深层水泥土搅拌桩在深厚海相淤泥质软土中的应用研究

吴宁

（中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

深层水泥土桩由于施工方便、环境扰动小及造价低廉等特点而被广泛应用于软土地基处理中[1-5]。近年来，随着我国港口建设的大力发展，在海相淤泥质软土地基上修建的港口工程项目及相关配套设施越来越多。海相淤泥质软土大多处于流塑性状态，具有很大的孔隙比及含水量，压缩性极大，再加上极小的渗透系数，在上部荷载作用下，容易产生很大的长期持续性沉降，从而导致上部结构物产生破坏，影响正常使用[6-7]。

现有关于深层水泥土搅拌桩在海相淤泥质软土中的应用研究较少，对于深层水泥土搅拌桩处理深厚海相淤泥质软土的效果及其工作特性不是十分清楚。本文以我国沿海某港口工程通港大道的深层水泥土搅拌桩复合地基处理工程为依托，通过埋设土压力盒、测斜管和沉降板等测试元件，开展深厚海相淤泥质软土中深层水泥土搅拌桩复合地基的现场监测，讨论深层水泥土搅拌桩处理深厚海相淤泥质软土的效果以及在路堤荷载作用下的长期工作特性，对比湿喷和干喷两种搅拌桩施工工法在海相淤泥质软土中的效果。

1 现场试验设计

1.1 工程概况

工程所在地广泛分布着深厚的海相淤泥质软土。在通港大道的建设过程中，岩土工程勘察报告表明在埋深1.8~12.1 m的范围内存在着海相淤泥质软土，工程性质极差（见表1）。在2.5 m高的路堤填土作用下，预计总沉降高达80 cm，不能满足路堤填筑的沉降控制要求，因此拟采用深层搅拌桩对软土地基进行处理。为了解深层搅拌桩应用于海相淤泥质软土中的处理效果和比较干喷与湿喷工法的适用性，进行了试验段的填筑，分别采用湿喷和干喷工法，通过埋设测试元件，对复合地基变形以及荷载传递规律进行监测，对比了湿喷和干喷两种工法对于海相淤泥质软土的处理效果，并讨论了两种工法对桩周软土工程性质的影响程度。初步设计的深层水泥土搅拌桩桩长13 m，打穿软土层，按三角形分布，桩间距1.3 m，桩直径为500 mm。干喷和湿喷工法的设计水泥用量相同，水泥掺入比均为15%。

表1 试验场地的土层参数表Table1 Parameters of soil layers in test sites

1.2 试验方案

在进行深层水泥土搅拌桩复合地基变形和荷载传递规律监测时，埋设的主要监测设备有沉降板、测斜管和土压力盒。而在讨论深层水泥土搅拌桩施工对桩周土工程性质的影响时，使用的是钻孔取样法。试验共分为A、B两个断面，分别采用干喷和湿喷两种工法进行施工。两个试验断面的仪器埋设方式类似，平面布置如图1所示。

图1 仪器埋设平面图（单位：m）Fig.1 Plane graph of laying instruments（m）

具体的仪器埋设数量以及位置描述为：1）在路基的边缘处埋设1块沉降板和1根测斜管，其中测斜管长度为15 m，用以监测地基边缘处的沉降和深层水平位移；2）在路基中心处埋设1块沉降板观测复合地基中心处在填土荷载下的沉降；3） 在桩体以及土体表面对称埋设2个土压力盒，用以监测在填土荷载作用下桩土竖向应力的分布变化规律；4） 在深层水泥土搅拌桩施工完毕后28 d，在桩周土中钻孔取样，进行室内试验，分析桩体施工对于桩周土工程性质的影响，钻孔深度为20 m。

