水泥攪拌樁在碼頭岸坡加固施工中的設計應用

杜靜 廣東省航運規(guī)劃設計院有限公司

在實際工程中，碼頭岸坡加固過程中路基承載力達不到設計要求時，必須采取相應的加固措施，混凝土攪拌樁是一種在碼頭邊坡加固處理中得到廣泛應用的施工方法。近幾年，國內(nèi)已開展了大量的研究工作，其中以釘型水泥土攪拌樁為主，采用數(shù)值仿真軟件，對單、群兩種情況下的地基進行了加固。結果表明，采用該方法可以有效地承受地基的上部荷載，并采用相應的加固方法，使地基沉降明顯減小。結合某路基工程實例，利用有限元軟件對地基進行了計算，重點分析了樁間距、填土高度、樁直徑等對基礎沉陷的影響，并提出了相應的計算公式。利用有限元數(shù)值模擬方法，對碼頭岸坡加固后的軟弱地基進行了試驗研究，得出了混凝土攪拌樁在軟土地基中的作用。混凝土攪拌樁作為地基加固的高效方法，施工簡便，對環(huán)境影響小，在城市建設中有著廣泛的應用前景。本文以某碼頭岸坡加固施工地基為例，利用有限元軟件建立計算模型，著重分析了在加固前后地基變形的變化，分析了地基變化對地基變形的影響，并與實測資料進行比較，得出了相應的結論，可為同類工程的設計、施工提供依據(jù)。本文從控制成樁質(zhì)量，減少水泥用量，優(yōu)化施工工藝，通過改進施工技術、調(diào)整水泥用量、加入添加劑等方法，進行了現(xiàn)場試驗，并對試驗結果進行了檢驗，對大范圍施工水泥攪拌樁施工具有一定的指導作用，也可為同類工程提供參考和借鑒。

1.工程概況

擬加在碼頭岸坡中的加固施工，整治堤長500米，壩頂高度2.5～3.0米，壩頂寬度為3.5～4米，堤體較細，壩頂寬僅為8m，未達到50年一遇的防洪標準。目前的堤體以粘粒和砂粒為主，土內(nèi)含有植物根，部分路段有碎石和建筑廢棄物，堤體中的砂質(zhì)含量較高，不均勻、土質(zhì)疏松且不能壓實。由于在修建堤壩時，地基沒有采取任何工程措施，因此在碼頭岸坡前面，混凝土護岸直接建在未經(jīng)過處理的軟土地基上，導致軟土在壓力作用下發(fā)生壓縮變形、側向滑移或擠壓，從而對上部結構的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。碼頭岸坡內(nèi)，采用混凝土攪拌樁加固，共1700米，樁間距為750毫米，樁與樁之間的搭接間距為150毫米，樁長5-15米，合計52米左右。無側限壓縮強度的設計要求：25天內(nèi)不得低于0.5 MPa，90天內(nèi)不得低于0.8 MPa。由于該項目所處理區(qū)域的淤泥結構性差，需要處理的路段較長，因此在施工之前，應先進行試樁，以獲得符合設計要求的水泥漿料配方及施工技術參數(shù)，從而指導大規(guī)模的施工。如表1所示，為水泥攪拌樁與土工格柵物理力學參數(shù)。

表1 混凝土攪拌樁土工格板的物理機械性能參數(shù)研究

根據(jù)基礎的對稱性，采用半幅寬度法，即基坑頂部寬15 m，高5 m，坡降為1:3。該模型的總體寬度為45米，模型的長度為15米（豎向地基橫斷面），土基的高度為15米，自上而下的順序是填土、粉質(zhì)粘土以及普通黏土，由上到下的厚度分別為2米、4米和6米。沙礫土床墊的厚度為1 m。混凝土攪拌樁的長度為15米、直徑55厘米、間隔1.5米。模型中除了上部的邊界都是受位移限制的。

