浅谈搅拌桩复合地基抗滑稳定计算的强度参数取值

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

1 引 言

软土地基堤防、路基、基坑等工程的整体稳定是其设计的重要内容之一。由于软土的抗剪强度低，如不通过适当的地基处理，该类型工程的整体稳定安全系数往往难以达到规范要求。采用搅拌桩加固软土地基以提高其整体稳定性是目前国内普遍采用的一种地基处理方法；然而，由于部分工程搅拌桩布置和设计、强度参数的取值不当等原因，导致用搅拌桩加固的软土地基不能达到预期效果，甚至发生地基失稳等工程事故。

2 搅拌桩加固软土地基原理、桩身强度和设计注意事项

2.1 加固原理

搅拌桩是采用水泥等胶凝材料作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将固化剂喷入土体并充分搅拌，固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、稳定性和一定强度的加固体。搅拌桩属于有黏结强度加强体，但其刚度不高，工程界大都将之划归于半刚性桩的范畴。

搅拌桩加固软土地基的原理是以搅拌桩为加固体，加固体和原状土共同作用，形成复合地基，以提高复合土体的承载能力，从而提高地基的整体稳定性。因此，采用搅拌桩加固软土地基的关键是要形成搅拌桩复合地基，使复合地基桩体与土体共同承担竖向和水平荷载。

2.2 桩身强度

搅拌桩固化剂的类型、强度、掺入比和龄期等直接影响搅拌桩的桩身强度。

国内搅拌桩多采用水泥作为固化剂，近年采用GS土体硬化剂等其他材料作为搅拌桩固化剂在搅拌桩加固地基中也逐步得到了推广。根据《GS土体硬化剂应用技术规程》(DG/TJ 08-2082—2017)的实验研究，对相同掺量的GS土体硬化剂加固土和水泥土，14天、28天、90天龄期时，GS土体硬化剂加固土无侧限抗压强度分别为水泥土的1.3～1.4倍、1.5～1.9倍和1.6～2.1倍；掺入8%、10%、13%的GS土体硬化剂加固土无侧限抗压强度，分别可以达到掺入10%、13%、16%的水泥土的无侧限抗压强度的效果。

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)的分析，采用水泥作为固化剂时，水泥强度提高10MPa，水泥土搅拌桩无侧限抗压强度约增加20%～30%；如要求达到相同的无侧限抗压强度，水泥强度提高10MPa后可降低水泥掺入比2%～3%。

根据《复合地基技术规范》(GB/T 50783—2012)的分析，当水泥掺入比在10%～20%之间时，水泥土搅拌桩的强度与龄期大致呈幂函数关系，其关系式为：fcu1/fcu2=(aw1/aw2)1.77；这与《地基处理手册》分析所得出的在28天龄期时，qu1/qu2=(aw1/aw2)1.6的结论基本一致。

2.3 设计注意事项

2.3.1 搅拌桩的平面布桩方式和长度

常见的搅拌桩加固软土地基的平面布桩方式有柱状、壁状、格栅状和块状等。由于搅拌桩属于脆性材料，其抗压强度高，抗拉和抗剪强度低，因此在以提高地基竖向承载力为主要加固目的的搅拌桩软土地基加固中，只要加固区的面积置换率达到要求，采用何种布桩方式均可；但对于在以提高地基水平向抗剪承载力为主要加固目的的搅拌桩软土地基加固中(如堤防、路基、边坡整治、重力式水泥土墙等)，如采用柱状、壁状布桩等方式，容易因水平力的作用导致地基中的部分桩体先断裂，并逐渐形成连续滑动面的破坏现象，从而形成多米诺骨牌效应，地基整体失稳破坏，酿成工程事故。因此，建议采用搅拌桩加固软土地基设计时尽量采用格栅状或块状布桩，慎重采用较低面积置换率的柱状或壁状布桩方式。格栅状布桩时格栅格内侧的长宽比宜控制在2.0以内；格栅状或块状布桩时桩与桩之间可采用搭接的方式，也可适当咬合。

为达到提高软土地基抗滑稳定性的加固目的，对为提高抗滑稳定性而设的搅拌桩，桩顶宜平齐软土地基顶面、桩底宜穿透软土层或超过加固后最危险滑弧以下至少2m。

2.3.2 搅拌桩沿桩身竖向的强度设计

与以竖向承载为主的搅拌桩不同，对以提高抗滑稳定性而设的搅拌桩，设计希望加固区的搅拌桩沿桩身从上到下均有较大的强度，以确保加固区搅拌桩能承担较大的荷载。因此当搅拌桩桩长较长时，不宜沿桩身竖向采用变掺量设计减小桩身下部固化剂掺量，也不宜采用长短桩相结合的形式，否则可能因桩身下部强度不足而导致地基失稳破坏。

由于以提高抗滑稳定性而设的搅拌桩，为防止桩土的刚度相差过大而产生应力集中现象，一般桩身设计强度并不高，而其面积置换率却相对较大，因此为降低成本、节约水泥，可采用32.5级的水泥作为固化剂，其掺入比可为7%～12%。

3 搅拌桩复合地基抗滑稳定计算强度参数的取值

目前国内计算复合地基整体稳定的方法基本都是采用圆弧滑动法，搅拌桩加固软土地基的整体稳定计算也不例外。搅拌桩加固软土地基后，使加固区复合土体的抗剪强度指标粘聚力C和内摩擦角φ值提高，从而达到提高整体稳定性的目的。

3.1 C和φ的取值

根据《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)，搅拌桩桩身的内摩擦角φ=20°～24°，桩身强度高时取高值，否则取低值；搅拌桩桩身的粘聚力C可按式(1)计算：

(1)

式中C——抗剪强度指标粘聚力，kPa;

