軟土地基攪拌樁施工影響控制措施及其效果分析

王偉志 劉 青 楊煒林 敖江忠 徐永福

（1.上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，上海 200003；2.蕭甬鐵路有限責(zé)任公司，浙江 寧波 315000；3.上海交通大學(xué)土木工程系，上海 200240）

0 引言

新建上海至杭州客運(yùn)專線上海南聯(lián)絡(luò)線工程線路長(zhǎng)度7.99km。由于線路施工場(chǎng)地狹小，沿線軟土含水率大、強(qiáng)度小、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，遂采用水泥攪拌樁進(jìn)行軟土地基處理。受施工影響，軟土地基很容易產(chǎn)生災(zāi)變，會(huì)對(duì)既有線路造成不利影響[1-2]。盡管針對(duì)水泥攪拌樁處理軟土地基的施工做了非常嚴(yán)格的規(guī)定，但潛在的施工對(duì)既有線路的危害還是需要高度重視[3-4]。因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)軟土地基中水泥攪拌樁施工的影響，尤其是對(duì)既有線路的影響，對(duì)確保地基處理施工安全和既有鐵路正常運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要[5-6]。

深層水泥土攪拌樁經(jīng)常被用于軟土路基的處理[7-8]，水泥土攪拌樁施工會(huì)對(duì)樁周土產(chǎn)生擾動(dòng)，引起土體強(qiáng)度減小、地基承載力降低[9]。武孝天等[10]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力、土壓力和水平位移，揭示攪拌樁施工影響機(jī)理，提出定量表示攪拌樁施工影響的方法。Chai 等[11]基于圓柱孔擴(kuò)張理論，提出了攪拌樁施工引起鄰近土體側(cè)向位移的計(jì)算方法，僅適用于單樁施工情況，對(duì)于多樁施工的計(jì)算誤差較大。鄧永峰等[12]根據(jù)水泥攪拌樁施工的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，評(píng)價(jià)了水泥攪拌樁施工帶來的影響。

為了保護(hù)既有鐵路安全運(yùn)營(yíng)，需要不斷探索如何控制水泥土攪拌樁施工的影響。魏海濤和蔡智[13]探討了水泥攪拌樁和回填土兩種施工順序的處理效果，采用“先土后樁”順序的施工期沉降大于“先樁后土”，但工后沉降大大減小。石舒[14]針對(duì)地鐵下穿高鐵高架橋的旋噴樁工程，發(fā)現(xiàn)控制施工速度能減小對(duì)樁基的影響。卞榮等[15]采用數(shù)值方法對(duì)預(yù)制樁靜壓施工的影響范圍進(jìn)行分區(qū)，樁長(zhǎng)小于2 倍隧道外徑Dt時(shí)，強(qiáng)影響區(qū)域范圍為max(1.5Dt,4.5Dp)，弱影響區(qū)域范圍為max(4Dt,8Dp)；樁長(zhǎng)介于2～6Dt時(shí)，強(qiáng)影響區(qū)域范圍為max(Dt,3Dp)，弱影響區(qū)域范圍為max(3Dt,6Dp)。盡管對(duì)地基處理的施工影響做了很多探索性研究，至今仍處于半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)。鑒于此，采用ABAQUS有限元方法，針對(duì)降低水泥攪拌樁施工對(duì)既有線路影響的措施，建立計(jì)算模型，分析常用的控制措施對(duì)水泥攪拌樁施工影響的控制效果，避免影響既有鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

1 軟土地基中水泥攪拌樁施工影響分析

水泥攪拌樁施工時(shí)會(huì)擠壓樁周土，導(dǎo)致初始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力和位移，引起超孔隙水壓力。如圖1所示，水泥攪拌樁施工形成的影響分為6個(gè)區(qū)，依次為①樁下擾動(dòng)區(qū)、②涂抹區(qū)（就是破壞區(qū)）、③擾動(dòng)區(qū)（攪拌樁的塑性區(qū)）、④變形區(qū)、⑤地表隆起區(qū)和⑥近樁沉陷區(qū)。因此，水泥攪拌樁施工對(duì)土體的影響歸結(jié)為以下三方面：

圖1 樁周土體位移分布

（1）產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，水泥攪拌樁施工過程中，擠壓樁周土體，土中產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，這種現(xiàn)象可以用柱孔擴(kuò)張理論解釋；

（2）土體發(fā)生位移，水泥攪拌樁施工的擠壓作用導(dǎo)致土體產(chǎn)生水平位移和垂直隆起；

（3）產(chǎn)生超孔隙水壓力，在飽和軟粘土中，攪拌樁施工的振動(dòng)和擠壓在土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力，當(dāng)超孔隙水壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，環(huán)向的有效應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，與之垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)裂縫，類似于“水壓致裂”現(xiàn)象。