2.水泥攪拌樁實施方案

2.1 設計及成樁工藝

碼頭岸坡加固工程所涉及的工程區(qū)以淤泥基礎為主，全部路線均有此類土質(zhì)，且淤泥土質(zhì)厚度較大。因此，針對工程實際，結合堤壩加固斷面形式，建議采用水泥攪拌樁。水泥土攪拌樁是利用水泥作為主要固化劑，通過與軟土的化學作用，使其達到符合要求的整體穩(wěn)定性和總體強度。此類地基安全可靠，價格低廉，但施工過程復雜，建設周期較長。為節(jié)省資金，本工程采用混凝土攪拌樁法進行堤身加固。經(jīng)測算，樁徑22.5米、樁長15米、間隔1.5米，呈三角形排列，共插樁42根左右，樁長68米，具體的布局如圖1所示。

圖1 三角形布樁方案

在施工之前，先進行一次工藝試驗，其試樁數(shù)目不得低于6個。試樁分3組，每組2個，三組試樁的規(guī)格分別為70公斤/米、75公斤/米、80公斤/米。在進行單樁靜壓試驗時，首先要確定各工藝參數(shù)，然后選取合適的施工措施，使其達到設計要求，滿足需求后則得以開展大規(guī)模的工程。本項目所用的混凝土樁是以42.5級普通硅酸鹽水泥作為樁體。試驗結果表明，在90天齡期情況下，樁的抗壓強度應在2MPa以上，而在30天齡期，無側限抗壓強度應在2MPa以上。攪拌樁直徑600毫米，單樁重量為200公斤，復合地基100公斤。?；腋叨纫哂谠O計樁頂標高600mm，漿水灰比例嚴格控制在0.50～0.55之間。

2.2 地基承載力驗算

采用濕法施工以及“兩噴四攪”的成樁方法?；炷翑嚢铇对谑┕龅貎?nèi)必須進行平整，進入場地前要清理地面及周圍的障礙。工程機械設備的選用應根據(jù)樁位、樁型、樁徑、樁長和現(xiàn)場地質(zhì)條件等因素進行復驗，在攪拌樁施工之前，先將其平整到設計高度，然后形成一個打樁平臺。在樁基施工過程中，必須時刻關注基坑和邊坡的變形情況，一旦出現(xiàn)變形，應及時停止施工，并采用臨時支護措施。當停漿灰面比樁頂部設計高度超出600 mm時，進行基坑開挖要對樁頭以下的土體和樁頂工程質(zhì)量差的部位進行人工開挖。在進行地基處理后，要對該復合地基進行承載力檢驗，并參照表2對每一層的樁基礎性能指標進行計算。

表2 各層地基特征指數(shù)推薦數(shù)值

根據(jù)樁周土與樁端土的受力，得出單樁承載力公式為下列式子（1）所示：

式中，R為單樁承載力，u為抗壓強度，q為攪拌樁的樁徑，l為設計樁頂標高，aq樁側摩阻力特征值，A為樁的極限端阻力特征值。根據(jù)公式（2），以樁體材料強度來決定單樁的承載力：

式中，η為承載系數(shù)，f為地基特征變化值。通過對混合樁承載力特性的分析，可以看出混合樁在加固后符合地基的承載力，且結果比軸向荷載要大，完全滿足堤壩的使用需求。

2.3 土堤最終沉降量估算

在施工過程中，使用水平尺對導桿與攪拌軸垂直度進行檢測，豎向偏差不得大于2%；采用5d輕質(zhì)動態(tài)觸探檢測樁體的均勻度，8d淺埋樁樁徑，最大樁徑不能小于設計要求，檢測樁號為4.5%；在攪拌樁施工30天后，利用雙管、單動取樣法對夾心進行了取樣，并對其進行了持力層的土性分析，并對攪拌均勻度及防滲強度進行了評估，沉降計算采用公式（3）進行計算：

式中，S為地基最后的基礎沉降量；m為沉降系數(shù)；為沉降深度劃分層數(shù)；e為新建時第i土層自重應力孔隙比；e為第i土層自重應力和附加應力作用下的孔隙比；h為第i土層的厚度。根據(jù)工程實踐，m的常用值為1.40。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在20m以下的淤泥層中，混凝土攪拌樁在250天后的固結度可以達到83.5%，完成后的基礎沉降僅為0.15 m。根據(jù)堤防預留的沉降量，設計的預留量為0.20米。

