水泥土搅拌桩在地连墙槽壁加固中的应用

徐鸿晟

(广西桂通工程咨询有限公司，广西 南宁 530022)

0 引言

地连墙由于具有截水和支挡双重功能，在建筑基坑和地铁基坑支护工程中被广泛应用。工程实践表明，在可塑～坚硬黏性土、密实砂土、残积土及风化岩层中地连墙采用泥浆护壁成槽，槽壁是能自稳的，墙体厚度和混凝土质量有保证。而在软土中成槽，经常由于槽壁向槽内位移，导致实际墙体厚度小于设计值或墙体出现夹泥等现象。因此，在软弱土层中施工地连墙之前，往往应先对土体进行加固处理。

1 工程及地质概况

荔浦至玉林高速公路LK3+002.5平南三桥位于平南县西江大桥上游6 km处，跨越平南县大烟寮村和界首村附近的浔江水域，为荔浦至玉林高速公路平南北互通连接线上跨越浔江的一座特大桥。该桥建成后将再次刷新拱桥最大跨径的世界纪录。主桥为跨径575 m(净跨径548 m)的中承式钢管混凝土拱桥，北引桥为(40 m+60 m+2×35 m)现浇预应力混凝土连续梁桥，南引桥为(50 m+60 m+50 m)+(3×40 m)现浇预应力混凝土连续梁桥，大桥全长1 035 m。平南三桥北主墩拱座基础为整体式圆形基础，几何形态为直径54.6 m、厚6.0 m的圆形大尺寸混凝体构件，基础底面标高为11.0 m，顶面标高为17.0 m，基础持力层为卵石层，2个分离式拱座均位于圆形基础之上。北主墩基坑围护结构为：钢筋混凝土圆形地下连续墙(兼作悬挂式帷幕)+坑底卵石层注浆隔水封底+临河面钢板桩防洪。地连墙为主桥控制性工程。

北岸地质情况复杂，桥位区地层主要由第四系冲洪积层(Qal+pl)、泥盆系中统郁江阶(D2y)组成，地层分布情况为：

(1)冲洪积第3层(Qal+pl-3)：粉质黏土，褐黄、浅黄、褐色，可～硬塑状，土质均匀，韧性及干强度高，局部相变为黏土，局部地段表层为耕植土；该土层压缩系数0.13～0.36 MPa-1，平均值0.23 MPa-1，压缩模量5.03～14.36 MPa，平均值8.66 MPa，属中等压缩性土；该层广泛分布于浔江南北两岸的阶地表层，各钻孔均有揭示，厚2.00～15.10 m。

(2)冲洪积第2层(Qal+pl-2)：粉质黏土，灰褐色，可塑状，土质较均匀，韧性及干强度中等，局部地段夹卵石层。该土层压缩系数0.23～0.25 MPa-1，平均值0.24 MPa-1，压缩模量6.52～7.10 MPa，平均值6.84 MPa，属中等压缩性土；该层主要分布于浔江北岸临江区域，为旧河道岸坡受冲刷后沉积形成，钻孔揭示厚度2.00～13.10 m。

(3)冲洪积第1层(Qal+pl-1)：卵石，中密～密实状，局部地段稍密状，母岩成分主要为砂岩、石英，粒径20～100 mm，含量约50%～70%，间隙充填圆砾、细砂及粉质黏土。该层主要分布于浔江北岸，厚1.00～24.80 m。

(4)中风化泥灰岩(D2y)：局部夹灰岩，局部发育溶洞，岩体较完整，岩芯多呈短柱状，少量块状，风干易开裂。该层主要分布于浔江北岸，最大揭示厚度30.30 m，未钻穿。

地连墙施工时依次穿过厚约4.5 m的冲洪积第3层(Qal+pl-3)粉质黏土层、10.7 m的冲洪积第2层(Qal+pl-2)粉质黏土层和16.0 m的冲洪积第1层(Qal+pl-1)卵石层。粉质黏土层承载力差，地连墙开槽时，在地表大型机械的荷载下，极有可能发生塌孔，因此必须对其进行加固处理。通常的地连墙槽壁加固方法为注浆加固，但通过前期注浆试验发现，黏土层孔隙率小，渗透性差，浆液无法注入。后经过研究论证，改为采用水泥土搅拌桩对黏土层进行加固，使其达到开槽所需的强度要求。

2 水泥土搅拌桩的方案设计

2.1 水泥土搅拌桩的加固原理和参数设计

如图1所示，水泥土搅拌桩的加固原理对单个槽段来讲，就是一块水泥土板在两侧槽头处的搅拌桩咬固作用下阻止土体向槽内位移。搅拌桩固壁机制就是以搅拌桩墙两侧槽头处的搅拌桩的全长横向抗剪力去平衡土压力与泥浆压力差。