水泥攪拌樁施工對(duì)樁周土體的影響可以用柱孔擴(kuò)張模型模擬[16-17]，如圖2所示，模擬為在無限長(zhǎng)空間中一個(gè)圓柱形孔的平面應(yīng)變軸對(duì)稱擴(kuò)張模型。假定土體為飽和，擴(kuò)孔速率遠(yuǎn)大于固結(jié)速率，柱孔擴(kuò)張過程中土體不排水。一旦開始擴(kuò)孔的應(yīng)變加載，孔周土體屈服，因此塑性區(qū)延伸至無限遠(yuǎn)處。初始半徑為R0，擴(kuò)張后半徑擴(kuò)至R處，此時(shí)擴(kuò)孔壓力為σR。孔周土體單元的徑向應(yīng)力表示為σr，切向應(yīng)力表示為σθ；無窮遠(yuǎn)處土體的應(yīng)力狀態(tài)為原位應(yīng)力狀態(tài)，水平方向徑向和切向應(yīng)力大小均為σh0，豎直方向應(yīng)力大小為σv0。

圖2 柱孔擴(kuò)張的計(jì)算模型

徐永福和傅德明基于柱孔擴(kuò)張理論，導(dǎo)出了塑性區(qū)和彈性區(qū)的應(yīng)力、位移和超孔隙水壓力公式。達(dá)到塑性區(qū)的最小擴(kuò)孔壓力為：

式中：

c和φ——土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角；

K0——靜止土壓力系數(shù)；

γ——土的容重；

z——深度。

塑性區(qū)（R＜r＜RP）內(nèi)土體的應(yīng)力、徑向位移和超孔隙水壓力分別表示為：

式中：

Af——孔隙水壓力系數(shù)；

RP——塑性區(qū)半徑，表示為：

根據(jù)式（2）計(jì)算水泥攪拌樁施工引起樁周土中的應(yīng)力、位移和超孔隙水壓力沿徑向分布，如圖3所示。從圖3中看出，水泥攪拌樁施工對(duì)樁周土體的影響分為3個(gè)區(qū)域：（1）破壞區(qū)，緊靠水泥攪拌樁；（2）塑性區(qū)，大約在10R范圍內(nèi)；（3）彈性區(qū)，塑性區(qū)以外一定范圍內(nèi)。彈性區(qū)的土體不受水泥攪拌樁施工影響，水泥攪拌樁施工對(duì)破壞區(qū)和塑性區(qū)土體影響明顯，需要進(jìn)行控制，避免破壞區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，危機(jī)既有鐵路安全。

圖3 水泥攪拌樁施工影響分區(qū)

2 水泥攪拌樁施工影響的控制措施及效果分析

控制水泥攪拌樁施工影響的工程措施可以從減小應(yīng)力、位移和超孔隙水壓力三個(gè)方面提出。增加樁間距降低應(yīng)力和位移的疊加效果，控制施工影響；設(shè)置隔離槽，隔斷應(yīng)力和位移疊加；降低施工速度，減小施工擾動(dòng)，降低超孔隙水壓力。

通過建立水泥攪拌樁施工控制措施的計(jì)算模型，分析水泥攪拌樁施工控制措施對(duì)施工影響的控制效果，驗(yàn)證水泥攪拌樁施工控制措施的可靠性。

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

水泥攪拌樁施工影響的計(jì)算模型基于以下假設(shè)建立：（1）軸對(duì)稱問題；（2）均質(zhì)土；（3）總應(yīng)力法；（4）土體采用Mohr-Coulomb模型，考慮大變形和材料非線性；（5）考慮初始應(yīng)力場(chǎng)影響。圖4為計(jì)算模型示意圖和網(wǎng)格劃分圖。為了提高計(jì)算精度，在擴(kuò)孔區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。攪拌樁半徑為0.25m，樁長(zhǎng)為15m，土體水平和豎向計(jì)算區(qū)域分別為10m和20m。土體上表面為自由邊界，下表面豎向固定，左側(cè)和右側(cè)水平固定，擴(kuò)孔通過改變左側(cè)位移邊界條件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算參數(shù)列于表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖4 攪拌樁施工影響的計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分圖

2.2 不同措施應(yīng)用效果分析

2.2.1 增加樁間距及其效果分析

水泥攪拌樁樁間距對(duì)攪拌樁施工產(chǎn)生的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力的影響如圖5所示。與單根攪拌樁相比，兩個(gè)攪拌樁施工引起的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力很大，特別是在遠(yuǎn)距離的地方（r＞1m）。隨著攪拌樁樁間距（L）增大攪拌樁施工引起的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力快速減小。因此，適當(dāng)增加攪拌樁樁間距，能有效地減小攪拌樁施工引起的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力，降低攪拌樁施形成的影響。

