基坑止水帷幕中深层搅拌桩的应用

蔚贵宏，李慧兰，刘 丽，汪 茜，郑百功

（1. 长春市水利勘测设计研究院，长春 130062；2. 长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021；3. 吉林大学建设工程学院，长春 130026）

基坑止水帷幕中深层搅拌桩的应用

蔚贵宏1，李慧兰2，刘 丽1，汪 茜3，郑百功3

（1. 长春市水利勘测设计研究院，长春 130062；2. 长春工程学院勘查与测绘学院，长春 130021；3. 吉林大学建设工程学院，长春 130026）

本文根据工程实例介绍了深层搅拌桩在基坑止水帷幕墙中应用，并简述了其计算方法。工程实践表明，深层搅拌桩与周围土体共同作用形成的水泥土挡墙具有安全可靠，无噪音，综合工期短，无污染等优点。

深层搅拌桩；水泥土挡墙；基坑支护；止水帷幕墙

0 引言

水泥土深层搅拌桩是加固软土地基的一种新方法，它是利用石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理-化学作用，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体。我国20世纪80年代初开始应用搅拌桩代替钢板桩作支护结构。这种支挡结构不透水，不设支撑，使基坑能在敞开的条件下开挖，并且只使用水泥座位材料，具有较好的经济效益[1～6]。

1 工程基本情况

1.1 工程概况

某花园住宅楼位于长春市经济技术开发区临河街西侧，设计方案中12#楼、13#楼、14#楼、15#楼有一层地下室，场区地下室基坑开挖深度为4.00m，另外在基坑底还须进行人工挖孔桩的施工。

由于场地地基土层中中砂及粗砂厚度不均，强度较低，稳定性差。地下水丰富，在基坑开挖及基础人工挖孔桩施工过程中如不采取有效措施，必须进行大量抽水，造成大量地下水的流失、引起流砂坍塌，进而引起临近建筑及地面沉降变形破坏，必须采取安全、经济合理的基坑支护措施，确保基坑开挖及地下室施工的顺利进行。

1.2 场地工程地质条件

场地地貌属伊通河一级阶地，地形起伏不大，相对高差0.79m；由白垩系灰白色砂页岩构成基底，上覆第四系粉质粘土、粗砂等。地层自上而下分层描述如下。

（1）杂填土：杂色，主要以建筑垃圾为主，多由砖头、瓦块、碎石等组成，结构松散，下部0.3～0.7m为耕植土。

（2）粉质粘土：黄褐色，新近期沉积土，可塑，层底深度1.70～3.90m。

（3）粉质粘土：灰黑色，含有机质，近淤泥质土，局部夹薄层细砂，软塑，层底深度2.80～6.10m。

（4）中砂：灰白色、黄色、饱和，底部常见5～15m砾石，松散—稍密，主要成份石英、长石等组成，可见层底深度4.6～6.7m。

（5）粗砂：灰色、饱和、中密，由于粒径较大与④层中砂成相变，主要成份石英、长石等组成，可见层底深度5.6～6.6m。

（6）砂质泥岩强风化层：紫红色，灰白色，风化成土状，硬塑，夹0.5m厚的纯净砂岩，可见层底深度6.7～10.3m。

以下为中风化—微风化砂质泥岩，与基坑支护关系不大。

场地地下水为孔隙潜水，含水层为粉质粘土，水位埋深1.8～3.6m，主要靠河流侧向和大气降水补给。

1.3 基坑支护方案

由于基坑开挖深度范围内有杂填土、粉质粘土、中砂和粗砂，涌水量较大。故采用深层搅拌止水帷幕墙将地下水阻隔于基坑之外，避免坑底涌水、涌砂；且有重力式挡土墙的作用，确保基坑开挖及地下室施工的顺利进行。深层搅拌桩的设置及工艺技术要求如下：

（1）沿基坑开挖线外侧周边设置直径500mm，桩心距350mm，相互搭接150mm，深7m的深层搅拌桩构成止水帷幕墙（如图1），桩尖进入砂质泥岩强风化层300～500mm。

图1 深层止水帷幕平面结构示意图

（2）由于基坑周长较长，为确保基坑的安全，若地下室外墙线与建筑红线之间的距离超过5m时，进行深搅止水帷幕墙内侧放坡施工（见图2）；基坑尺寸受限制的地方则进行深搅内侧垂直开挖的形式（见图3）。若基坑实际开挖深度超过4m，因基坑尺寸受限制，不能进行深搅墙内侧放坡，则采取深搅墙顶部取土减载的方法（见图4）。

