水泥土搅拌桩在堤防工程中的应用

王桂智，杨庆庆，赵津磊，田志军

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127；2.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225007)

水泥土搅拌桩是处理堤防软土地基问题的一种常用手段。它主要运用水泥作为固化剂，通过特制搅拌机器对软土部位进行就地搅拌，使固化剂和土体产生一系列物理化学反应，形成具有一定强度和稳定性的水泥土，从而提高地基土的承载力及整体性[1]。由于其具有施工设备简单、操作方便、施工周期短且成本较低等优点，在水利工程中得到了广泛运用[2]。

水泥土搅拌桩设计及施工可参照JGJ 79—2002《建筑地基处理技术规范》执行，但水泥土搅拌桩在实际工程中如何提高土体抗剪强度，进而达到稳定堤防的作用，规范中未作详细解释说明。本文将结合具体工程实例，运用桩土分离原理及复合地基强度等效原理进行模拟计算，对水泥土搅拌桩在堤防加固工程中的作用效果做出总体评价。

1 工程概况

西直湖港河道(无锡段)位于京杭运河与锡溧漕河之间无锡境内，是沟通西直湖港北枢纽南涵首与西直湖港闸站枢纽输水河道的一部分，全长约2.7km。该段主要为平地开挖河道，现状场地地面高程在3.0～4.5m左右，局部河道堤防需填筑围堰进行河底清基。河道设计最大过流流量为90m3/s，河底高程为-1.00m，河底宽为30m。河道两侧堤防等级为3级，堤顶高程为6.50m，堤顶宽5.0m，在河道迎水坡高程4.0m处设置宽度为3.0m的平台。

西直湖港河道工程施工开挖期间，在河道西岸某处发现古河槽沉积的灰色淤泥质粉质粘土夹薄层砂壤土，引起河道岸坡坍塌失稳。根据现场实际调查可知，软弱堤基部位位于两个原勘探断面之间，针对这种情况勘察单位对软弱段进行了加密补勘，进一步查明该开挖部位的土层、土质分布情况，为地基处理提供地质资料。勘探成果表明，堤基所在的②1层淤泥质粉质粘土夹砂壤土力学强度较低，各层土物理力学指标见表1。

软基段现状堤防抗滑稳定计算采用瑞典条分法，计算得施工期原堤防整体抗滑稳定安全系数为0.956，小于规范[3]规定值1.10，需进行地基处理。抗滑稳定计算结果如图1所示。

图1 原设计堤防施工期抗滑稳定计算示意图

2 水泥土搅拌桩方案设计

软基堤防水泥土搅拌桩与周围土体形成承受竖向荷载的复合地基，水泥土搅拌桩设计主要参数为置换率、桩长、复合地基承载力等。

2.1 搅拌桩设计

结合同类工程情况，本工程水泥土搅拌桩桩径定为0.6m。根据工程现场实际情况，为减少地表水及地下水对桩体的腐蚀导致桩体开裂强度降低，因此桩身设计采用普通硅酸盐水泥，标号42.5，以保证水泥土抗腐蚀性能。考虑淤泥质土厚度较深，承载力较小，本工程中水泥掺入比取18%。

表1 工程地质勘察综合成果建议值表

图2 堤防搅拌桩处理断面图(单位：cm)

由地勘报告可知，该处软基堤防在淤泥质粘土层下分布有性质优良的深厚粘土层⑥2层，该层土为硬塑态粉质粘土，地基承载力为250kPa，可作为水泥土搅拌桩复合地基的持力层。设计水泥土搅拌桩深入该层土1.5m，桩底高程为-11.50m，桩顶高程为现状地面平均高程3.50m，设计桩长15.0m。

2.2 桩土面积置换率确定

根据以往工程经验，本工程中水泥土搅拌桩采用等边三角形布置方式，桩距1.0m。具体布置形式如图2所示。桩位布置图如图3所示。

图3 桩位布置图

根据规范[4]，桩土面积置换率m计算公式为：

(1)

de=1.5s

(2)

