水泥搅拌桩在高桩码头岸坡加固中的应用研究

2021-10-01李岳函程相峰杨磊渤海石油航务建筑工程有限责任公司

珠江水运 2021年17期

李岳函程相峰杨磊渤海石油航务建筑工程有限责任公司

1.工程背景

由于码头后方场区使用荷载较大，且距离原陆域回填边坡较近，为保证开挖后原有边坡的稳定性，防止挡土墙与后桩台间发生过大的不均匀沉降，在围埝顶部及后方陆侧设置了水泥搅拌桩。与常规项目不同，该项目的水泥搅拌桩设置在砂棱体充填袋围堰上，充填袋具有强度高、不易破碎等特点，在充填袋下方有废弃的塑料排水板，对水泥搅拌桩施工造成困难，极易出现钻进困难、卡钻、无法成桩等现象。

2.创新优势

目前行业内没有在砂棱体充填袋及排水板密集区进行水泥搅拌桩施工的实例，也没有研究文献可参考。因此创新点主要体现在以下两方面：

（1）在砂棱体充填袋和塑料排水板的特殊环境下，水泥搅拌桩成孔工艺与常规的成孔工艺有所不同。通过研究本项目的成孔工艺，在有条件的情况下研究改造常规设备构配件的可能性，以确保在钻进成孔顺利的情况下提高作业效率。

（2）采用水泥搅拌桩加固码头岸坡，尤其是在有透水性围埝区域，施工过程中可能受潮汐影响。在水泥浆浓度选取过程中如何控制水泥浆流失量又确保桩身强度是本项目的一个重点研究方向。在围埝后方施工中采用水泥搅拌桩后，可在短时间内保质保量完成工作，所需成本较低，对生产作业干扰小，是一种经济、快捷的提高地基承载力的手段。

3.水泥搅拌桩加固设计

围埝基础多数位于软弱土层上，若未经处理而直接施工将出现地基承载力不足、堤岸失稳的情况，有必要以合理的方法完成挡墙基础处理工作。在现阶段的软基加固施工中，水泥搅拌桩具有质量良好、作业便捷、效率高等特点，因此将其作为软基处理方案。所用桩体为φ600mm水泥搅拌桩，桩身水泥土固结体强度抗剪实验粘聚力≥200kPa，内摩擦角≥8°，无侧限抗压强度≥0.5kPa。为保证加固效果，搅拌桩底穿透淤泥土层，深入下覆土层的深度按2m控制。复合地基设计工作中充分考虑工程对现场地基承载力所提出的要求，据此合理控制桩间距，在此基础上进一步分析岸坡整体抗滑稳定性，保证方案的可行性。

4.岸坡抗滑稳定计算

为高效计算，采用理正岩土6.5软件，向其中输入已知的参数展开计算。考虑稳定渗流、设计水位骤降、施工期三个阶段，分别确定岸坡的抗滑稳定系数。

水泥土抗剪强度按下式计算：

式中：C1、φ1分别为桩间土的粘聚力、摩擦角，kPa、°；C2、φ2分别为水泥土的粘聚力、摩擦角。

C2根据设计抗压强度而定，为该值的0.2～0.3倍，2φ的取值区间为20～30°。具体至现场施工中，虽然经过加固处理，但水泥土的强度依然小于试验值，鉴于此情况，对所得的抗剪强度做折减处理，由此得到：

不同条件下水泥土的特性不相同，淤泥层中C=24.6kPa、φ=7.3°，粉质粘土层中C=30.4 kPa，φ=11.9°。经计算确定前述所提三个阶段的岸坡抗滑稳定系数，具体见表1。

表1 岸坡抗滑稳定计算结果表

分析发现，在施作水泥搅拌桩后挡墙地基得到有效的加固，土体的抗剪强度较初期有明显增加，对应的岸坡抗滑稳定系数也得到增加，可以满足要求。由此说明所采取的水泥搅拌桩加固方法具有可行性。

