深层水泥搅拌桩格栅墙支护在水利工程中的应用

(浙江省第一水电建设集团股份有限公司，杭州 310051)

深层水泥搅拌桩格栅不仅在软土地区工民建深基坑支护中得到广泛应用，近几年来，随着在城区周边施工的水利工程中不断增加和征地补偿处理的难度日益增加，深基坑支护在水利工程中的应用也越来越多。

1 实例分析

温州市龙湾区丁山一期围垦中闸改建工程为丁山一期围垦标准塘建设配套工程，具有挡潮、排洪等作用。基坑开挖深度6.2～7.8m。丁山中闸工程招标投标时施工条件为通水不通航，原设计采用大边坡开挖方案。实际中闸施工中导流明渠每天有10多艘渔船通过； 为保证垦区内养殖户养殖用水，要维持高水位。为防止导流明渠侧基坑边坡滑坡失稳，危及导流明渠和纵向围堰安全，工程采用水泥搅拌桩格栅支护，成功解决了导流明渠侧基坑边坡开挖的安全问题。这为淤泥质软基地质条件下的水泥搅拌桩格栅支护设计施工提供了借鉴。

本工程采用围堰岸地施工，导流明渠布置在左岸，如果按照设计边坡开挖，一旦明渠间的纵向围堰遭到破坏，势必淹没基坑，延误工期，并且纵向围堰破坏后将难以恢复，无论对工程投资还是工程安全都会造成巨大损失。经过多种支护方案的比较，认为水泥搅拌桩格栅造价低廉，施工速度快，工艺简单。结合水泥搅拌桩的特点，进行结构优化，最终决定采用重力式水泥搅拌桩格栅墙进行基坑支护，保证了工程施工的顺利完成。

2 深层水泥土搅拌桩格栅支护的设计与计算

水泥搅拌桩格栅墙作为基坑的支护结构，是将搅拌桩搭接而成，做成格栅状支护结构，其设计与计算按照重力式挡土墙来考虑。设计步骤归纳为：ⓐ根据工程土层物理力学指标和基坑开挖深度等要求，按经验拟定水泥搅拌桩格栅墙的高、厚及入土深度等等； ⓑ计算水泥搅拌桩格栅墙上的主动和被动土压力等； ⓒ进行水泥搅拌桩格栅墙的整体稳定、墙体应力、抗隆起等验算。

