水泥土搅拌桩在掌洲岛堤防加固工程中的应用

戴俊

（东莞市水利勘测设计院有限公司，广东 东莞 523000）

0 前言

水泥土搅拌法是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械，在堤基（身）内部将软土强制搅拌后，由水泥和软土之间所产生的一系列物理—化学反应，使软土改性硬化后具有整体性、低渗透性和一定强度的水泥土搅拌桩。可有效提高加固区软土的抗剪指标强度，增强软土地基承载力、减少沉降、延长渗径等作用。

1 工程概况

项目区位于东莞市道滘镇，加固段堤防按50 年一遇防洪（潮）标准设计，堤防级别定为3 级。采用防洪土堤形式加高，设置二级平台；第一级为亲水平台，平台高程为3.50 m，宽为4.00 m人行步道；第二级在堤岸内侧填筑土堤，按1∶2.00放坡至堤顶，坡面进行景观绿化，堤顶高程为4.90 m，堤顶道路宽度为4.00 m；背水坡坡比为1∶2.00，设草皮护坡，坡脚设纵向排水沟，堤岸迎水侧采用抛石固脚；并针对现状堤防存在的安全问题进行达标加固处理。

工程区主要分布第四系人工填土层（Qs）、第四系冲积层（Qal）和第三系泥岩层（Eb）。地层由上至下：素填土、淤质粉细砂、淤泥、强风化泥岩及中风化泥岩组成。素填土层呈褐黄色，松软，成分以粘性土为主，欠固结，天然含水率29.10%，孔隙比0.917，压缩系数0.53 MPa-1，属高压缩性，承载力低。淤质粉细砂层呈深灰色，饱和，松散，含淤泥质黏粒，渗透系数大，属中等透水，易产生渗透变形。淤泥层为灰黑色，饱和，流塑，含少量细砂，天然含水率63.10%，孔隙比1.697，压缩系数1.69 MPa-1，属高压缩性，承载力低。粉质粘土层呈灰黄色，粘性好，可塑状，微透水性。强风化泥岩层，岩土力学性质较稳定，埋藏较深，承载力高，可作为建筑物基础持力层。各岩土层主要物理力学参数见表1。

表1 各岩土层主要物理力学参数建议值表

2 加固设计方案

目前堤防工程防渗常用方法有水泥土搅拌防渗墙、混凝土防渗墙、垂直铺膜防渗等。因工程堤基下卧层为淤泥质细砂和淤泥，采用水泥土防渗墙施工不需开槽，可避免混凝土墙防渗和垂直铺膜防渗中因开槽出现的塌孔、土层中孔洞无法用泥浆护壁、槽内填土无法夯实等问题；同时水泥土搅拌法适用于加固粘土、砂性土、粉质粘土、砂砾层、淤泥等土层。因此在靠近外江侧，采用桩径0.50 m水泥土搅拌桩密排处理，形成一道水泥土搅拌垂直防渗墙。软土堤基加固则采用桩径0.50 m水泥搅拌桩复合地基处理；按正方形布桩，拟定间距为1.30 m，有效桩长7.00 m，共计6排；桩身穿透淤质粉细砂和淤泥层，桩端位于粉质粘土层。主要技术参数：水泥采用强度42.5级普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为18%～20%，水灰比控制在0.45～0.60，28 d后芯样抗压强度不应＜1.00 MPa，渗透系数i≥1×10-6cm/s，压缩模量≥100 MPa。设计平面布置与标准断面见图1、图2。

图1 搅拌桩平面布置图

图2 堤防加固标准断面图

2.1 渗透稳定计算

2.1.1 防渗墙体厚度

防渗墙的厚度应满足墙体抗渗性、耐久性能、墙身强度等要求，还应考虑工程地质及水文地质等因素。根据《堤防工程手册》，通用的防渗墙厚度计算可按公式（1）计算：

式（1）中：h为最大作用水头（m），为10.60 m；J允为墙体的渗流允许坡降，一般取50～60，水泥土搅拌桩防渗墙取50；D为防渗墙厚，经计算为0.21 m。考虑到施工时桩位误差，桩斜等因素影响，此次设计墙厚定为0.30 m，桩间距为0.40 m。施工时采用三轴搅拌桩机单侧跳打，即在一次深搅一幅单元墙体后移位至下一幅（见图3）。