φ——内摩擦角，(°)；

η——桩身强度折减系数，干法可取0.2～0.3，湿法可取0.25～0.33；

fcu——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土块(边长为70.7mm或50mm)在标准养护条件下28天龄期的立方体无侧限抗压强度平均值，kPa。

根据《地基处理手册》，对水泥土强度进行了一系列实验，实验结果表明其粘聚力与无侧限抗压强度的比值C/qu为0.2～0.3；其内摩擦角φ在20°～30°之间。由此可见，不同文献资料对搅拌桩桩身的内摩擦角φ值取值均为20°～30°；而对搅拌桩桩身的粘聚力的取值方法却不一致，但均是以搅拌桩桩身无侧限抗压强度为基础进行计算。以中山市南朗镇中心二河水闸工程(原状淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°)为例，根据理论公式、经验数据和土工试验实测数据，所得水泥搅拌桩桩身的粘聚力和内摩擦角结果见表1。

表1 不同方法计算的搅拌桩桩身的粘聚力和内摩擦角结果

注：1.表中根据室内加固土指标，用《广东省海堤工程设计导则》公式理论计算粘聚力C时，取η=0.25、φ=24°计算。 2.表中根据桩身抽芯指标，用《广东省海堤工程设计导则》公式理论计算粘聚力C时，取φ=24°计算。

由表1可知，利用室内加固土抗压强度指标，根据《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)公式理论计算的粘聚力指标最大；利用桩身抽芯强度指标，根据《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)公式和《地基处理手册》理论推算的粘聚力指标基本接近，且与土工试验直接测定的粘聚力指标也相差不大；由于搅拌桩抗压强度与试块形状、尺寸和龄期有关，因此由搅拌桩抗压强度推求其粘聚力的影响因素较多，导致粘聚力的取值受到影响。由表1还可知，《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)推荐的内摩擦角经验指标最小；《地基处理手册》推荐的内摩擦角经验指标最相对较大，但均比土工试验直接测定的内摩擦角指标偏小。

因此，对搅拌桩的粘聚力和内摩擦角的取值，建议可在具有充分的土工实验实测数据研究的基础上，逐步由以目前的理论公式推求为主向以实测实验数据为主的方向转变，避免理论公式推求带来的偏差。

3.2 搅拌桩加固区复合土体的等效抗剪强度指标计算

根据《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)，搅拌桩加固区复合土体的等效强度指标可按式(2)、式(3)计算：

C=mc1+(1-m)C2

(2)

(3)

式中C——复合土体的粘聚力，kPa；

m——面积置换率；

C1、C1——搅拌桩桩身、桩间土体的粘聚力，kPa；

φ——复合土体的内摩擦角，(°)；

φ1、φ2——搅拌桩桩身、桩间土体的内摩擦角，(°)；

K1、K2——搅拌桩桩身、桩间土体的刚度，kN/m；

β——桩的沉降与桩周土沉降之比，一般可取β=0.5，对刚性基础β=1.0。

根据《地基处理手册》，搅拌桩加固区复合土体的等效强度指标可按式(4)、式(5)计算：

C=mC1+(1-m)C2

(4)

tanφ=mtanφ1+(1-m)tanφ2

(5)

由以上计算公式可知，搅拌桩加固区复合土体的等效强度指标与搅拌桩桩身和桩间土的粘聚力和内摩擦角直接相关；复合土体的等效粘聚力计算公式一致，仅与搅拌桩桩身、桩间土的粘聚力及面积置换率有关；而等效内摩擦角计算公式不同，且《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)的计算公式中不但与搅拌桩桩身和桩间土的内摩擦角有关，还与桩身、桩间土的刚度和沉降比有关，计算比较复杂。经过对中山市南朗镇中心二河水闸工程(原状淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°)进行试算，其等效粘聚力和内摩擦角详见表2和图1。

表2 不同方法计算的复合地基的等效粘聚力和内摩擦角结果

续表

注：1.表中计算时搅拌桩fcu=1.2MPa，η=0.25，φ=20°；淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°。

2.当面积置换率较小(如小于10%)时，可能并不能形成复合地基，表中所列置换率数据仅为反映两种公式计算的φ值不同所用。

图1 不同方法计算的复合地基的等效内摩擦角曲线

由表2和图1可知，如采用《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)的计算公式计算复合地基等效内摩擦角，在面积置换率为0%和100%的极端情况时，计算结果与《地基处理手册》的计算结果一致，其余情况的结果均偏大，且在面积置换率为16%～40%区间偏大较多。

因此，为确保工程安全，对搅拌桩加固区复合地基内摩擦角的取值，宜采用《地基处理手册》的计算方法；如采用《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)的计算结果进行取值，设计取值时应根据搅拌桩的面积置换率、工程的重要性等综合分析，除以必要的安全系数。

4 结 语

在采用搅拌桩加固软土地基以提高地基整体稳定的工程中，建议：

a.优先采用格栅状或块状的布桩方式使加固区搅拌桩与原状土形成复合地基共同受力，尽量提高地基处理的面积置换率。为达到处理效果，搅拌桩的处理深度宜穿透软土层或超过加固后最危险滑弧以下至少2m，搅拌桩沿桩身竖向等强度设计。

b.在进行地基抗滑稳定计算时，一方面，对搅拌桩的粘聚力和内摩擦角的取值宜以目前的理论公式推求为主向以实测实验数据为主的方向转变，尽量采用土工实验实测数据进行取值，避免理论公式推求带来的误差；另一方面，对搅拌桩加固区等效粘聚力和内摩擦角取值宜采用《地基处理手册》的计算方法；如采用《广东省海堤工程设计导则》(DB44/T 182—2004)的计算结果，设计取值时应根据搅拌桩的面积置换率、工程的重要性等因素综合分析，除以必要的安全系数。