5.单轴试桩

单轴试桩按照施工位置、施工工艺及水泥掺量的不同共分成6组，每组15根水泥搅拌桩（每组3列，垂直码头前沿线方向每列采用一种工法）。水泥搅拌桩桩径0.6m，水泥掺量（重量）分别采用8%、10%、12%、14%、16%、18%，施工工艺分别采用单向四喷四搅、六喷六搅及双向搅拌。

上部砂层10m抗压满足设计要求≥200kPa，其中最大值桩号A3-1抗压强度为19780kPa，最小值桩号C3-1抗压强度为1061.36kPa，平均抗压强度为6724.78kPa；下部10m淤泥质黏土层抗压强度低于设计要求，其中20根无压力值，另外三根分别为C3-1压力值57kPa，C3-2及A区东侧5m试桩压力值为48kPa。

C3-1、C3-2及A区东侧5m试桩粘聚力数值分别为：C3-1桩身5.3m粘聚力239.44kPa（满足设计要求），桩身16.5m粘聚力7.47kPa；C3-2桩身7.9m粘聚力171.02kPa，桩身15.3m粘聚力5.37kPa；A区东侧5m试桩桩身15.3m粘聚力8kPa。

C3-1、C3-2及A区东侧5m试桩摩擦角数值分别为：C3-1桩身5.3m摩擦角48.71°，桩身16.5m摩擦角41.24°，满足设计要求；C3-2桩身7.9m摩擦角40.85°，桩身15.3m摩擦角29.83°，满足设计要求；A区东侧5m试桩桩身15.3m摩擦角4.7度，不满足设计要求。

从试验数据来看，上部10m砂层部位抗压强度满足设计要求，下部10m淤泥质黏土层部位达不到设计要求。粘聚力只有C3-1桩身5.3m芯样能够满足设计要求外，其余全部不能满足设计要求。摩擦角C3-1、C3-2满足设计要求，A区东侧5m试桩摩擦角达不到设计要求数值。单轴试桩结果不理想，无法满足设计要求。

6.三轴试桩

单轴水泥搅拌桩试桩检测数据结果偏低、成桩率偏低，不能满足设计质量指标要求，需提高设备功率≥75kW，以防砂袋缠绕；黏土部分上下搅拌次数不少于4次，单点每遍不少于20次；喷浆压力≥0.5MPa。经调研，因双轴桩机是单轴桩机的叠加，无再次验证必要，经各方讨论进行三轴搅拌桩试桩：按照施工位置、施工工艺及水泥掺量的不同，共分成3组（每组采用一种水泥掺量），按照工艺方案确定工法组数，每个工法3根、共27根，上部充填袋部分水泥掺量(重量)分别采用12%、10%、8%，施工工艺分别采用一喷二搅、二喷二搅，下部原状土部分水泥掺量(重量)分别采用16%、18%、20%，施工工艺分别采用两喷四搅、三喷六搅、四喷四搅，水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。

每组水泥搅拌桩提供7天、14天、28天、90天无侧限抗压强度值及桩体的剪切试验结果。经研究对比，采用2C-1工艺，即上部约10m采用一喷两搅，下部约10m采用两喷四搅，采用42.5级普通硅酸盐水泥；掺入比为被加固土体质量的14%。

7.施工效果

水泥搅拌桩在岸坡加固中的有效使用，与高压旋喷桩、碎石桩和挤密砂桩等方法相比，造价较低、施工周期短、搅拌施工时环境影响较小、对周围原有构筑物及地下沟管影响小；研究过程中确定的最佳成孔方式及最优水泥掺量等参数直接指导本工程施工，可提高施工效率、节约水泥用量；研究后形成完善工艺规程，指导日后公司在码头后方堆场、软基处理等施工；有助于提高公司的大型工程施工总承包能力，为公司赢得市场、获得良好的经济效益打下基础。