佛山市某深基坑支护中重力式挡土墙应用研究

李瑞卓，张欧阳，赵 阳，邓云程

（中国建筑第二工程局有限公司，北京 100160）

1 工程概况

佛山某基坑项目总用地面积54 383.04m2，拟建高层住宅塔楼及幼儿园、商业及1～2 层地下室。本基坑支护总长约710.8m，最大开挖达深度9.5m。

南侧基坑支护已在一层地下室区域开挖施工时打设预应力高强混凝土管桩垂直支护。基坑南侧：项目负一层首开区范围，施工中。基坑西侧：地下室外墙边距用地红线最近约7.5m。基坑东侧：地下室外墙边距用地红线最近约15.1m。基坑北侧：地下室外墙边距用地红线最近约17.7m。基坑平面布置如图1 所示。

图1 基坑平面图

基坑所在区域地质主要为：＜1-1>杂填土、＜1-2>素填土、＜2-1>淤泥质土、＜3-1>中砂、＜3-2>砾砂、＜3-4>粉质黏土、＜6-2>泥质粉砂岩和＜7>泥质粉砂岩。

根据勘察结果判断场地地下水主要为第四系浅部土层中的孔隙水和深部基岩裂隙水。

1）第四系孔隙水（以潜水为主，局部为承压水）：素填土＜1-1>层、杂填土＜1-2>层、冲洪积中砂＜3-1>层、砾砂＜3-2>层为本场地内的主要含水层。

2）基岩裂隙水（以承压水为主）主要赋存在泥质粉砂岩的强风化带和中等风化带中，该层水通常上覆砾砂层＜3-2>及淤泥质土，故以承压水为主，基岩裂隙水与砾砂＜3-2>相通，该场区的强风化层透水性弱，中等风化区透水性弱，富水性低。

2 水泥搅拌桩重力式挡墙支护原理

2.1 水泥搅拌桩作用机理

在普通硅酸盐水泥与水和地基土进行拌合过程中，随着水解、水化反应的不断进行，普通硅酸盐水泥里层的水化物不断被溶解，最里层的水泥颗粒又不断向外渗透出来与水继续反应，一直到溶液饱和，此时新生成的物质不能溶于水，产生的一部分水泥颗粒与周围土体颗粒发生反应，另外一部分逐渐凝结硬化，形成水泥土骨架。在一般的硅酸盐水泥里，硫酸钙、铝酸三钙会与水作用，形成一种针状的“水泥杆菌”。这种针状的水泥杆菌可以将地基中水泥浆的自由水转化为固体，从而能降低水泥浆中46%自由水含量。

1）离子交换和团粒化作用 土壤为多相弥散体系，在与水的作用下，会形成一种具有胶状特性的土壤。土壤中SiO2含量较高，与水作用后，可生成硅酸盐胶体，其表面存在K、Na 等离子，均可与Ca 等离子发生吸附作用。在这种情况下，这些小粒子将逐渐地结合成为大粒子。在这种作用下，其体积将是最初的1 000 倍左右，因而其比表面积和吸附性也将大大增加，因而强度也将显著增加。

2）凝硬作用 当水泥在土中与水发生水化反应并进行到一定程度的时候，水中的钙离子浓度会升高，导致部分钙离子不能发生吸附交换反应，在碱性环境下，这部分多余的钙离子会与粘土中的SiO2、Al2O2发生化学反应，形成难溶的微晶凝胶。晶体胶体在水里会逐渐增加其强度，并且逐渐硬化，从而使水泥土具有一定的水稳性。