图3 三轴搅拌机成墙示意图

2.1.2 堤防渗流计算

根据地质勘察资料，填土和砂性土的渗透变形类型主要为流土型；填筑土允许水力坡降为0.40，淤泥质粉细砂允许水力坡降为0.20～0.25。

根据《堤防工程设计规范》规定，结合实际运行情况，按下列水位组合进行渗流稳定计算：①稳定渗流，临水侧为50年一遇设计洪（潮）水位，背水侧为无水时，复核堤防背水侧出逸坡降；②非稳定渗流，临水侧由50 年一遇设计洪（潮）水位经历1天后，降至常水位时，对临水倒堤坡稳定最不利影响，复核堤防临水侧出逸坡降。计算采用有限单元法，应用理正岩土“渗流分析计算”模块进行计算分析。水泥土搅拌桩防渗墙加固前、后渗流稳定计算结果见表2、表3。

表2 加固前渗流稳定计算结果表

表3 加固后渗流稳定计算结果表

由上表可知，垂直防渗措施设置前堤坡和堤基出逸坡降大于允许水力坡降值，渗透稳定不满足要求；增加垂直防渗措施后，出逸坡降值均小于允许水力坡降值；防渗墙的最大水力坡降为3.51，为允许水力坡降的7.02%，明显改善了堤基的抗渗能力。同时两种工况下的渗透流量分别比加固前分别减少73.23%和78.98%，减小幅度较大，说明防渗效果明显。

2.2 复合地基承载力计算

2.2.1 单桩承载力特征值 的取值

根据《复合地基技术规范》，当由桩周土与桩端土的抗力提供单桩竖向抗压承载力特征值时可按公式（2）计算；当由桩体自身材料的强度提供单桩竖向抗压承载力特征值时可按公式（3）计算；取两者较小值。

式（2）（3）中：u p为搅拌桩的周长，为1.57 m；li为搅拌桩长范围内第i层土的厚度（m）；A p为搅拌桩的截面面积，为0.196 m2；qsi、qp分别为搅拌桩周围第i层土的侧阻力、桩端阻力特征值；α为桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.50；f cu为与搅拌桩体同配比试块立方体抗压强度平均值（kPa），参考已完类似工程的试验报告，取1 500 kPa；η为桩体强度折减系数，取0.30。

2.2.2 复合地基承载力计算

设计阶段，复合地基承载力特征值按公式（4）计算：

式（4）中：m为桩土面积置换率，为0.116；f sk为桩间土承载力特征值，取80 kPa；β为桩间土承载力折减系数，取0.60。经计算，复合地基承载力特征值可满足设计要求，计算结果见表4。

2.3 整体抗滑稳定计算

经搅拌桩加固软土地基后，复合地基加固区的抗剪强度指标“粘聚力”和“内摩擦角”值均会有所提高，以达到整体提升堤身抗滑稳定、提高堤基承载力和减少沉降的目的。

2.3.1 搅拌桩体内摩擦角和粘聚力的取值

当无土工实验实测数据时，根据文献资料，可知搅拌桩桩身的内摩擦角可取20°～30°；复合土体等效粘聚力计算公式也一致；但搅拌桩桩身的粘聚力和复合土体等效内摩擦角计算公式并不同。因项目位于东江南支流流经的区域，且受潮汐影响，则选用《广东省海堤工程设计导则》公式计算桩身的粘聚力和复合土体等效内摩擦角。

根据《广东省海堤工程设计导则》，搅拌桩桩身粘聚力C1可按公式（5）计算：

式（6）（7）中：C为复合土体的等效粘聚力，kPa；m为搅拌桩土体面积置换率；C2为桩间土粘聚力；φ为复合土体的等效内摩擦角，（°）；φ1、φ2为桩身内摩擦角、桩间土内摩擦角，（°）；K1、K2为桩身刚度、桩间土体刚度；β为桩的沉降与桩周土沉降之比，取0.50。其余符号意义同前。搅拌桩及桩周软土刚度计算公式见《广东省海堤工程设计导则》附录R.1.3。