图2 深搅墙内侧放坡

图3 深搅墙内侧垂直开挖

图4 深搅墙顶部取土减载

2 工程基本参数

2.1 原始数据

基坑深度(桩顶距坑底距离)：4.00m，

放坡角度(用于无支护开挖和土钉)：90°,桩嵌固深度安全系数：1.2,

桩背与土的摩擦角系数：0.3,

需要护坡的基坑周长=600m,

墙厚度：5m；墙入土深度：2.5m,

计算参数见表1。

表1 物理力学性质试验数据表

2.2 计算内容

（1）主动土压力、被动土压力按朗肯土压力理论计算。对应图3的计算结果见图5、图6。

图5 主动土压力计算结果

图6 被动土压力计算结果

（2）稳定性计算

①抗倾覆计算

水泥土挡墙绕墙趾抗倾覆安全系数：

②抗滑移计算

水泥土挡墙沿墙底滑动的安全系数：

满足稳定性要求。

（3）最大弯矩计算

水泥土挡墙最大弯矩的作用点是结构断面剪力为零的点。算得纵向每延米最大弯矩值=7.06(kN•m)（见图7）。

图7 水泥土挡墙弯矩图

（4）墙体应力验算

①墙体正应力验算

γo——墙体平均重度，

Z ——计算截面以上水泥土墙的高度，

q ——支护结构顶面堆载，

M ——挡土墙计算截面处的弯矩，

x1、x2——挡土墙在计算截面处的截面形心至最大、最小应力点的距离，

I——挡土墙在计算截面处的惯性矩，

qu——水泥土无侧限抗压强度，

Kj——考虑水泥土强度不均匀的系数。

由上式算得水泥土承受的最大抗弯应力为262.54(kPa)，水泥土承受的最小抗弯应力为76.34(kPa)，水泥土承受的最大抗弯应力满足设计要求。

②墙体剪应力验算

式中：τ——计算截面处的剪应力,

E'α——计算截面以上主动土压力的合力,

η——计算截面处水泥土的置换率。

算得最大剪力点距桩顶距离4.00(m)；最大剪应力17.52(kPa)，抗剪应力满足设计要求（见图8）。

图8 水泥土挡墙剪力图

3 工艺技术及质量控制与检验

3.1 工艺技术

(1)为了保证搅拌均匀，施工采用上、下三回次，六次搅拌的施工工艺，具体施工步聚如下：①深搅机械就位；②喷浆搅拌下沉；③喷浆搅拌提升；④重复喷浆搅拌下沉；⑤重复搅拌提升；⑥重复喷浆搅拌下沉；⑦重复搅拌提升直至孔口；⑧移机就位施工下一棵桩。

(2)深搅固化剂使用425#矿渣硅酸盐水泥，水泥掺入量为被加固土重的18%，水灰比为0.5。

(3)水泥土搅拌桩的垂直度偏差不得超过1%，桩位布置偏差不得大于50mm，桩径偏差不得大于4%。开机前必须调试，检查桩机运转和输料管的畅通情况。

3.2 质量控制与检验

⑴成桩施工时，检查原材料质量，掺合比的检查；成桩时检查桩位、桩底标高、桩身垂直度、外掺剂掺量、喷浆量均匀。深搅钻头需设置搅拌叶片和喷浆叶片，喷浆叶片距搅拌头的距离≤200 mm。另外若遇坚硬地层，搅拌叶片磨损过快时，须在叶片上钻眼镶合金，保证成桩直径及搭接。

⑵为保证深搅帷幕能很好地将地下水阻隔于基坑之外，保证成桩质量，一律采用三回次六次喷浆搅拌法成桩，以保证桩身的完整性、连续性。

⑶为确保桩与桩之间的搭接质量、形成一道完整的防渗帷幕，采取以下措施：

①深搅机就位时，调平机架并安置平稳牢实，使深搅动力头导轨与自然悬垂的搅拌钻杆保持平行，以保证搅拌机垂直度。②搅拌下沉时在钻杆及动力头的自重作用下进行，控制搅拌提升速度。③经常检查钻头直径，并保持≥500mm。

⑷为了保证桩身强度，施工操作如因机械故障停机达10小时以上，则需在该桩之外补搅桩，以免搅拌桩初凝，造成桩体不连续。

4 结束语

水泥搅拌桩挡墙是水泥搅拌技术应用的进一步发展，作为深基坑开挖的挡墙维护技术与目前常用的钢板桩、砼桩相比，其振动小、无噪音、无泥浆废水污染、挤土轻微、抗渗性好、不须拔桩，可避免打、拔桩的振动对邻近建筑物的影响。基坑开挖时，不需要井点降水和支撑或拉锚，坑内空间宽敞，给主体结构施工带来方便，有利缩短综合工期和文明施工及安全生产等特点，而且造价也可降低30%左右。

[1] 赵明华. 土力学与基础工程 [M]. 武汉：武汉理工大学出版社, 2003: 187～226.

[2] 崔绍炎. 某工程深层搅拌桩成桩试验与检测的研究[J]. 施工技术, 2007, 36(01) : 53～55.

[3] 席培胜, 宫能和, 储海岩等. 双向搅拌桩加固软土地基应用研究 [J]. 施工技术, 2007, 36(01): 5～8.

[4] 周红丽. 止水帷幕在高层建筑深基坑中的应用 [J].岩土力学, 2003, 24(S1): 103～104.

[5] 钱同辉; 文 兵; 齐 . 重力式水泥搅拌桩挡墙在深基坑支护工程中的应用研究 [J]. 水文地质工程地质, 2004, (S1): 111～116.

[6] 孙介华. 关于水泥搅拌桩挡墙水平位移的分析与控制 [J]. 水文地质工程地质, 1998, (05): 58～59.

Practice of Deep Mixing Piles in Water-stopping Curtain of Foundation Pit

YU Guihong1LI Huilan2LIU Li1WANG Qian3ZHENG Baigong3
(1. Changchun Water Investigation Design and Research Institute, Changchun 130026; 2. Faculty of Prospecting & Surveying Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130021; 3. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026)

Formed by the forced mixing of proportioned cement mortar and foundation soil by special machine deep in the foundation, the water-stopping curtain wall of soil-cement pile can improve the stability of the foundation slope and performance of anti-seepage, thus reaches the objectives of stopping water and retaining soil. Based on the practice in actual project, calculation method of deep mixing piles in water-stopping curtain of foundation pits is introduced. Deep mixing piles combined with surrounding soil forms cement-soil retaining wall. Project practices show that cement-soil retaining wall has advantages of high reliability, lower noise, short construction period and no pollution.

Deep mixing pile; cement-soil retaining wall; foundation pit brace ;water-stopping curtain wall

TV551.4

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蔚贵宏（1976-），男，高级工程师，主要研究工程地质、地质灾害、土力学及基础工程。E-mail：chinaygh@sina.com”