九乡河边坡稳定水泥土深搅桩的分析及应用

2022-07-01钱飞飞林智康尤东京

吉林水利 2022年4期

钱飞飞，林智康，尤东京，赵越

（1.南京通瑞水利建设工程有限公司，江苏南京 210005；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州 225009；3.南京市水利建筑工程有限公司，江苏南京 210012）

河道边坡失稳是工程中常见问题，一直受到工程师及学者的广泛关注与研究，目前边坡失稳的防治措施主要有：（1）改变边坡几何形态，削重反压或减缓边坡的总坡度，可经济有效地解决边坡失稳问题[1]；（2）改善土体工程性质，通过化学或物理手段改变土体性质以提高边坡的稳定性[2-3]；（3）采取支挡工程，如：采用钢筋混凝土板桩、钢筋混凝土地下连续墙及钢板桩等措施进行刚性支挡，或采用搅拌桩与旋喷桩加固等方法进行柔性支挡[4-6]。水泥深搅桩是利用水泥作为固化剂通过专用设备将水泥与土混合搅拌，使原先工程性质差的土变成具有整体性、水稳定性、具有一定强度的复合地基，水泥深搅桩具有地基处理费不高，复合地基保证底板和土体的充分接触，调节不均匀沉降等优点[7-8]，其已被广泛应用于各种中小型水利工程中[9-13]。本文根据九乡河治理二期工程河道的地质特点，提出了将水泥土深搅桩应用于河道边坡稳定的技术方案，并通过对比分析了不同施工工艺、水泥掺量及是否添加减水剂分对桩身强度的影响。

1 工程概况

九乡河治理二期工程主要通过河道拓浚和护岸、配套建筑物拆除和改建，实现九乡河栖霞段达到流域防洪标准，改善九乡河水环境要求的目的，并兼顾满足九乡河作为秦淮东河分洪入江通道要求。九乡河治理二期工程分为上、下游两段，河道总长4.46km，两侧堤岸总长8.545km，其中上游段自庙山撇洪沟到羊山坝，两岸堤防共2.405km；下游段自312 国道至河口闸站，两侧堤岸6.14km。九乡河治理工程河道普遍分布软土，土质具有力学强度低、压缩性大、灵敏度高、排水固结缓慢、固结时间长等特点，在河道边坡高度大，荷载作用时土质易发生流变，河道边坡极易发生滑动破坏，同时，九乡河两岸无可利用的导流通道，也无条件新开明渠导流。在受地质地形条件限制的条件下，九乡河的河道迎水坡的设计坡比为1:2.5，为提高河道两岸边坡抗滑稳定性，九乡河全线河道两岸河坡中下部及河床软土均采用水泥土深搅桩加固处理，主要利用水泥土深搅桩加固坡面中下部及河床软土，形成复合地基，从而达到提高坡面抗滑稳定性的目的。

2 搅拌桩的设计及实施

依据九乡河的地质条件，对水泥土深搅桩进行设计，设计参数主要有：水泥土深搅桩的桩长在9.5—17.0m 范围，桩径0.7m，桩身抗剪强度指标C值为100kPa；水泥掺量的重量比不小于16%，水泥浆水灰比为0.5—0.6，采用42.5 级普通硅酸盐水泥。河床加固区搅拌桩中心距为1.4m，桩置换率为20%；桩两侧边坡下部搅拌桩中心距为1.15m，桩置换率为30%。水泥土深搅桩全桩长范围桩身强度应均匀，28 天无侧限抗压强度不小于0.8Mpa，90天抗压强度不小于1.5Mpa。

为确定合适的施工方案，对比了四搅两喷、两搅一喷、四搅一喷、四搅两喷4 种施工工艺，16%与18%两种水泥掺量以及是否添加减水剂共12 种方案，合计试桩50 根进行工艺试验，桩长13.5m，具体试桩方案详如表1 所示。

表1 试桩方案表

本次试桩采用16%和18%两种水泥掺量进行试桩，每米桩体土体积为385L，则16%水泥掺量的每米桩体水泥用量为104.7kg，18%水泥掺量的每米桩体水泥用量为117.8kg。减水剂采用HLC-IX聚羧酸系高性能减水剂，掺量为胶凝材料的1%，减水率达20%左右。

四搅两喷的施工工艺流程为：①放线定位：用GPS 和卷尺测放工程轴线及桩位后进行施工；②桩机就位：依据设计图纸的桩位布置，桩机就位对中，并再次复核桩位，施工结束后桩位偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于0.3%；③制备灰浆：搅拌机下沉搅拌前，按事先确定的配合比制备灰浆，并在注浆前将水泥浆经过滤网片倾入集料斗中；④一搅一喷下沉：桩机就位对中后，启动主机，使其正向转动，并选钻头向下推进挡，以0.8m/min 均匀速度，边下沉边喷浆边搅拌，使水泥和土充分搅拌，直至设计深度；⑤二搅提升：当搅拌机下沉至设计深度后，以0.8m/min 均匀速度提升搅拌，直到设计桩顶标高，即完成二次搅拌加固过程；⑥三搅二喷下沉：再次以0.8m/min 的速度下沉，边下沉边喷浆边搅拌，使水泥和土充分搅拌，直至设计深度；⑦四搅提升：以0.8m/min 的速度提升，直到设计桩顶标高。

