深层水泥搅拌法加固引桥地基效果分析

麻勇，栾茂田

（大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024）

0 引言

我国港口主要分布在沿海及河流的出海口，因此港口通常建设在以淤泥及淤泥质黏土为主的软土地基上，软土厚度一般为10～60m不等。这些土具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性大和抗剪强度低等不良的工程性质，普遍不能达到承载力要求。深层水泥搅拌加固技术作为一种高效的地基处理方法，在国内外各类工程中得到了广泛使用。从1885年美国阿斯皮琴提出用硅酸盐水泥作为注浆材料处理地基开始，深层水泥搅拌法伴随着软基加固研究不断深入。我国自1977年从日本引入软土地基深层搅拌加固技术的思想之后，进行了大量室内外试验，同时积极研发先进的施工机械和相应的施工工艺，并先于国外将深层搅拌加固技术大量应用于工业与民用建筑物、市政工程和道路建设的软基加固工程中，积累了大量的工程经验，同时也形成了比较成熟的理论体系和施工工艺[1-4]。本文给出了深层水泥搅拌法在天津港某引桥地基加固工程的一个典型应用，并应用有限元法对其加固效果进行了分析。

1 工程概况

天津港某引桥工程采用深层水泥搅拌法进行地基加固[5-6]，引桥深层水泥搅拌加固体为块式结构，长40.5m，宽4.4m。加固体使用525号普通硅酸盐水泥，水泥掺量为310 kg/m3。引桥搅拌桩长18.5m，桩顶标高为+2.0m，底标高为-16.5m。搅拌桩布置示意如图1所示。搅拌桩单桩桩径为700mm，桩与桩之间搭接150mm，深层水泥搅拌加固体每隔9～10m设一道沉降缝，沉降缝两侧水泥搅拌桩相切。水泥搅拌桩设计桩身强度要求90d标准无侧限抗压强度为2.5MPa。

图1 引桥拌合体结构图

2 数值模拟

有限元模型中土体和加固体均采用莫尔-库伦模型，其中加固体采用龄期为90 d时的强度参数，胸墙采用弹性模型。为了减小土体的边界效应，土体深度延伸到加固体底面以下1倍加固体深度处，临海侧宽度取加固体宽度的3倍。在土体侧向施加水平向约束，底部施加竖向和水平向约束，第一层淤泥质黏土表面初始孔隙水压为2 kPa。结合地质勘察资料，有限元模型中采用的材料物理力学指标见表1，模型如图2所示。

表1 有限元模型采用的材料物理力学指标

图2 有限元模型

3 计算结果及分析

利用有限元法对引桥的施工过程进行模拟，计算出了加固体及周围土体的变形、内部应力和孔隙水压力。

引桥CDM搅拌体及周围土体的变形云图如图3所示。

由结构体的变形云图可知，搅拌体的侧向变形为3～6 mm，竖向变形约为8mm，周围土体的变形较搅拌体的变形大，充分证明了深层水泥搅拌加固法处理软弱地基的有效性。

引桥CDM搅拌体及周围土体孔隙水压力云图如图4所示。由引桥CDM搅拌体及周围土体孔隙水压力云图可以看出，由于胸墙施工完毕后回填土的作用，地基土中的孔压有所上升，这与土力学理论是一致的。

为了获得深层水泥搅拌加固体各种外力、内力、变形等变化规律，施工过程中埋设了大量土压力、孔隙水压力等监测仪器，对深层水泥搅拌加固工程进行全方位的现场监测，同时，该监测资料可以作为数值模拟的校核。

图5为堆场侧和临海侧土压力的实测值、理论计算值及有限元计算值沿深度的分布曲线。

由图5可知，在施工过程中深层水泥搅拌加固体的实测土压力变化不大。可以按水土合算的朗肯主动土压力估算堆场侧土压力的分布，按水土合算的静止土压力估算临海侧土压力的分布。有限元的计算结果与实测值比较吻合。

实测搅拌体两侧地基土孔隙水压力沿深度变化曲线和有限元计算所得孔隙水压力沿深度变化曲线如图6所示。

4 结语

深层水泥搅拌法应用于港口引桥地基加固具有较好的效果。有限元数值计算方法可以较好地模拟深层水泥搅拌法的加固效果。数值模拟表明，采用深层水泥搅拌法加固后，地基变形得到了很好的控制，加固效果显著。土压力在施工过程中变化不大，堆场侧土压力分布与按水土合算的朗肯主动土压力相近，临海侧土压力分布与按水土合算的静止土压力相近。

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