2.1 水泥搅拌桩格栅墙设计

水泥搅拌桩支护结构是将搅拌桩搭接而成，平面布置可采用壁状体。本工程因支护边坡较高、土质较差，支护结构宽度设计时可加大宽度，做成格栅状支护结构。如图1所示。

图1 水泥搅拌桩格栅支护平面

2.1.1 搭接长度Ld

Ld一般取10～15cm，桩与桩之间的搭接长度应根据挡土及止水要求确定，如土质较差或有止水要求时，不宜小于15cm。

2.1.2 沿水泥搅拌桩格栅墙纵向的格栅间距Lg

格栅间距应与水泥搅拌桩纵向桩距相协调，一般为桩距的3～6倍。

2.1.3 剖面形式

根据基坑开挖深度，可按下式确定水泥搅拌桩格栅墙宽度及深度：

水泥搅拌桩格栅墙宽度b=(0.5～0.8)h，m；

水泥搅拌桩格栅墙插入基坑以下深度hd=(0.8～1.2)h，m；

h——基坑开挖深度，m；

当土质较好、基坑较浅时，b、hd计算系数取小值； 反之，应取大值。

根据初步拟定的b、hd进行稳定验算，如不满足，则应重新拟定b、hd后再行验算，直至满足为止。

本工程水泥搅拌桩格栅设计参数见表1(因地质条件较差，取大值)。

表1 水泥搅拌桩格删设计参数

2.2 水泥搅拌桩格栅墙的土压力计算

图2中：

式中Ka——主动土压力系数；

Kp——被动土压力系数；

H——水泥搅拌桩格栅墙总的墙高，m；

hd——水泥搅拌桩格栅墙的插入基坑以下深度，m；

c、γ、φ——墙底以上各土层黏聚力，kPa、天然容重，kN/m3、摩擦角按土层厚度的加权平均值，(°)；

c1、γ1、φ1——墙底至基坑底之间各土层黏聚力，kPa、天然容重，kN/m3、摩擦角按土层厚度的加权平均值，(°)；

hq——地面荷载q折算的土层厚度，m。

图2 水泥搅拌桩格栅墙受力分析

按照计算图式，墙后主动土压力Ea按下式计算：

墙前被动土压力Ep按下式计算：

2.3 稳定性验算

2.3.1 整体稳定

水泥搅拌桩格栅墙的插入深度应满足整体稳定性。整体稳定验算按瑞典条分法计算：

式中li——沿滑弧面的弧长，m；

qi——土条处的地面荷载，kN/m；

bi、Wi——土条宽度，m、重量，kN；

αi——滑弧中点的切线和水平线的夹角，(°)；

ci，φi——分别表示土条滑动面上土的黏聚力，kPa和内摩擦角，(°)；

Ks——整体稳定安全系数，一般取1.2～1.5。

2.3.2 抗倾覆稳定

按重力式挡土墙体绕前趾A进行抗倾覆稳定验算：

式中W——水泥搅拌桩格栅墙的自重，kN，W=γcbH

γc——水泥搅拌桩格栅墙水泥土的容重，kN/m3，可取18～19kN/m3；

Kq——抗倾覆安全系数，一般取1.3～1.5。

2.3.3 抗滑移稳定

水泥搅拌桩格栅墙经验算满足整体稳定及抗倾覆稳定，可不进行抗滑移稳定验算，在特殊情况下沿墙底面抗滑移稳定可按下式验算：

式中φ0、C0——分别表示墙底土层的内摩擦角，(°)与黏聚力，kPa；

Kk——抗滑移稳定安全系数，取1.2～1.3。

2.3.4 位移计算

由于被动土压力的作用使得水泥搅拌桩格栅支护结构抗倾覆稳定，格栅墙必须产生一定位移，被动土压力才发挥，因此，水泥搅拌桩格栅支护结构必须发生一定的位移量。要将该位移量控制在容许范围内。

水泥搅拌桩格栅墙的位移计算，目前设计中一般采用经验公式：

式中Δo——墙顶估计水平位移，cm；

L——开挖基坑的最大边长，m；

ζ——影响系数； 一般取0.1～0.2，开挖深度较小、土质较好的取小值，反之，取大值。

2.3.5 墙体应力验算

2.3.5.1 墙体正应力

水泥搅拌桩格栅墙墙体应力按下式验算：

σmax=γ0Z+q0+MX1/I≤qu/Kj；

σmin=γ0Z-MX2/I≥0；

式中σmax、σmin——分别表示计算截面上的最大、最小应力；

Z——计算截面以上水泥搅拌桩格栅墙的高度；

q0——支护结构顶面堆载；

M、I——挡土墙计算截面处的弯矩、惯性矩；

X1、X2——挡土墙在计算截面处的截面形心至最大、最小应力点距离；

Kj——考虑水泥土强度不均匀系数，一般取2.0。

由于水泥搅拌桩格栅墙布置为格栅式，作正应力验算时应取水泥土的截面作为有效计算截面，不计桩间土的截面。为简化计算可取η和b作为墙宽计算截面积与惯性矩。η为水泥土的置换率，b为截面宽度。

2.3.5.2 墙体剪应力

一般按下式验算：

式中τ——计算截面处的剪应力；

2.3.6 抗隆起验算

抗隆起安全系数Kr=滑动力矩/抗滑动力矩=Mr/Ms

式中Kr——抗隆起安全系数,必须大于1.2～1.3；

Mh——基坑底面处挡墙的极限抵抗弯矩，可采用设计弯矩，kN·m。

2.3.7 格仓压力验算

水泥搅拌桩布置时，一般使其满足下式即可：

Cu/γF≥Kf

式中F——格子的土体面积；

u——格子的周长；

Kf——安全系数，对砂土或砂质粉土取1.0，黏土取2.0。

2.4 验算结果

按照以上验算项目，通过深基坑支护设计软件进行分析，验算结果见表2。

表2 验算结果

(本工程基坑等级为二级，安全系数取小值)

3 效 果

丁山中闸纵向土堤采用水泥搅拌桩格栅墙作施工支护，考虑到支护结构向基坑侧位移，在设计时将支护格栅基坑侧的边线离开翼墙底板25cm，以免格栅墙位移，导致翼墙底板宽度不够。开挖后经观测，水泥搅拌桩格栅墙体位移最大为9.3cm，最小为2.5cm，整个格栅墙支护结构稳定，为基坑开挖和混凝土浇筑创造了条件。水泥搅拌桩格栅墙支护在本工程边坡支护中起到了很好的作用，达到了预期效果。

在工程施工过程中发现：虽然水泥搅拌桩格栅墙各项验算都达到了要求，但在实际基坑开挖后，不能暴露时间过长，要尽快浇筑基础底板，并用混凝土填筑支护与翼墙底板之间的间隙以使基础底板支撑住水泥搅拌桩格栅墙，保证支护墙体安全。

4 结 语

采用水泥搅拌桩格栅墙做基坑施工支护，在丁山中闸取得成功，解决了导流明渠侧基坑边坡开挖的安全问题，工程进展顺利，为沿海软土区水利工程中用水泥搅拌桩格栅支护作为深基坑支护提供了一定经验。