两搅一喷的施工工艺流程前期与四搅两喷工艺相同，放线定位、桩机就位、制备灰浆，接着进行一搅喷浆下沉，桩机就位对中后，开动电机，待搅拌机双向转速正常以后，开启高压送浆泵，待浆液喷出喷浆口后，沿导向架边旋切土，边以0.5m/min的速度下沉至设计加固深度，下沉搅拌过程中保持送浆的连续性，不得有断浆停浆现象发生。二搅提升：当搅拌机下沉至设计深度后，以0.5m/min 均匀速度提升，边提升边搅拌，使水泥和土充分搅拌，直到设计桩顶标高，即完成二次搅拌加固过程。

在试验结果基础上对试桩强度进行分析，结果表明：①两搅工艺无法满足工程技术需要，桩身强度不均匀且每桩均出现多组芯样不满足设计要求； ②在刀头数不变，其他施工参数不变的情况下，单向搅拌和双向搅拌对本工程范围内水泥土强度的提升没有明显帮助； ③单一的增加搅拌遍数而不增加喷浆时长会带来施工困难； ④水泥掺量增加在搅拌比较均匀的四搅工艺中对桩身强度的影响是积极的，但在双向四搅两喷的两根桩呈现负相关，总体上水泥掺量增加对提升桩身强度有益； ⑤减水剂可以提升桩身10%—20%左右强度。经全面比较试验数据后，采用18%水泥掺量加减水剂并结合四搅工艺（二喷或以上）进行施工可以满足设计要求，此时水灰比为0.44。

为进一步复核九乡河上下游段采用水泥土深搅桩后河道边坡的抗滑稳定性，依据《堤防设计规范（GB50286-2013）》，采用北京理正软件设计研究院编制的理正边坡稳定分析计算程序对三种水位工况时上下游河段特征断面河道边坡进行稳定计算，3 种工况河道水位如表2 所示，背水坡水位为地下水位。

表2 边坡抗滑稳定计算水位工况

经边坡稳定计算，九乡河上游段特征断面河道的边坡稳定抗滑系数在设计洪水位降落期时为2.08，常水位降落期为1.89，施工期为1.34；九乡河下游段特征断面河道的边坡稳定抗滑系数在设计洪水位降落期时为1.97，常水位降落期为1.65，施工期为1.26，各水位工况时九乡河上下游段特征断面河道的边坡抗滑稳定系数均满足《堤防设计规范（GB50286-2013）》中正常情况和非常情况所对应的抗滑安全系数要求。

对九乡河的上下游段分别制定施工顺序，对于上游河道水泥土深搅桩在场地清理和河道拓浚之间进行施工，而下游段河道水泥土深搅桩在坡面卸载，施工平台填筑与河道拓浚之间进行施工。河道工程结合施工导流，分左右幅施工。根据河道实际情况先行施工右半幅河道水泥土深搅桩，期间利用左岸河床导流，如图1a 所示；施工左半幅河道时利用右半幅河床导流，如图1b 所示，河床内土方开挖需待水泥土深搅桩加固达到设计强度后进行。

图1 河道两岸水泥深搅桩施工示意图

九乡河二期治理工程中水泥土深搅桩的施工过程进行全过程的施工检测和质量控制，并逐桩记录每根桩的水泥用量，水泥浆拌制的罐数，压浆过程中不得有断浆现象。在冬季施工时，应考虑零下对水泥土深搅桩处理效果的影响。该工程以水泥土深搅桩全桩身范围内水泥土无侧限抗压强度达到设计要求为合格标准。

委托第三方检测公司对水泥土深搅桩进行现场抽样钻芯检测，XY-150 型工程钻机的钻孔选择在偏离桩中心约10cm 位置，钻机立轴中心对准孔位，对已完成的水泥土深搅桩中抽取2%的桩进行质量检验，共随机抽样钻芯39 根水泥土深搅桩，在3 000kN 液压式瓦能耐试验机上进行抗压强度试验，共试验了476 组，试验时将试样置于试验机承压板中心，以每秒0.25—0.50Mpa 速度加荷载，直至试件破坏，经检测，39 根深搅桩芯样较连续、完整，大部分外表光滑，芯样侧表面仅有极少气孔，芯样呈圆柱状，均匀性较好，大部分芯样断口较吻合。根据《建筑桩基检测技术规范（JGJ106-2014）》规定，由桩身芯样特征综合判定，桩身完整性符合钻芯检测Ⅰ类桩判别标准。