钉型水泥土双向搅拌桩在穿堤泵站软弱土地基处理中的应用

孟范兵,夏珊珊

(安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概况和地质

九里西排涝站位于唐山保庄圩堤防桩号1+471，距东津渡大桥约0.51 km。10年一遇设计抽排流量为2.61 m3/s，装机功率为300 kW，站涵结合自排和引水灌溉，设计自排流量为3.9 m3/s。位于2级唐山保庄圩堤防上，为堤后式穿堤排涝站，等别为Ⅳ等，堤顶高程为26.0 m，泵房及输水涵洞底槛高程为15.8 m。

表1 九里西排涝站各土层指标建议值

2 地基处理方案选择

站址的基建面位于②层淤泥质重粉质壤土中，泵房、压力水箱、输水涵洞、上游翼墙及下游U形槽基础等部位基底应力均大于70 kPa，存在承载力不足和沉降变形问题，且建基面以下②层厚9 m左右，结合建建筑物防渗稳定要求，建议地基处理采用水泥土搅拌桩。

水泥土搅拌桩[1]通过机械将土与水泥强制拌和，土和水泥发生物理化学反应硬结成具有强度较高、水稳性和整体性的水泥土桩，与桩间软弱土形成复合地基，因此，增大地基承载力，减少地基沉降和加强地基稳定性，适宜处理深15 m以内的软土。根据水泥掺入状态不同，分为湿法和干法两种，一般认为湿法水泥剂量和搅拌均匀容易控制，成桩质量效果好[2]；而干法喷粉量和搅拌质量很难把控，相对湿法成桩质量较差，但干法施工，粉体能吸收软土的水，适合含水量高的软土地基[3]。

通过钻杆旋转反向，有双向及单向水泥土搅拌桩两种施工工艺[4]，单向水泥土搅拌桩有以下缺点：在水平和垂直方向很难把水泥土搅拌均匀；因喷浆压力、土压力、孔隙水压力容易导致水泥浆沿钻杆上行冒出地面，减少水泥浆掺入量和减弱复合地基承载力。为避免单向水泥土搅拌桩的缺点，研究一种新型钉型水泥土双向搅拌桩，成桩机械的钻杆改进为同心双轴，即外钻杆上安装反向旋转叶片，内钻杆上安装喷浆口和正向旋转叶片，施工中正反向旋转叶片一起双向搅拌水泥土，再加上外杆上的叶片反向旋转的压浆作用，能避免水泥浆冒出地面，搅拌及水泥浆在桩体中均匀分布易控制，保证桩体质量。

钉形水泥土双向搅拌桩[5]有下面优势：桩和扩大头施工1次完成，操作简单；通过桩顶荷载和土拱作用，扩大头能保证桩体和桩间土变形协调，复合地基效果更好；考虑附加应力向下减小特点，增大土体上部复合地基承载力；成桩形似“钉子”，上部扩大头如承台一样，能对褥垫层的要求适当降低；扩大头作用以及环形对称边载效应，利用环形对称边载荷扩大头作用，能增大桩间距，降低投资[6]。

鉴于钉型水泥土双向搅拌桩[7]在中等厚度软弱土地基处理上的优势，采用钉型水泥土双向搅拌桩对九里西排涝站泵房、输水涵洞及上下游翼墙进行地基加固处理。

3 水泥土双向搅桩复合地基处理设计

3.1 搅拌桩布置技术要求

桩长和桩距应根据复合地基承载力和沉降变形满足建筑物设计要求确定，宜穿过软弱土层，进入强度相对较高硬土层不小于1.5 m；本工程水泥土搅拌桩水泥掺入比为18%，水泥采用普通硅酸盐水泥、强度为42.5，水灰比为0.5，桩径为0.5 m，其中钉型水泥土双向搅拌桩上部扩大头直径为1 m、长度为4 m。

3.2 复合地基承载力确定

1)单桩竖向抗压承载力特征值Ra

根据《钉形水泥土双向搅拌桩复合地基技术规程》JG/T 024—2007，当有单桩荷载试验时，为单桩竖向极限承载力的1/2，当无单桩荷载试验资料时，按式(1～4)计算。

① 如果桩身强度满足：

则单桩极限承载力应由下式确定：

(1)

② 如果桩身强度满足：

则单桩极限承载力应由下式确定：

(2)

③ 如果桩身强度满足：

则单桩极限承载力应由下式确定：

Ra3=η1fcu,kAp1

(3)

Ra=min{Ra1，Ra2，Ra3}

(4)

式中Ra为单桩竖向抗压承载力特征值，kN；fcuk为与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固土试块的90 d龄期的无侧限抗压强度平均值[8]，kPa，本工程为1 800 kPa；η1为扩大头部分桩身强度折减系数，η1可取0.6～0.8；η2为扩大头以下部分桩身强度折减系数，η2可取0.5～0.65；qpa为变截面处地基土承载力特征值，kPa；qpb为桩端土地基承载力特征值，kPa；qsi为扩大头深度范围内第i层桩周土摩阻力特征值，kPa；qsj为下部桩体第j层桩周土摩阻力特征值，kPa；Ap1、Ap2为分别为扩大头部分及下部桩体的桩截面积,m2；up1、up2为分别为扩大部分、及下部桩体的截面周长,m；hi、hj为分别为扩大头深度范围内第i层、及下部桩体第j层桩周土厚度,m；n1、n2为分别为扩大头和下部桩体深度范围内桩周土分层数；α1为变截面处天然地基土承载力折减系数，可取0.8～0.9；α2桩端天然地基土承载力折减系数，可取0.4～0.6。