在水泥混合物中，自由氢氧化钙可以在空气和水里通过化学反应产生碳酸钙。该反应能提高水泥的强度，但反应缓慢，增强幅度不大，用于增加后期强度。

2.2 水泥搅拌桩重力式挡墙设计

2.2.1 支护形式

水泥土搅拌桩重力式挡土墙支护是将水泥搅拌桩相互搭接，并与搅拌桩间土壤相结合，利用挡土墙体自重作用及嵌入深度对基体的影响，对基坑侧壁土体进行支护的重力式支护结构。

当基坑深度较大，或基坑重要性等级较高时，可与钢板桩、土钉、混凝土灌注桩等支护方式相互结合，形成复合支护。常见的水泥搅拌桩重力式挡墙如图2 所示。横向布置有带肋和不带肋的墙、格栅和拱形。水泥土搅拌桩的重力式挡墙一般适合在软弱的地基上使用，而在基坑开挖时，由于支护结构存在较大的横向变形，往往会在基坑内部和外部都有一定的沉降变形，从而导致基坑内部隆起和墙后地表沉降。

图2 搅拌桩横向布置形式

2.2.2 水泥搅拌桩支护的失效模式

图3（a)所示的倾翻破坏是由挡土墙后的堆载、大型施工机械设备的安装、挤压、土方施工等所致。如图3（b) 所示，墙壁和周围的土壤发生了滑动和破坏，这样的破坏是非常危险的，经常会引起墙壁后面的地面塌陷，并且会引起工程桩子的移动和地面的隆起。图3（c) 所示的支承失效，是由于挡土墙的埋设深度不够或基础土壤的承载力不够而引起的。

图3 水泥搅拌桩支护结构的破坏形态

3 水泥搅拌桩重力式挡土墙施工情况

3.1 搅拌桩施工概况

根据安全性和经济性原则，该项目深基坑采取分段设计分段施工的方式实施，基坑施工顺序为：14-14 剖面→6-6 剖面→7-7 剖面→8-8 剖面→9-9 剖面→9′-9′剖面→10-10 剖面→11-11 剖面→12-12 剖面→12′-12′剖面→13-13剖面→13′-13′剖面。基坑支护的安全等级：8-8剖面安全等级、环境等级为一级，其余剖面为二级。该项目搅拌桩施工分为650mm 三联搅拌桩和850mm 三联搅拌桩施工。

3.2 搅拌桩施工流程

搅拌桩施工流程图如下图4 所示。

图4 施工流程图

3.3 施工参数设计及施工工艺

3.3.1 工艺参数

该项目水泥搅拌桩主要采用直径650mm 搅拌桩与直径850mm 搅拌桩，具体参数详见表1。

表1 施工参数表

3.3.2 施工工艺

在三轴搅拌桩施工之前，必须先做2 根以上的工艺性测桩，以确定三轴搅拌桩的喷浆量、钻孔速度、提升速度和搅拌次数。通过对工艺测试的检验，达到设计和质量的要求，才能进行大规模的施工。

1）场地整平 按照设计图的施工次序，在现场用GPS 放样，确定每根搅拌桩的桩位，并进行明显的标记，每根桩位误差±50mm。

2）桩位布置 搅拌桩机抵达施工现场后，应由当班机长统一调度，并在施工前对施工现场进行仔细的检查，确保施工过程中的平顺和安全，并做好桩的长度控制标尺。

3）桩机就位 搅拌桩机到达工作地点后，由值班机长统一安排，在运行之前，认真观察现场，保证移位平稳、安全，同时做好桩长控制标尺。

4）备制水泥浆 压浆前将按试桩数据配制水泥浆倒入储浆桶中，并在2h 内使用完毕。

5）预搅下沉 启动浆喷机马达，松开吊车或起重机的钢索，让浆喷桩机沿着导轨从上往下喷浆，并打开泥浆泵，并开启马达使之空转3～5min，待浆喷桩机正常运转后再投入工作，并在喷浆期间，充分搅拌水泥和基土，直到达到桩底标高为止，现场喷浆30s 以上。

6）提升喷浆搅拌 当泥浆到达桩底部时，按测试规定的转速将搅拌钻头抬起，在喷浆的同时，将其旋转提升至离地50cm 或桩顶部设计高度时，停止泥浆泵运作，并在现场进行喷浆30s，以确保桩头的均匀致密。