圖5 樁間距對(duì)應(yīng)力的影響

水泥攪拌樁樁間距對(duì)攪拌樁施工產(chǎn)生的徑向位移（水平位移）和豎向位移（沉降）的影響如圖6所示。兩個(gè)攪拌樁施工遠(yuǎn)大于單根攪拌樁施工引起的徑向位移和豎向位移。隨著攪拌樁樁間距（L）增大攪拌樁施工引起的徑向位移和豎向位移顯著減小。另外，水泥攪拌樁樁間距對(duì)沉降影響更加明顯。隨著攪拌樁樁間距增加，攪拌樁施工影響的疊加效應(yīng)降低，導(dǎo)致攪拌樁施工的應(yīng)力和位移減小。

圖6 樁間距對(duì)位移的影響

2.2.2 設(shè)置隔離槽及其效果分析

設(shè)置隔離槽，研究其對(duì)攪拌樁施工影響的控制效果。在圖7中，水泥攪拌樁的長(zhǎng)度為15m，隔離槽距樁中心線距離為3m，隔離槽的深度和寬度分別為4m和1m。

圖7 隔離槽的示意圖

隔離槽前1m和隔離槽后1m處的攪拌樁施工引起的徑向位移如圖8所示。隔離槽后面，攪拌樁施工引起的土體徑向位移明顯減小，隨著隔離槽深度增加，徑向位移減小幅度增加。隔離槽前，攪拌樁施工引起的徑向位移略有增加，隨著隔離槽深度增加，攪拌樁施工引起的徑向位移增加幅度加大。隔離槽隔斷了攪拌樁施工引起的能量傳播，導(dǎo)致隔離槽深度范圍內(nèi)攪拌樁施工能量全部由隔離槽前土體承擔(dān)，導(dǎo)致隔離槽前土體的徑向位移增加。

圖8 隔離槽對(duì)土體徑向位移的影響

2.2.3 降低施工速度及其效果分析

不同施工速度的水泥攪拌樁施工引起的超孔隙水壓力如圖9 所示。圖9a 是深度為5m 處的超孔隙水壓力，圖9b是深度為10m處的超孔隙水壓力。在5R范圍內(nèi)，隨著攪拌樁施工時(shí)間增加（由20min增加到60min），即攪拌樁施工速度減小，超孔隙水壓力減小。水泥攪拌樁施工對(duì)超孔隙水壓力的影響范圍大約為8～10R。因此，降低攪拌樁的施工速度，減小了攪拌樁施工振動(dòng)，導(dǎo)致土體中的超孔隙水壓力減小。

圖9 施工速度對(duì)超孔隙水壓力的影響

水泥攪拌樁施工速度對(duì)土體徑向位移和豎向位移的影響如圖10所示。攪拌樁施工速度對(duì)土體的徑向位移影響小，對(duì)土體的豎向位移影響大。由于攪拌樁施工引起土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，超孔隙水壓力消散產(chǎn)生沉降（豎向位移），因此攪拌樁施工速度對(duì)豎向位移影響大。

圖10 施工速度對(duì)土體位移的影響

3 結(jié)束語

本文分析了軟土地基中水泥攪拌樁施工對(duì)既有線路的影響，并通過建立水泥攪拌樁施工過程的數(shù)值計(jì)算模型，分析了3種水泥攪拌樁施工控制措施的控制效果，得到以下結(jié)論：

（1）水泥攪拌樁施工對(duì)土體的影響表現(xiàn)為擠壓作用，在樁周土體中產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力、位移和超孔隙水壓力，出現(xiàn)“水壓致裂”現(xiàn)象。

（2）采用柱孔擴(kuò)張理論模擬水泥攪拌樁施工，分析攪拌樁的施工影響，將樁周土體分為破壞區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)。破壞區(qū)為3～4R，塑性區(qū)在10R以內(nèi)。

（3）適當(dāng)增加攪拌樁樁間距，能有效地減小攪拌樁施工引起的徑向應(yīng)力和豎向應(yīng)力，降低攪拌樁施工影響。

（4）設(shè)置隔離槽可以隔斷攪拌樁施工影響的傳輸通道，有利于減小攪拌樁施工引起的徑向位移。

（5）降低攪拌樁的施工速度，減小了攪拌樁施工振動(dòng)，減了小樁周土體中的超孔隙水壓力和豎向位移，對(duì)徑向位移影響很小。