式中，d—桩身平均直径，m；de—一根桩分担的处理地基面积等效圆直径，m；s—桩间距，m。

计算可得本工程中桩土面积置换率m=32.6%。

2.3 单桩承载力计算

根据规范[4]可知，水泥土搅拌桩单桩承载力由桩周土和桩端土的抗力所提供，即：

(3)

式中，up—桩周长，m；up=1.884m；n—桩长范围内所划分的土层数；qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；li—桩长范围内第i层土的厚度，m；α—桩端天然地基土的承载力折减系数，α=0.5；qp—桩端土未经修正的承载力特征值，kPa；Ap—桩的截面积,m2，Ap=0.2826m2。

同时，单桩承载力应满足桩体强度要求，即桩身结构承载力：

Ra=nfcuAp

(4)

式中，fcu—与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值,kPa，fcu=900kPa。

单桩承载力由公式(3)、(4)共同确定，取其中的小值。通过计算可得本工程水泥土搅拌桩单桩承载力Ra=77kN。

2.4 复合地基承载力计算

根据规范[4]可知，水泥土搅拌桩复合地基承载计算公式如下：

(5)

式中，fspk—复合地基承载力特征值，kPa；fsk—天然地基承载力特征值,kPa,fsk=250kPa；m—面积置换率；β—桩间土承载力折减系数，β=0.4。

根据公式(5)计算可得复合地基承载力为157kPa，满足上部荷载要求。

3 堤防边坡抗滑稳定计算

软基堤防进行水泥土搅拌桩加固处理后，如何进行加固堤防的整体抗滑稳定计算，目前水利行业通常有两种常用算法：一种是桩土分离原理，即运用有限元法在划分好网格的计算单元中对水泥土搅拌桩及各土层进行单独的参数赋值，并进行抗滑稳定计算；另一种是强度等效原理，将水泥土搅拌桩和桩间土进行“均质化”处理，将桩土等效为“均质复合体”，计算出加固土体的等效强度指标，继而进行堤防整体抗滑稳定计算[5]。

本节将选取Autobank软件，根据两种不同计算原理，对本工程加固后堤防进行抗滑稳定计算复核并作评价。

3.1 计算工况

堤防边坡整体抗滑稳定计算工况采用完建期、设计低水位、设计高水位三种控制工况，水位组合见表2。

表2 水位组合表

3.2 Autobank软件建模

Autobank软件计算模块采用有限元原理，可用于堤防、土石坝等水工建筑物的渗流、稳定计算，结果较为准确可靠，是目前国内水利设计院通用的水利计算软件[6]。

模型计算时首先在CAD中绘制计算断面，然后导入到Autobank软件中，在材料表中导入土层的相关信息。接着对模型进行网格划分，本次计算采用三角形单位划分模式，单元长度为0.5cm。然后进行水位线绘制，求解各工况对应水位线，最后进行堤防抗滑稳定计算。

3.3 桩土分离法计算

模型土体物理学指标采用表1相关指标，计算荷载主要考虑堤防土体自重荷载及水荷载作用，并对水泥土搅拌桩进行间距、桩截面积及抗剪强度等参数赋值。计算工况采用表2所示工况，抗滑稳定采用瑞典条分法，计算成果如图4所示，计算成果整理见表3。堤防抗滑稳定计算结果满足规范要求。

图4 堤防抗滑稳定计算图

工况水位组合河道/m堤身/m边坡抗滑安全系数Kmin[K]完建期-1.004.002.51.151.10设计低水位3.454.001.591.20设计高水位4.906.001.671.20