7）重复上下搅拌 喷浆器在达到设计桩顶高度时，为了均匀喷浆，将浆液喷到设计的桩顶高度，然后将浆液喷头一边转动一边下沉，直到达到设计的加固深度后，在把浆喷机从地面升起。

8）提钻、转移 将搅拌钻头从地面上提起来，停止主电机和空压机，完成施工记录单，移动桩机并对桩机垂直度进行修正后，再进行下一根桩的施工。

4 变形分析及控制措施

4.1 墙体水平位移变形

当基坑开挖深度增加时，墙体的变形仍然主要是斜向刚体，但如果在墙体上安装水平支撑，墙体不会产生侧向位移，也不会向坑外偏移，而墙体的腹壁会向内凸出。因此，与其他支护结构相比，水泥土搅拌桩的横截面要大很多。由于水泥土桩体为刚体，在基坑施工时，受到多种应力的作用，土体的会发生横向和旋转运动。

4.2 坑底土体隆起

在基坑开挖过程中，随着基坑的开挖，基坑内的土体在垂直方向上不断地卸荷，在卸荷的同时，垂直方向上发生弹性回弹。这种回弹是由基坑内土体弹性变形引起的。它具有以下特点：在开挖结束后，回弹就会停止。而不会使基坑周围的土体和周边土体向坑内移动。

开挖深度增大后，基坑内外的高差也会随之增大。当基坑开挖至某一深度时，因基坑内、外高差及地表多重超荷等因素，将引起围护结构及坑外土壤受不平衡作用力向坑内移动，从而对坑内的土体进行横向及纵向挤压，使得坑内不仅出现向上的塑性凸起，也会在周围产生塑性区，造成地表塌陷。如果塑性区很大，或者塑性区贯穿到表面，就会导致基坑整体的不稳定。

4.3 搅拌桩质量控制措施

1）对水泥用量、桩长、钻头提升速度、复搅次数、喷浆深度、实施配比等应全面记录并进行校核。

2）在正式开工之前，必须进行试桩，以求出合理的施工参数。

3）施工前，按施工图纸将各桩按施工区段进行划分并记录编号，施工时，按编号施工，并做好施工纪录。

4）三轴式搅拌桩沉拔时，应使螺杆旋转均匀，使其下落均匀，起拔均匀。在进行注浆施工的时候，要对浆喷桩的搅拌下沉和提升速度进行严格的控制，搅拌下沉速度不超过1m/min，提升速度不超过2m/min。

5）严格控制水泥石的配比，为避免水泥石的离析，水泥石配制完成后不能超过2h。

6）要定期维护和维护搅拌桩机，由专门人员操作，每到工作岗位，都要检查机器的工作情况，保证机器运行正常，相邻桩之间的施工时间不能超过24h，一旦长达24h，就需要在工法桩的外侧再打一幅三轴桩，以加强施工。

7）为确保搅拌桩位的准确性及竖直性，在施工过程中，应使用定位卡，并确保吊具的平直，导向架应与地面保持垂直。

8）不能使用过期或受潮的水泥，必须对水泥进行检验，确保其质量符合要求。

9）施工中的偏差，检验数量及检验方法如表2 所示。

表2 搅拌桩质量检测参数表

5 结语

该项目位于佛山地区软土层较厚，工程性质较差，所以深基坑的支护方案选择显得尤为重要。通过对项目上水文地质的勘探研究，选用水泥搅拌桩重力式挡土墙作为主要的基坑支护措施，在保证安全可靠的前提下，经济效益较好，施工质量能够保证。对水泥搅拌桩的支护机理进行深入的研究后，分析搅拌桩的支护形式以及支护破坏的主要三种类型，对于该项目的水泥搅拌桩重力式挡土墙有针对性地进行选择施工工艺及合理的设置施工流程，保证施工过程中的规范性和合理性。

对于施工过程中的水泥式搅拌桩进行支护结构基坑变形分析，主要有墙体水平位移变形和坑底土体隆起这两个方面，故在搅拌桩的施工过程中，对其进行质量把控，降低在施工过程中的风险。