现状淤质粉细砂粘聚力为0，内摩擦角为18.10°；淤泥粘聚力为10.90 kPa，内摩擦角为7.80°。采用上述公式计算，所得计算结果见表5。

表5 复合地基等效强度指标计算结果表

在初设阶段评审时，参考专家建议，考虑施工时不确定因素影响，等效粘聚力宜乘以折减系数0.80，作为安全储备。

2.3.3 整体稳定计算

根据《堤防工程设计规范》的规定，选取设计典型断面进行整体抗滑稳定计算，滑动稳定采用瑞典圆弧法。稳定渗流期采用有效应力法进行分析，外水位降落期和施工期采用总应力法进行分析，强度指标均选用固结快剪。应用理正岩土“边坡稳定分析”模块进行计算分析，各工况下堤防整体稳定安全系数均可满足规范要求（见表6）。

表6 整体稳定计算结果表

2.4 沉降计算

此次在现状堤防上加高培厚的土方断面为规则图形，应力分布较规则。原天然地面下产生的附加应力不随深度变化而变化，等于填土自重，自重应力从原天然地面起算；计算深度取可压缩土层厚度，即搅拌桩处理深度。堤基沉降可按复合地基变形计算方法进行计算。根据《广东省海堤工程设计导则》有关规定，复合土层压缩变形量S可按公式（8）和（9）计算：

式（8）（9）中：Pz为搅拌桩复合土层顶面的附加压力值，取40.00 kPa；Pzl为搅拌桩复合土层底面的附加压力值，25.20 kPa；；l为搅拌桩处理深度，取7 m；Esp为搅拌桩复合土层压缩模量，kPa；Ep为搅拌桩压缩模量，可取（100～120）fcu，取150 000 kPa；Es为桩长范围桩间土的压缩模量加权平均值，2 485 kPa。经计算，搅拌桩复合土层的压缩变形量为11.65 mm。因桩端以下未加固土体为粉质粘土和强风化泥岩，无软弱下卧层，不进行下卧层承载力验算，不考虑其变形量。

3 复合地基载荷试验

为验证处理后的复合地基承载力能否满足设计要求，此工程进行了桩身抽芯和复合地基静载试验。现场以随机抽查的形式选取测试点，共取桩身36 个芯样进行了单轴抗压强度试验，芯样抗压强度平均值为1.60 MPa（龄期≥28 d），实际桩长7.00 m，满足设计要求。

复合地基承载力设计值为94.63 kPa，试验加载采用维持荷载法，最大试验荷载为200 kPa。正方形压板面积为1.69 m2。从荷载沉降P～S曲线图（见图4）可知，当试验荷载最大加至200 kPa 时，总沉降量为12.75 mm（选取沉降量最大试验点进行分析），沉降量符合相对稳定标准。P～S曲线上未出现明显的陡降点，为平缓光滑曲线，复合地基承载力按相对变形值确定，取s/b=0.006 对应的荷载值为复合地基承载力特征值；同时承载力特征值不应大于最大加载压力的1/2，因此复合地基试验承载力特征值为100 kPa（见表7）。

表7 复合地基承载力特征值检测结果表

图4 P～S曲线图

根据检测结果表明理论沉降计算值与试验沉降检测值基本吻合，复合地基承载力满足设计要求。

4 结语

堤防工程具有复杂性，应结合场地及周边区域的工程地质及水文地质条件、周边环境情况等，确定安全可靠、技术可行、经济合理的堤防加固方案。结合此次项目实例，得出以下结论和建议：①水泥土搅拌桩作为堤防的加固措施能够有效加强堤防的整体稳定性，提高软土地基承载力、减少沉降和改善堤基的抗渗能力，具有节约投资、施工工效高、工艺简单、对环境的影响小、截渗效果显著等诸多优点。②为确保桩身质量合格，施工前应选择合适的机械设备在工地现场进行实验性施工，通过试桩确定施工技术参数。同时应对搅拌桩桩位、桩顶及桩端高程、桩身垂直度、搅拌头喷浆速度、浆液水灰比等单桩施工作业全过程的进行检验，以便达到预期效果。