3.4 复合地基强度等效法计算

强度等效原理即将水泥土搅拌桩和桩间土进行“均质化”处理，将桩土等效为“均质复合体”，计算出加固土体的等效强度指标，继而进行堤防整体抗滑稳定计算。

张家柱[7]指出，一般水泥土的内摩擦角φ约为20°～30°之间，而黏聚力c在0.1～1.1MPa之间，随着水泥掺入量的提高，黏聚力提高，而内摩擦角变化不大；李智彦[8]采用不同水灰比在不同围压下进行水泥土三轴压缩试验，并根据试验结果绘制出摩尔应力圆，由此确定剪切强度曲线，进而求出水泥土粘聚力和内摩擦角。试验结果表明：由于搅拌作用的破坏与水泥作用的影响，水泥土工程性质有重新作用的过程，土体黏聚力得到很大的提高，随着水灰比的增加，水泥土的黏聚力提高值变小；摩擦角的变化受搅拌桩作用和水泥重新作用影响，变化较为复杂，变化范围为15°～25°，与原地土摩擦角比较略有提高。

根据文献[9]相关理论，复合土体综合强度指标可采用面积比法计算。复合土体黏聚力Cc和内摩擦角φc可用下述公式计算：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(6)

tanφc=tanφs(1-m)+mtanφp

(7)

式中，Cc、φc—复合土体的黏聚力和内摩擦角；Cs、φs—桩间土的黏聚力和内摩擦角，按表1选取；Cs、φs—桩体的黏聚力和内摩擦角；取Cp=180kPa，φp=25°。

计算可得经过水泥土搅拌桩处理后的②1层淤泥质粉质粘土层复合土体的抗剪强度为Cc=65.7kPa，φc=29.8°。

抗滑稳定采用瑞典条分法，计算工况采用表2所示工况，搅拌桩作用范围以内土体采用复合土体相关指标，搅拌桩作用范围以外土体采用天然土体相关指标。计算成果如图5所示，计算成果整理见表4。堤防抗滑稳定计算结果满足规范要求。

图5 堤防抗滑稳定计算图

3.5 计算评价

由上述计算成果可知，经过地基处理后的堤防抗滑稳定性得到了很大提高。两种方法在不同工况下计算结果相差较小，进而证明两种方法在材料指标选取计算、边坡稳定模型构建方面是合理可靠的。本工程目前已基本实施完成，根据现场实测，堤身沉降变形在合理范围之内，事实证明水泥土搅拌桩在堤防加固工程中具有显著的作用。

表4 堤防抗滑稳定计算成果表

比较两种计算方法，区别在于桩土分离法是对搅拌桩和土体进行分别赋值，在模型计算时桩体和土体各自发挥作用，桩土结合作用很难考虑到，会对计算合理性产生一定影响；复合地基强度等效法计算时将桩体与土体做均质化处理，网格划分时不再单独考虑桩体作用。模型计算成果表明两种方法结果差别不大，证明实际计算时桩体采用自身参数处理计算或者与桩间土进行均质化等效处理，对边坡整体抗滑稳定没有决定性影响，龚晓南在文献[9]中也提出：“对复合地基加固区的土体强度计算参数可采用复合土体综合强度计算参数，也可分别采用散体材料桩桩体和桩间土的强度计算参数计算”。综上可得两种计算原理及方法均符合要求，在工程实际运用中两种计算方法也是成熟可行的。从贴合工程实际角度考虑，在相关资料均可靠齐全的基础上，笔者更倾向于复合地基强度等效法进行堤防抗滑稳定计算。

4 结语

水泥土搅拌桩可以有效地提高土体的抗剪强度指标，加强堤防的整体稳定，加之其施工简单、成本较低，因而在堤防工程中得到了广泛运用[10]。本文总结归纳了水泥土搅拌桩在堤防加固工程中的方案设计思路及边坡抗滑稳定计算方法，并结合工程实践对桩土分离原理及复合地基强度等效原理下的抗滑稳定计算方法进行了验证和比较，计算思路及方法对于同类型堤防地基处理问题能起到很好的借鉴作用。如何在平面有限元软件中更好地模拟水泥土搅拌桩在堤防加固工程中的加固机理以及荷载传递原理，后续工作还需进一步展开。