水泥搅拌桩在海湾软基加固中的应用

■陈才楠（厦门合诚水运工程监理有限公司，厦门361000）



水泥搅拌桩在海湾软基加固中的应用

■陈才楠
（厦门合诚水运工程监理有限公司，厦门361000）

根据水泥土搅拌桩的适用条件和加固特点，从水泥土搅拌桩复合地基组成结构出发，探讨了水泥土搅拌桩的力学特性、破坏塑性区的分布模式。结合厦门新机场运输专用通道软土加固算例，阐述了海湾滩涂区域水泥土搅拌桩复合地基的破坏模式，并要求在设计施工过程中应特别重视褥垫层厚度、地基土的含水量、水泥掺量和喷浆压力的影响，以保证显著的加固效果。

水泥土搅拌桩海湾软基塑性区

1引言

我国区域辽阔，工程地质条件复杂，地方差异性大，其中大陆海岸线就有1.8万km。目前各类建筑物的建设处处皆是，青藏铁路、跨海隧道、填海造地等大规模工程建设司空见惯，且在深厚软土地基、沼泽地带、江湖淤积层地区域修建高速公路、高速铁路、机场跑道也非难事，并积累了丰富的工程经验和科研结论［1］。其中在软土地基加固工程中地基处理技方法形式多样、难度各异，适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、人工填土、冲填土、杂填土、素填土、黄土和碎石土等地基。水泥土搅拌桩作为承载力大、设计参数易取、适用范围广、加固面积大、施工技术容易掌握等特点已在软基加固中得到了广泛的应用，并且取得了众多研究成果［2，3，4］。但是该类技术在海湾滩涂湿地的应用不多见，尚有很多影响因素被技术人员所忽略，为此笔者结合工程实例，浅析水泥土搅拌桩技术在厦门海湾地区的应用。

2水泥土搅拌桩特性

2.1水泥土搅拌桩构造

水泥土搅拌桩属复合地基技术之一，水泥土搅拌法是利用水泥等材料作为固化剂，并将软土与固化剂强制搅拌后，从而使软土结硬、结块，来提高地基土强度和增大变形模量为主要目的［5］。水泥土搅拌桩复合地基主要是由桩、桩间土及褥垫层构成，褥垫层将上部基础传来的基底压力（或水平力）通过适当的变形以一定的比例分配给桩及桩间土，使二者共同受力，形成了一个复合地基的受力整体，共同承担上部基础传来的荷载，水泥土搅拌桩复合地基组成见图1所示。

复合地基的本质是在荷载作用下，将增强体和地基土体共同承担上部结构传来的荷载，但是在深厚软土地基加固中搅拌能力是有限的，致使在地基承载力大于140kPa的粘性土和粉土地基中的应用有一定难度。因此，保证设置的增强体的承载特性与天然地基土体通过变形协调共同承担荷载是形成复合地基的基本条件［6］。

2.2水泥土搅拌桩力学特性

复合地基设计和施工过程中，承载力特征值的确定是首当其冲的问题，该承载力不是天然地基承载力和单桩承载力的简单叠加，在定值过程中仍需要考虑一些因素的影响：

（1）施工时对桩间土是否产生扰动挤密，桩间土承载力有无降低和提高；

（2）桩对桩间土有约束作用；

（3）复合地基中桩的Q-S曲线呈加工硬化性，比自由单桩的承载力高；

（4）桩和桩间土承载力的发挥都与变形有关，变形小时，其承载力发挥都不充分；

图1　水泥土搅拌桩复合地基组成

（5）桩间土承载力的发挥与褥垫层厚度有关。

因此在初步设计时水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值应按公式（1）计算：

fspk=［1+m（n-1）］fsk

（1）

式中：fspk为水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值，fsk为处理后桩间土承载力特征值，n为复合地基桩土应力比，m为面积置换率。

水泥土桩体单桩竖向承载力特征值Ra为：

Ra=up∑qsili+αpqpAp

（2）

Ra=ηfcuAp

（3）

式中：up为桩的周长，qsi为桩周土的侧阻力特征值，li为加固土层的厚度，αp为桩端端阻力发挥系数，qp为桩端端阻力特征值，η为桩身强度折减系数，fcu为立方体抗压强度。

工程中，通常分别对式（2）和式（3）进行计算，比较取值，将小值作为水泥土桩体单桩竖向承载力特征值。2.3海湾水泥土搅拌桩加固的破坏模式

海湾滩涂区域水泥土搅拌桩复合地基的破坏主要是通过加固区域塑性区的分布特征加以体现。塑性区是当交通荷载达到一定数值时，复合地基结构产生了不可恢复的塑性变形，一旦塑性变形进一步扩展、贯通即会出现不稳定的塑性区域，如图2所示。

