含淤泥质粉质黏土层基坑的支护技术分析

吴昆

摘  要：以某入海口区域含淤泥质粉质黏土层的软土基坑为背景，重点讲述了淤泥质粉质黏土层的特点及危害。结合实际工程的地质条件，主要介绍了松木桩、钢板桩、水泥搅拌桩三种常见的支护措施及施工方法，在此基础上系统论述了该工程采用的综合性支护体系，为类似基坑支护提供参考。

关键词：淤泥质粉质黏土;松木桩;钢板桩;水泥搅拌桩;综合性支护体系

中图分类号：U416.1        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0142-02

Abstract： Taking the soft soil foundation pit with muddy silty clay layer in the estuary as the background， this paper focuses on the characteristics and harm of muddy silty clay layer. Combined with the geological conditions of the actual project， three common support measures and construction methods of pine pile， steel sheet pile and cement mixing pile are mainly introduced. On this basis， the comprehensive support system adopted in this project is discussed systematically to provide reference for similar foundation pit support.

Keywords： muddy silty clay; pine pile; steel sheet pile; cement mixing pile; comprehensive support system

沿海城市凭借其良好的区位优势，经济发展迅速，其基础设施建设需求亦是与日俱增。为了解决土地供应紧张的局面，许多新兴城市选择开发临海滩涂区域。然而，临海区域地质条件往往较差，大多以海相淤泥质软土为主，其中淤泥质粉质黏土是软土中的常见夹层。淤泥质粉质黏土渗透性差、含水率高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低，具有一定的触变性和蠕变性。我国幅员辽阔，软土分布相对分散，除了东南沿海地区外，在内地河湖、山间谷地、草原盆地甚至西部高原及东北平原都有分布[1]，而软土地基的基坑支护及处理，一直是房建工程、道路桥梁工程的技术难题。地质条件的复杂多样决定了不同的地质状况应采用不同基坑支护方案。淤泥质粉质黏土的存在，会影响地基承载力及边坡稳定性，在基坑支护时需要采取针对性的技术措施确保基坑稳定。

1 工程概况

以某入海口区域创业大厦工程为例，该工程占地约6.5公顷，地下1层，地上17层;主楼建筑物总高度71.80m，标准层层高3.9m;总建筑面积64440.6m2;建筑设计使用年限50年，工程类别为一类，该建筑抗震设防烈度为6度;主体采用钢筋混凝土框架结构，基础为桩基础。

根据区域地质资料，经前期地质勘察，拟建场地地层分布稳定，层序较清晰，主要由第四系粘性土、砂土组成，下伏基岩为白垩系-王氏群红土崖组泥岩。根据地层岩性、成因时代及工程特性的不同，地层自上而下分述如下：（1）素填土：灰褐色，顶部以新近回填风化残积土为主，含砾石及砖块，底部以粘性土为主，回填年限约20年，平均厚度1.77m;（2）淤泥质粉质黏土，灰褐色，流塑或软塑状态，含有机质，有腥臭味，含少量粉砂颗粒及海星贝壳，有轻微摇振反应，切面偶有光泽，平均厚度11.27m;（3）粉质黏土，灰黑色、灰黄色，可塑～硬塑，含铁锰结核及少量钙质结核，干强度、韧性中等，平均厚度2.35m;（4）细砂：褐黄色，主要矿物成分为长石、石英，含少量粘性土，平均厚度2.60m;（5）中砂：肉红色，中密～密实，主要矿物成分同细砂，磨圆度较好，平均厚度6.18m;（6）强风化泥岩：灰紫色，主要由粘土矿物组成，泥质结构，块状构造，原岩结构构造大部分破坏，裂隙发育，平均厚度10.58m;（7）中风化泥岩，灰黑色，岩芯呈柱状，节理发育，铁质浸染。

一般情况下，如若软土层较薄，对基坑安全稳定威胁较小，可以采用换填或挖除处理。由地层条件可知，该区域存在厚度超过11m的淤泥质粉质黏土层，对基坑支护工程提出了较大挑战，基坑支护方案需要充分论证。

