水泥搅拌桩在码头岸坡加固施工中的设计应用

杜静 广东省航运规划设计院有限公司

在实际工程中，码头岸坡加固过程中路基承载力达不到设计要求时，必须采取相应的加固措施，混凝土搅拌桩是一种在码头边坡加固处理中得到广泛应用的施工方法。近几年，国内已开展了大量的研究工作，其中以钉型水泥土搅拌桩为主，采用数值仿真软件，对单、群两种情况下的地基进行了加固。结果表明，采用该方法可以有效地承受地基的上部荷载，并采用相应的加固方法，使地基沉降明显减小。结合某路基工程实例，利用有限元软件对地基进行了计算，重点分析了桩间距、填土高度、桩直径等对基础沉陷的影响，并提出了相应的计算公式。利用有限元数值模拟方法，对码头岸坡加固后的软弱地基进行了试验研究，得出了混凝土搅拌桩在软土地基中的作用。混凝土搅拌桩作为地基加固的高效方法，施工简便，对环境影响小，在城市建设中有着广泛的应用前景。本文以某码头岸坡加固施工地基为例，利用有限元软件建立计算模型，着重分析了在加固前后地基变形的变化，分析了地基变化对地基变形的影响，并与实测资料进行比较，得出了相应的结论，可为同类工程的设计、施工提供依据。本文从控制成桩质量，减少水泥用量，优化施工工艺，通过改进施工技术、调整水泥用量、加入添加剂等方法，进行了现场试验，并对试验结果进行了检验，对大范围施工水泥搅拌桩施工具有一定的指导作用，也可为同类工程提供参考和借鉴。

1.工程概况

拟加在码头岸坡中的加固施工，整治堤长500米，坝顶高度2.5～3.0米，坝顶宽度为3.5～4米，堤体较细，坝顶宽仅为8m，未达到50年一遇的防洪标准。目前的堤体以粘粒和砂粒为主，土内含有植物根，部分路段有碎石和建筑废弃物，堤体中的砂质含量较高，不均匀、土质疏松且不能压实。由于在修建堤坝时，地基没有采取任何工程措施，因此在码头岸坡前面，混凝土护岸直接建在未经过处理的软土地基上，导致软土在压力作用下发生压缩变形、侧向滑移或挤压，从而对上部结构的稳定性产生一定的影响。码头岸坡内，采用混凝土搅拌桩加固，共1700米，桩间距为750毫米，桩与桩之间的搭接间距为150毫米，桩长5-15米，合计52米左右。无侧限压缩强度的设计要求：25天内不得低于0.5 MPa，90天内不得低于0.8 MPa。由于该项目所处理区域的淤泥结构性差，需要处理的路段较长，因此在施工之前，应先进行试桩，以获得符合设计要求的水泥浆料配方及施工技术参数，从而指导大规模的施工。如表1所示，为水泥搅拌桩与土工格栅物理力学参数。

表1 混凝土搅拌桩土工格板的物理机械性能参数研究

根据基础的对称性，采用半幅宽度法，即基坑顶部宽15 m，高5 m，坡降为1:3。该模型的总体宽度为45米，模型的长度为15米（竖向地基横断面），土基的高度为15米，自上而下的顺序是填土、粉质粘土以及普通黏土，由上到下的厚度分别为2米、4米和6米。沙砾土床垫的厚度为1 m。混凝土搅拌桩的长度为15米、直径55厘米、间隔1.5米。模型中除了上部的边界都是受位移限制的。

2.水泥搅拌桩实施方案

2.1 设计及成桩工艺

码头岸坡加固工程所涉及的工程区以淤泥基础为主，全部路线均有此类土质，且淤泥土质厚度较大。因此，针对工程实际，结合堤坝加固断面形式，建议采用水泥搅拌桩。水泥土搅拌桩是利用水泥作为主要固化剂，通过与软土的化学作用，使其达到符合要求的整体稳定性和总体强度。此类地基安全可靠，价格低廉，但施工过程复杂，建设周期较长。为节省资金，本工程采用混凝土搅拌桩法进行堤身加固。经测算，桩径22.5米、桩长15米、间隔1.5米，呈三角形排列，共插桩42根左右，桩长68米，具体的布局如图1所示。

图1 三角形布桩方案

在施工之前，先进行一次工艺试验，其试桩数目不得低于6个。试桩分3组，每组2个，三组试桩的规格分别为70公斤/米、75公斤/米、80公斤/米。在进行单桩静压试验时，首先要确定各工艺参数，然后选取合适的施工措施，使其达到设计要求，满足需求后则得以开展大规模的工程。本项目所用的混凝土桩是以42.5级普通硅酸盐水泥作为桩体。试验结果表明，在90天龄期情况下，桩的抗压强度应在2MPa以上，而在30天龄期，无侧限抗压强度应在2MPa以上。搅拌桩直径600毫米，单桩重量为200公斤，复合地基100公斤。停灰高度要高于设计桩顶标高600mm，浆水灰比例严格控制在0.50～0.55之间。

2.2 地基承载力验算

采用湿法施工以及“两喷四搅”的成桩方法。混凝土搅拌桩在施工场地内必须进行平整，进入场地前要清理地面及周围的障碍。工程机械设备的选用应根据桩位、桩型、桩径、桩长和现场地质条件等因素进行复验，在搅拌桩施工之前，先将其平整到设计高度，然后形成一个打桩平台。在桩基施工过程中，必须时刻关注基坑和边坡的变形情况，一旦出现变形，应及时停止施工，并采用临时支护措施。当停浆灰面比桩顶部设计高度超出600 mm时，进行基坑开挖要对桩头以下的土体和桩顶工程质量差的部位进行人工开挖。在进行地基处理后，要对该复合地基进行承载力检验，并参照表2对每一层的桩基础性能指标进行计算。