图2　海湾地区搅拌桩加固破坏模式

经水泥土搅拌桩加固后，复合地基及路堤在荷载作用下的塑性区分布主要在褥垫层、搅拌桩桩复合地基上部，主要表现为剪切破坏和少量的拉伸破坏，塑性区进一步扩大并有贯通的趋势，而导致加固失效。

3工程实例

3.1工程概况

工程案例选取厦门新机场运输专用通道工程范围：起点接现状环嶝南路，终点接现状阳塘东路，道路性质为临时道路，道路全长9807.626m（其中，跨海路段道路长890米、跨海路段围堰900m、涵洞7道、空心板梁桥120m长一座）。翔安机场快速路南段（翔安南路-大嶝段）施工运输通道工程范围：起于翔安沙美村（与现状八一公路相交），向南沿翔安机场快速路主线走向，至霄垄村与翔安南路相交，经珩厝村东、前岭村西、霞浯盐田（莲河吹填造地区），以钢栈桥形式跨南港海，上大嶝岛后与新机场临时运输通道（规划环嶝北路）衔接。路线全长6.89公里km，其中：右线便道长3.99km，跨海钢栈桥长0.82km，宽10m；左线便道长2.08km，宽9m。工程位于翔安区境内，场地蟓始地貌主要跨越冲洪积阶地、海湾滩涂、滨海潮间带及局部残坡积台地。沿线地形总体较为平缓～一般倾斜。其中翔安侧整体呈由北向南及由东西两侧向中部微倾的趋势：中部南港海整体呈南北侧陆域向中部海域方向倾斜；南侧大嶝岛呈由中部微丘（残坡积）台地向四周海湾滩涂倾斜的趋势。本项目大部分区段位于（原）海湾滩涂、滨海潮间带路段；其余均位于冲洪积阶地路段。

3.2海湾滩涂的水泥土搅拌桩施工要素

根据海湾滩涂区域水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值、水泥土桩体单桩竖向承载力特征值和塑性区分布特征，阐述搅拌桩在设计施工中注意的主要因素，比保证加固效果。

（1）褥垫层厚度的影响

水泥土搅拌桩主要用于竖向承载，但很多工程中褥垫层厚度不符合要求，甚至未设置褥垫层，导致路面不均匀变形而沉降。考虑到该地段主要位于冲洪积阶地，地基承载力低，触变性大，变形模量小等特点，并结合塑性区褥垫层分布范围，褥垫层厚度取300mm，夯填度为0.9以保证该层结果的损伤破坏。

（2）含水量的影响

含水量大，甚至超过液限这是海湾软土地基的显著特点，在水泥土搅拌桩设计施工过程中主要采用干法加固，但是工程师们忽略了干法对加固深度的影响，因此在该路段一味加大水泥用量来克服含水量的影响是不可取的。笔者提出了预先固结排水及粉煤灰或石灰改良的水泥土搅拌桩施工工艺，既增加了地基承载力，也减小了道路的变形和加固成本。

（3）水泥掺量

水泥土搅拌桩的主要承载材料是水泥，工程中对于块状加固时水泥掺量不应小于加固软土质量的7%，这样在海湾软土加固中水灰比普遍较低，造成浪费，常见的措施就是水泥中增加粉煤灰。我们应该充分利用软土的最大承载能力。

（4）喷浆压力

喷浆压力对处理后地基变形影响比较大，工程上对于深厚软基处理通常采用增大喷浆压力来保证成桩质量和控制土体变形，但是出现了跑浆浪费现象。而目前国产泥浆泵的工作压力一般小于2.0MPa，为了达到一定的压力施工单位对设备做了很多方面的改进。由于海湾地区软土层较厚，仅凭增大喷浆压力，软土地基仍然产生较大的变形，因此结合塑性区分布特点，改善褥垫层的渗透性和增加该层的厚度以及增大置换率来调控喷浆压力，已在工程上取得了较好的效果。

4结论

水泥土搅拌桩加固软土地基是经验性很强的地基处理技术工作，在不同的场地处理效果和影响因素不尽相同。在海湾滩涂湿地加固中，塑性区分布主要在褥垫层、搅拌桩桩复合地基上部，主要表现为剪切破坏和少量的拉伸破坏，因此在设计施工过程中应特别重视褥垫层厚度、地基土的含水量、水泥掺量和喷浆压力的影响，以保证显著的加固效果。

［1］陈仁朋，许锋，陈云敏等.软土地基上刚性桩－路堤共同作用分析［J］.中国公路学报，2005，18（3）：7－13.

［2］JGJ79-2012建筑地基处理技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［3］牛志荣，李宏等.复合地基处理及其工程实例［M］.北京：中国建材工业出版社，2000.

［4］程良奎.岩土加固实用技术［M］.北京：地震出版社，2000.

［5］刘国明，周军.路堤软土地基沉降有限元非线性分析［J］.福州大学学报，2003，31（4）：470－473.

［6］牛志荣，李宏，等.复合地基处理及其工程实例［M］.北京：中国建材工业出版社，2000.