2 综合支护体系

基坑支护是确保基坑顺利开挖，维护基础结构施工安全的重要保障。由于地域的差异性，各地区淤泥质粉质黏土物理力学特性不同，结合前期施工经验、相关试验结果、地层条件和基坑开挖深度等因素，拟建基坑采用放坡开挖+挂网喷面+松木桩+钢板桩+水泥搅拌桩支护体系。主要工艺环节具体如下：

2.1 松木桩

松木富含松脂，防腐、防菌性能良好，可深埋地下承担支护作用。淤泥质粉质黏土含水量较丰富，且排水固结时间较长，松木有“水浸万年松”之说，可在水位以下长时间工作，其工程应用的典型案例即是在古运河“灵渠”的基础处理工程中。松木桩加固软土地基具有施工周期短、经济效益好、生态效果显著等优点，在淤泥质土的基坑支护中具有很好的适用性。其支护原理主要有以下两点：一是支撑作用：松木桩打入软土层后，替代了部分低模量、低强度土体，在外部荷载作用下，松木桩更多的承担应力，而桩周土体负担相应减轻，这种桩与土的复合地基无论是承载力还是模量均优于原土体;二是挤密作用：松木桩在打入过程中，桩周土体由于侧向挤压，密实度随之提高，压缩性降低，与此同时，松木桩在吸收淤泥中的水分后，亦可发生体积膨胀，挤密周边土地[2]，挤密作用会提高桩间土的承载力，增大桩身摩擦力，有效改善土体性能。该工程边坡比例为1：4.2，待修坡结束后，沿边坡从上往下压打松木桩，松木桩统一长度为6m，自坡顶向下插入6排，排距700mm，间距500mm，成梅花形布置;在坡底离钢板桩1m处向上插入4排松木桩，排距700mm，间距500mm，成梅花形布置;剩余坡段的梅花形木桩，改为排距1m，间距1m。压打施工时采用挖机配合钢丝绳起吊松木桩，人工配合使木樁就位，鉴于松木桩强度高，弹韧性好，能承受一定的冲击力，可用挖机把木桩直接压入边坡。同时，为增强松木桩之间的整体工作性，避免边坡滑移，坡面采用100mm厚C20细石混凝土进行喷浆护坡处理，内配φ6.5@100×100的钢筋网片;为了确保喷射混凝土的初、终凝时间满足要求，添加3%的速凝剂。需要完善的是，松木桩对软土地基的处理缺乏相应的规范规定，对于桩长、间距的设定主要依靠施工经验。在松木桩设计计算中，要根据地质情况合理选取松木桩侧摩阻力系数及桩间土承载力折减系数，在松木桩施工时要根据现场试桩及载荷试验确定布置形式[3]。

2.2 钢板桩

钢板桩主要由冷弯或热轧型钢和柱相互连接形成连续紧密的墙体，起到挡土或挡水的作用，在沿海地区软弱地层中应用非常广泛，适用于淤泥质土、粉质黏土、粉土、细砂、中砂层等地质条件。钢板桩具有强度高，隔水性能好，施工周期短，可重复回收使用，经济环保等优点，在施工過程中取土量和混凝土使用量均较少，在我国被大规模应用于基坑支护工程当中。鉴于钢板桩的大量应用，我国及时颁布了《热轧U型钢板桩》标准，用于指导施工。该工程中钢板桩采用机械手插入，打设时先用机械手将钢板桩吊至插桩点进行插桩，插桩时锁口对准。为保证垂直度，应用两台经纬仪加以控制，在桩行进方向的钢板桩锁口处设卡板，避免钢板桩发生位移。另外在插入钢板桩的过程中，由于下端存在淤泥质粉质粘土的嵌挤，而上端相对自由，钢板桩会发生一定程度的倾斜，要视具体情况及时采用合理的纠偏措施。考虑到钢板桩属于柔性支护结构，刚度仍然较小，当钢板桩插至预定深度后，立即用钢筋或钢板与围檩支架焊接固定，形成稳定性平衡结构，确保支护体系的安全稳定。但钢板桩这种支护方式亦有诸多弊端，例如在击打沉桩时会产生很大的施工噪音，影响周边环境，而且钢板容易受力变形引发安全问题[4]。