2 试验结果分析

2.1 地基变形

试验段的路堤填筑，在30 d左右的时间将路堤填筑至了2.5 m高度，填筑速率较快。由深层水泥土搅拌桩复合地基的沉降曲线（图2）可以看出，采用深层水泥土搅拌桩处理过的软土地基，能满足路堤快速填筑的要求。在迅速增加的上部荷载作用下，地基沉降稳定增加，没有出现突变情况，地基的整体稳定性较好。采用双曲线法进行的地基总沉降预测也可以看出，4块沉降板所测出的地基总沉降均小于35 cm，剩余沉降均小于10 cm。即采用深层水泥土搅拌桩进行海相淤泥质土处理之后，地基总沉降减少了一半以上，工后沉降也满足高速公路相应的工后沉降控制标准。在沉降量的控制上，干喷工法要优于湿喷工法。对于这一现象的分析，将在之后的荷载传递规律以及钻孔取样结果分析中做进一步的讨论。

图2 路基填筑过程的地基沉降图Fig.2 The settlement curvesof composite foundation during embankment fill process

图3 为路堤填筑完成时（30 d）复合地基的深层水平位移图。此时地基变形已基本稳定，这个时段的深层水平位移基本可以反应复合地基的侧向水平位移控制效果。由图3可以看出：在2.5 m的填土作用下，最大深层水平位移仅为30 mm左右。采用深层水泥土搅拌桩能很好地控制海相淤泥质软土的深层水平位移。保证路堤填筑的稳定性的同时，也减少了由于水平位移而引起的地基沉降量。同样，采用干喷工法的地基水平位移控制效果要优于湿喷工法。

图3 复合地基深层水平位移图Fig.3 Deep horizontal displacement of composite foundation

2.2 桩周土体性质变化

图4 施工前后桩周土含水率变化图Fig.4 Thevariation of surrounding soil water content before and after column construction

图5 施工前后桩周土压缩模量变化图Fig.5 The variation of surrounding soil compression modulus before and after column construction

图4 和图5为干喷法和湿喷法施工对于海相淤泥质软土性质的影响规律。由于水泥与桩周土产生了一系列的化合反应，因此在施工完成后桩周土的含水率有所下降。采用干喷法施工时，搅拌头喷出的是水泥粉，而采用湿喷法施工时搅拌头喷出的则是水泥浆。所以采用干喷法施工后，桩周土的含水率降低更多。而随着含水率的降低，桩周软土的压缩模量有所提高。含水率降低越大，压缩模量提高越多。因此，干喷法对于桩周软土压缩模量的提高效果相比湿喷法也更为明显。总体来说，对于处理海相淤泥质软土，试验结果表明采用干喷法能更好地降低桩周土的含水率，同时提高其压缩模量，使得地基产生整体加固。这也可以用来解释图2和图3的观测结果，即为什么干喷法的变形控制效果要优于湿喷法。

2.3 桩土应力比

图6为桩土应力比随填土高度的变化规律。随着填土高度的增加，桩土应力比随之增大。桩土应力比越大，说明有更多的填土荷载向桩体集中，有利于减少总沉降量。在整个填土过程中，采用干喷法的填土断面桩土应力比要大于采用湿喷法的填土断面。这说明在含水量很高的海相淤泥质软土中，采用干喷法进行施工的成桩效果更好，桩体模量更高。

图6 桩土应力比图Fig.6 Pile-soil stressratio

3 结语

对深层水泥土搅拌桩处理海相淤泥质软土的工程实例进行试验分析，对比了湿喷和干喷两种工法在海相淤泥质软土中的应用，主要结论为：

1）深层水泥土搅拌桩处理海相淤泥质软土的效果较好，能有效控制沉降以及深层水平位移，保证路堤填筑的安全。

2）相比湿喷法，干喷法能有效减少桩周软土的含水量并增加其压缩模量。

3）相同填土高度情况下，干喷法场地的桩土应力比大于湿喷法场地。说明干喷法的成桩效果较好。推荐在含水量较高的海相淤泥质软土地基处理中使用干喷法施工。

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