表2 各层地基特征指数推荐数值

根据桩周土与桩端土的受力，得出单桩承载力公式为下列式子（1）所示：

式中，R为单桩承载力，u为抗压强度，q为搅拌桩的桩径，l为设计桩顶标高，aq桩侧摩阻力特征值，A为桩的极限端阻力特征值。根据公式（2），以桩体材料强度来决定单桩的承载力：

式中，η为承载系数，f为地基特征变化值。通过对混合桩承载力特性的分析，可以看出混合桩在加固后符合地基的承载力，且结果比轴向荷载要大，完全满足堤坝的使用需求。

2.3 土堤最终沉降量估算

在施工过程中，使用水平尺对导杆与搅拌轴垂直度进行检测，竖向偏差不得大于2%；采用5d轻质动态触探检测桩体的均匀度，8d浅埋桩桩径，最大桩径不能小于设计要求，检测桩号为4.5%；在搅拌桩施工30天后，利用双管、单动取样法对夹心进行了取样，并对其进行了持力层的土性分析，并对搅拌均匀度及防渗强度进行了评估，沉降计算采用公式（3）进行计算：

式中，S为地基最后的基础沉降量；m为沉降系数；为沉降深度划分层数；e为新建时第i土层自重应力孔隙比；e为第i土层自重应力和附加应力作用下的孔隙比；h为第i土层的厚度。根据工程实践，m的常用值为1.40。通过对试验数据的分析，发现在20m以下的淤泥层中，混凝土搅拌桩在250天后的固结度可以达到83.5%，完成后的基础沉降仅为0.15 m。根据堤防预留的沉降量，设计的预留量为0.20米。

3.试桩施工数值结果分析

3.1 水泥搅拌桩加固前后路基位移分析

从图2可以看出，在加固前后基坑的沉降最大，向两边的沉降呈现递减的状态。在不进行加固的情况下，地基的中心沉降值为-130.5毫米，加固后的地基中心沉降值为-73.5毫米，与没有进行加固时相比，用混凝土搅拌桩加固后，地基的沉降量下降了45.0%。

图2 地基在加固前后期的沉降特性

图3 路基在加固前后期的横向变形特性

在此基础上，本文采用混凝土搅拌桩加固前后从基坑底到地面的横向位移曲线，在没有进行加固的情况下，距地面3米左右的水平位移最大，这表明在3米深的地方，土体的应力也是最大的，最大水平位移是72.5 mm。

在采用混凝土搅拌桩进行加固的情况下，在距地面10米左右的水平位移最大，表明在3米深的地方，土体的最大水平位移达到26.5毫米，这是由于混凝土搅拌桩施工后形成的复合地基使土的横向位移降低，使最大水平位移值下降。采用混凝土搅拌桩加固后，其最大水平位移幅度较不采用此方法时降低了63.1%。

3.2 填筑高度对路基位移影响分析

在填筑过程中，采用四种不同填筑方式的结果表明，在不同的填筑高度下地基的地表沉降曲线最大。在填筑高度为1 m、2 m、3 m、4 m的情况下，地基的中心沉降量分别为-19.1毫米、-35.5毫米、-51.8毫米和-73.5毫米，与1 m的填筑高度相比，在2m、3m和4m的情况下，地基的中心沉降幅度较高的分别增加88.5%、175.5%和287.9%。随着填筑高度的增加，从图中可以看出，从基坑底开始横向位移先增加后降低，当距离地面10米左右时，出现最大的横向位移，表明10m处的基坑压力是最大的。在1米、2米、3米和4米的情况下，最大水平位移为16毫米、20.5毫米、23.5毫米和25.8毫米。在2米、3米和4米的情况下，与1 m的填筑高度相比，最大水平位移幅度分别增加22.7%、42.1%和57.4 %。

3.3 现场监测与数值模拟对比分析

为了验证数值仿真的正确性，在实际工程中进行了地面沉降的监测和分析，具体数据如图4所示。

图4 地基沉降对比图的现场测量与仿真数值

从曲线图可以看出，路基在初始阶段的沉降速度很快，150d以后沉降速度开始变慢，到了250d左右沉降趋于平稳。通过对实测沉降曲线与数值仿真结果进行比较，表明该模型的最大沉降值为-72.7毫米，现场实测的最大沉降值为-73.5毫米，两者之间的偏差小于5%，表明了数值仿真的正确性。

4.结束语

本文主要对在码头岸坡加固施工中的复杂地质条件下，深层水泥搅拌桩地基加固关键技术进行研究，并从施工技术结构设计方面进行介绍，通过填筑高度对路基位移影响来反复碎土，同时增加在码头岸坡加固施工中的软化土层，保证了硬砂土和黏土层中的成桩强度及成桩连续性。水泥搅拌桩作为一种新型的地基，其不均匀沉降较少，承载能力较强，对周围环境的影响较小，因此在工程中得到了广泛的应用。设计成套的适用性、通用性和可靠性较高的施工技术，并成功应用于标段工程中，极大地降低了不良土质对地基加固的影响，提高了成桩质量，本标段内单桩取芯试件合格率均达到90%以上，所有取芯桩合格率为100%，满足设计要求，该套技术具有施工质量合格率高、适用范围广、施工效率快的优点，因此，施工中采用的施工方案和计算复核方法，对码头岸坡加固施工的软弱地基处理有一定的参考价值，为达到最佳的地基处理效果，需要不断探索新的施工技术及方法，为其它类似项目的施工提供参考。