基坑施工時，受到多種應力的作用，土體的會發生橫向和旋轉運動。

4.2 坑底土體隆起

在基坑開挖過程中，隨著基坑的開挖，基坑內的土體在垂直方向上不斷地卸荷，在卸荷的同時，垂直方向上發生彈性回彈。這種回彈是由基坑內土體彈性變形引起的。它具有以下特點：在開挖結束后，回彈就會停止。而不會使基坑周圍的土體和周邊土體向坑內移動。

開挖深度增大后，基坑內外的高差也會隨之增大。當基坑開挖至某一深度時，因基坑內、外高差及地表多重超荷等因素，將引起圍護結構及坑外土壤受不平衡作用力向坑內移動，從而對坑內的土體進行橫向及縱向擠壓，使得坑內不僅出現向上的塑性凸起，也會在周圍產生塑性區，造成地表塌陷。如果塑性區很大，或者塑性區貫穿到表面，就會導致基坑整體的不穩定。

4.3 攪拌樁質量控制措施

1）對水泥用量、樁長、鉆頭提升速度、復攪次數、噴漿深度、實施配比等應全面記錄并進行校核。

2）在正式開工之前，必須進行試樁，以求出合理的施工參數。

3）施工前，按施工圖紙將各樁按施工區段進行劃分并記錄編號，施工時，按編號施工，并做好施工紀錄。

4）三軸式攪拌樁沉拔時，應使螺桿旋轉均勻，使其下落均勻，起拔均勻。在進行注漿施工的時候，要對漿噴樁的攪拌下沉和提升速度進行嚴格的控制，攪拌下沉速度不超過1m/min，提升速度不超過2m/min。

5）嚴格控制水泥石的配比，為避免水泥石的離析，水泥石配制完成后不能超過2h。

6）要定期維護和維護攪拌樁機，由專門人員操作，每到工作崗位，都要檢查機器的工作情況，保證機器運行正常，相鄰樁之間的施工時間不能超過24h，一旦長達24h，就需要在工法樁的外側再打一幅三軸樁，以加強施工。

7）為確保攪拌樁位的準確性及豎直性，在施工過程中，應使用定位卡，并確保吊具的平直，導向架應與地面保持垂直。

8）不能使用過期或受潮的水泥，必須對水泥進行檢驗，確保其質量符合要求。

9）施工中的偏差，檢驗數量及檢驗方法如表2 所示。

表2 攪拌樁質量檢測參數表

5 結語

該項目位于佛山地區軟土層較厚，工程性質較差，所以深基坑的支護方案選擇顯得尤為重要。通過對項目上水文地質的勘探研究，選用水泥攪拌樁重力式擋土墻作為主要的基坑支護措施，在保證安全可靠的前提下，經濟效益較好，施工質量能夠保證。對水泥攪拌樁的支護機理進行深入的研究后，分析攪拌樁的支護形式以及支護破壞的主要三種類型，對于該項目的水泥攪拌樁重力式擋土墻有針對性地進行選擇施工工藝及合理的設置施工流程，保證施工過程中的規范性和合理性。

對于施工過程中的水泥式攪拌樁進行支護結構基坑變形分析，主要有墻體水平位移變形和坑底土體隆起這兩個方面，故在攪拌樁的施工過程中，對其進行質量把控，降低在施工過程中的風險。