图1 水泥土搅拌桩加固原理示意图

参数设计时，水泥土搅拌桩的桩长和咬合厚度成为至关重要的两个参数，直接影响到水泥土板两侧槽头处的抗剪力大小，间接影响到搅拌桩的合理加固深度。搅拌桩合理加固深度是指满足地连墙槽壁稳定性要求前提下桩的合理长度。从原理上看，增加桩之间咬合厚度优于增加桩长，因此，搅拌桩的合理桩长就是在满足槽壁稳定性条件下搅拌桩穿越软弱层进入较好下卧层最小深度时的桩长。

本工程主要设计参数为：桩长15.5 m，桩径0.6 m，搭接长度为0.15 m。水泥土搅拌桩加固后槽壁稳定性安全系数计算值为1.075，满足规范要求。水泥土搅拌桩布置如下页图2所示。

图2 水泥土搅拌桩布置示意图(m)

2.2 水泥土搅拌桩的施工工艺

为保证桩体强度，本工程采用“两喷四搅”工艺进行搅拌桩施工，主要施工工艺流程为：施工准备、浆液配置、预搅下沉、提升喷浆搅拌、重复下沉喷浆搅拌、重复提升喷浆搅拌、成桩。工艺流程如图3所示。

图3 水泥土搅拌桩“两喷四搅”工艺示意图

在提升喷浆搅拌阶段，规定水泥搅拌钻机搅拌头钻至卵石层顶标高后，即刻开启压浆泵往桩内送浆，送浆量≥28 L/min，压浆压力≥0.4 MPa，原位喷浆20～30 s后，搅拌钻头以0.5 m/min左右的提升速度边搅拌边提升边喷浆，以保证土层吃浆量，提高桩体强度。搅拌桩施工技术参数见表1。

在水泥搅拌桩施工过程中，应对搅拌桩机导向架垂直度、下沉与提升速度以及水泥浆配比进行重点监测。监测指标分别为：导向架垂直度用经纬仪测量钻杆垂直度，每根桩施工过程中测量两次，分别为第一次下沉前和第二次下沉前，控制标准为≤1/150，若大于控制标准，则按照控制标准重复一次搅拌过程；下沉速度和提升速度通过秒表计时监控，且保证监控过程中搅拌桩机档位固定，控制标准为下沉速度1 m/min，提升速度0.5 m/min，若不符合控制标准，则按照控制标准重复一次搅拌过程；水泥浆配比通过现场测定新制水泥浆比重监控，水泥浆水灰比为1∶1，对应的比重为1.5，若不符合控制标准，则加水泥或水调制复合标准。

表1 水泥土搅拌桩施工技术参数表

3 水泥搅拌桩加固效果

水泥搅拌桩施工投入两台水泥搅拌桩机，型号分别为ZGZ-A和PH-5D11，经过20 d连续作业，全部825根搅拌桩施工完毕，总进尺约12 787 m。水泥搅拌桩施工结束后，对搅拌桩进行桩头开挖视检及轻型触探试验，以检验搅拌桩施工效果。

在龄期15 d时进行桩头开挖，可明显观察到比较完整的桩头。通过轻型动探试验，测得30 cm深度处搅拌桩承载力达到196 kPa，周围未加固土体承载力为84 kPa；60 cm深度处搅拌桩承载力达到244 kPa，周围未加固土体承载力为68 kPa。结果表明搅拌桩加固效果明显，其承载力约为加固土体的3～4倍，且随着深度增加，承载力提升显著。在龄期20 d时进行轻型动探试验，30 cm深度处搅拌桩承载力达到252 kPa，周围未加固土体承载力为60 kPa；60 cm深度处搅拌桩承载力达到340 kPa，周围未加固土体承载力为84 kPa，搅拌桩承载力均超过250 kPa，达到设计要求。

水泥土搅拌桩达到20 d龄期时，地连墙开始施工。地连墙成槽时采用泥浆护壁，泥浆比重约1.1，黏度约35 s，成槽过程中，未发生塌孔现象。成槽后，使用超声波对槽壁质量进行检测，发现搅拌桩加固在黏土层中，槽壁无任何坍塌，且垂直度良好。

4 结语

通过平南三桥北岸地连墙基础水泥土搅拌桩加固槽壁工程，验证了水泥土搅拌桩对地连墙槽壁加固的有效性：

(1)水泥土搅拌桩施工方便、工期短、效果好，相比较其他加固措施有较大优势。水泥土搅拌桩在地连墙槽壁加固中的应用极大地扩展了地连墙在软土地区的适用范围。

(2)水泥土搅拌桩仅适用于黏土层、砂土层及砾石土层等小颗粒土层，对卵石层等大颗粒土层并不适用，这主要是因为现有的搅拌桩机无法对卵石土进行搅拌，因此如何改造搅拌桩机，提升其性能，使水泥土搅拌桩适用于更多的地质情况，应该成为以后的主要研究方向。