3.試樁施工數(shù)值結果分析

3.1 水泥攪拌樁加固前后路基位移分析

從圖2可以看出，在加固前后基坑的沉降最大，向兩邊的沉降呈現(xiàn)遞減的狀態(tài)。在不進行加固的情況下，地基的中心沉降值為-130.5毫米，加固后的地基中心沉降值為-73.5毫米，與沒有進行加固時相比，用混凝土攪拌樁加固后，地基的沉降量下降了45.0%。

圖2 地基在加固前后期的沉降特性

圖3 路基在加固前后期的橫向變形特性

在此基礎上，本文采用混凝土攪拌樁加固前后從基坑底到地面的橫向位移曲線，在沒有進行加固的情況下，距地面3米左右的水平位移最大，這表明在3米深的地方，土體的應力也是最大的，最大水平位移是72.5 mm。

在采用混凝土攪拌樁進行加固的情況下，在距地面10米左右的水平位移最大，表明在3米深的地方，土體的最大水平位移達到26.5毫米，這是由于混凝土攪拌樁施工后形成的復合地基使土的橫向位移降低，使最大水平位移值下降。采用混凝土攪拌樁加固后，其最大水平位移幅度較不采用此方法時降低了63.1%。

3.2 填筑高度對路基位移影響分析

在填筑過程中，采用四種不同填筑方式的結果表明，在不同的填筑高度下地基的地表沉降曲線最大。在填筑高度為1 m、2 m、3 m、4 m的情況下，地基的中心沉降量分別為-19.1毫米、-35.5毫米、-51.8毫米和-73.5毫米，與1 m的填筑高度相比，在2m、3m和4m的情況下，地基的中心沉降幅度較高的分別增加88.5%、175.5%和287.9%。隨著填筑高度的增加，從圖中可以看出，從基坑底開始橫向位移先增加后降低，當距離地面10米左右時，出現(xiàn)最大的橫向位移，表明10m處的基坑壓力是最大的。在1米、2米、3米和4米的情況下，最大水平位移為16毫米、20.5毫米、23.5毫米和25.8毫米。在2米、3米和4米的情況下，與1 m的填筑高度相比，最大水平位移幅度分別增加22.7%、42.1%和57.4 %。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬對比分析

為了驗證數(shù)值仿真的正確性，在實際工程中進行了地面沉降的監(jiān)測和分析，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 地基沉降對比圖的現(xiàn)場測量與仿真數(shù)值

從曲線圖可以看出，路基在初始階段的沉降速度很快，150d以后沉降速度開始變慢，到了250d左右沉降趨于平穩(wěn)。通過對實測沉降曲線與數(shù)值仿真結果進行比較，表明該模型的最大沉降值為-72.7毫米，現(xiàn)場實測的最大沉降值為-73.5毫米，兩者之間的偏差小于5%，表明了數(shù)值仿真的正確性。

4.結束語

本文主要對在碼頭岸坡加固施工中的復雜地質(zhì)條件下，深層水泥攪拌樁地基加固關鍵技術進行研究，并從施工技術結構設計方面進行介紹，通過填筑高度對路基位移影響來反復碎土，同時增加在碼頭岸坡加固施工中的軟化土層，保證了硬砂土和黏土層中的成樁強度及成樁連續(xù)性。水泥攪拌樁作為一種新型的地基，其不均勻沉降較少，承載能力較強，對周圍環(huán)境的影響較小，因此在工程中得到了廣泛的應用。設計成套的適用性、通用性和可靠性較高的施工技術，并成功應用于標段工程中，極大地降低了不良土質(zhì)對地基加固的影響，提高了成樁質(zhì)量，本標段內(nèi)單樁取芯試件合格率均達到90%以上，所有取芯樁合格率為100%，滿足設計要求，該套技術具有施工質(zhì)量合格率高、適用范圍廣、施工效率快的優(yōu)點，因此，施工中采用的施工方案和計算復核方法，對碼頭岸坡加固施工的軟弱地基處理有一定的參考價值，為達到最佳的地基處理效果，需要不斷探索新的施工技術及方法，為其它類似項目的施工提供參考。