2.3 水泥搅拌桩

水泥是广泛应用的水硬性胶凝材料，其与淤泥质软土混合后会发生系列物理化学作用，例如水化反应、水解反应、水泥与黏土颗粒的结合作用，从而实现土质固结，这正是水泥搅拌桩的加固原理。增大水泥含量，会显著增强水泥搅拌桩的抗剪强度与抗压强度，完整性亦随之提高，同时已有研究表明，水泥搅拌桩施工后前14天龄期内的强度增长较快，完成了28天龄期内强度增长值的80%左右[5]，因此应在搅拌桩养护初期尽量减少扰动。该工程在基坑周边采用单轴水泥搅拌桩连续墙4排，单根直径500mm，间隔350mm，搭接150mm，桩长12m，水泥用量为70kg/m。该工程所采用的基础形式为预制混凝土桩基础，在桩基础打压施工及桩间土开挖过程中，极易引发周围土体的扰动和外围淤泥质粉质黏土的流动，存在基坑内土体上涌进而导致桩基础集体上涌的巨大隐患，因此水泥搅拌桩设计桩长为12m，超过淤泥质粉质黏土层的厚度，从而在根本上杜绝了外围土体绕过水泥搅拌桩端头涌入基坑底部的风险。为了进一步增强水泥搅拌桩连续墙的整体刚性，在桩体内插一排H型钢，型钢长12m，间距1050mm。插入前，需在H型钢表面涂刷减摩剂，型钢上露部分用钢筋焊接相连，顶面加压顶梁。需要注意的是水泥搅拌桩在下沉和提升过程中均应注入水泥浆液，同时严格控制下沉和提升速度，根据设计要求和有关技术资料规定，下沉速度不大于0.5～0.8m/min，提升速度不大于1.5～1.8m/min，并在桩底部适当持续搅拌注浆。另外，水泥搅拌桩的成桩质量需要通过取芯进行检验，成桩质量受施工工艺、软土特性、水泥含量、养护时间、外界扰动等诸多因素的影响。根据不同的地质条件，如何在满足设计及规范要求下，实现水泥搅拌桩施工的经济合理性，依然需要总结探索。

3 结束语

新时代背景下，房建类结构高度及体量均趋于增大，基坑支护及地基处理的要求亦是水涨船高，针对淤泥质粉质黏土层等特殊地层，更应充分论证支护方案的可行性。更多情况下，单一的支护措施作用有限，难以全面解决问题，而综合性的支护体系已成必然。该工程采用的放坡开挖+挂网喷面+松木桩+钢板桩+水泥搅拌桩综合支护体系，充分发挥了支护作用。通过基坑周边深层土体的水平位移监测、基坑周边地下水位监测以及周边环境的沉降观测，基坑稳定性大大增强，该综合支护体系可以在类似基坑支护中借鉴采用。综合来看，我们应该从质量安全、经济效益、环境协调等诸多方面出发，选择适用于实际工程的支护体系。

参考文献：

[1]温宇轩.水泥搅拌桩在软土路基施工中的应用研究[J].灾害学，2019（34）：236-242.

[2]李兵.浅谈松木桩在软基处理中的应用[J].中国水能及电气化，2019（3）：1-4.

[3]刘君洪.松木桩基础在软土地基处理中的应用研究[J].陕西水利，2016（1）：127-128.

[4]李海龙.钢板桩在砂土地层深基坑开挖支护中的应用与分析[J].工程建设与设计，2019（09）：52-53.

[5]杨如平.公路淤泥质地基水泥搅拌桩加固效果研究[J].北方交通，2017（11）：75-78.