2)水泥土双向搅拌桩复合地基承载力fspk

钉形水泥土双向搅拌桩复合地基承载力特征值，应通过现场复合地基载荷试验确定，按式(5)估算。

(5)

复合地基置换率m影响复合地基承载力大小，调整桩间距，也相应改变复合地基承载力大小。泵房及压力水箱底板下钉型水泥土双向搅拌桩单桩竖向抗压承载力和复合地基承载力特征值计算过程见表2，泵站各部位单桩竖向抗压承载力和复合地基承载力特征值计算结果见表3。

表2 泵房及压力水箱底板下搅拌桩单桩竖向抗压承载力和复合地基承载力特征值详细计算过程

表3 水泥土双向搅拌桩设计成果

3.3 复合地基沉降计算

复合地基沉降由加固区复合土层压缩变形量S1和桩端下未加固土层的压缩变形量S2组成[9]，其中加固区复合土层压缩变形量S1，由扩大头深度范围内复合土层压缩变形量S11和下部桩体深度范围内复合土层压缩变形量S12组成，其中S11、S12均由公式(6)计算，S2分由式(7)计算：

(6)

(7)

第i层复合地基的压缩模量可按下式计算：

Espi=miEp+(1-mi)Esi

(8)

式中P0为作用于底板底面的附加应力,kPa；zi、zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面距离,m；αi、αi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数；Espi、Esi为分别为第i层土复合地基压缩模量、天然地基土压缩模量,MPa；Ep为搅拌桩压缩模量,MPa，可取(150～180)fcu，mi为第i层搅拌桩复合地基置换率；Ψs为复合地基加固区下卧土层压缩变形量计算经验系数。

泵站各部位最大沉降量见前文表2，沉降量满足设计要求。且2020年4月建成至今，对建筑物沉降进行观测，各部位沉降量为15～35 mm，沉降量及沉降差很小。

3.4 搅拌桩布置

在水泥土搅拌桩与底板之间设置褥垫层[10]，合理调整桩、土受力，保证桩和土共同受力形成复合地基，考虑水利建筑地基的防渗要求，采用掺入比8%的水泥土褥垫层。

根据水泥土双向搅拌桩复合地基承载力和沉降计算，泵房、压力水箱及输水涵洞基础采用钉型水泥土双向搅拌桩，上部扩大头直径为1 m、下部桩径为0.5 m，扩大头长度为4 m，泵房及压力水箱桩间距为2 m×2 m；输水涵洞上覆土较厚、基底应力偏大，涵洞基础搅拌桩采用格构墙布置，达到控制土体侧向变形效果；上游翼墙及下游U形槽基础采用桩径为0.5 m的水泥土双向搅拌桩，桩间距为1 m×1 m。各部位搅拌桩均穿过②层淤泥质重粉质壤土、进入强对相对较高的⑤粘土夹砾石层1.5 m。九里西排涝站水泥土双向搅拌桩地基处理设计成果见前文表3，水泥土搅拌桩复合地基布置见图1。

图1 水泥土双向搅拌桩复合地基布置示意(单位：mm)

4 地基加固的施工技术要求及质量控制

1)水泥采用普通硅酸盐水泥42.5，质量应符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)国家标准，不得使用过期的和受潮结块的水泥；设计建议值：水泥掺入比为18%，水灰比为0.5。

2)施工前应根据工艺性试桩情况，确定搅拌桩的施工工艺；水泥土搅拌桩桩位偏差≤50 mm，垂直度偏差≤1.0%。

3)桩底高程以打入基础持力层不小于1.5 m，控制搅拌桩施工到设计桩顶以上500 mm，在基坑开挖时人工凿除设计桩顶以上部分，不能损坏桩身[11]。

4)水泥土搅拌桩应在基坑开挖至各部位设计桩顶以上不小于1.5 m基坑面开始施工；当设计桩顶以上不足1.5 m覆盖层时，应将地面加以平整，回填粘性土料并予以压实。施工机械应安装平稳、牢固。

5)水泥土双向搅拌桩采用四搅两喷施工工艺。施工过程为桩机定位—喷浆下沉—施工下部桩体—提升搅拌—伸展叶片—切土下沉—二次提升搅拌。

5 加固效果检验

搅拌桩施工完成后，经第三方进行了抽检，水泥土桩身均匀、连续、完整，桩身上、中、下3个不同部位的水泥土无侧限抗压强度值为3.1～4.2 MPa，水泥土搅拌桩桩身在软土中起到加固增强作用；单桩及复合地基承载力均满足设计要求。

6 结语

结合工程实例，对钉型水泥土双向搅拌桩的桩长及布置从复合地基承载力和沉降两方面进行了理论计算；底板与桩之间设8%水泥土褥垫层以保证桩和土共同承担上部荷载形成复合地基和站基防渗稳定；通过对地基加固质量检测，搅拌桩桩身连续、完整及强度均能满足设计要求，复合地基效果很好。钉型水泥土双向搅拌桩复合地基处理方式可为中等厚度软弱土层上的水利工程地基处理提供借鉴，应用推广价值较好。