软土地基搅拌桩施工影响控制措施及其效果分析

王伟志 刘 青 杨炜林 敖江忠 徐永福

（1.上海铁路枢纽工程建设指挥部，上海 200003；2.萧甬铁路有限责任公司，浙江 宁波 315000；3.上海交通大学土木工程系，上海 200240）

0 引言

新建上海至杭州客运专线上海南联络线工程线路长度7.99km。由于线路施工场地狭小，沿线软土含水率大、强度小、结构性强，遂采用水泥搅拌桩进行软土地基处理。受施工影响，软土地基很容易产生灾变，会对既有线路造成不利影响[1-2]。尽管针对水泥搅拌桩处理软土地基的施工做了非常严格的规定，但潜在的施工对既有线路的危害还是需要高度重视[3-4]。因此，准确评价软土地基中水泥搅拌桩施工的影响，尤其是对既有线路的影响，对确保地基处理施工安全和既有铁路正常运营至关重要[5-6]。

深层水泥土搅拌桩经常被用于软土路基的处理[7-8]，水泥土搅拌桩施工会对桩周土产生扰动，引起土体强度减小、地基承载力降低[9]。武孝天等[10]通过现场监测搅拌桩施工引起的超孔隙水压力、土压力和水平位移，揭示搅拌桩施工影响机理，提出定量表示搅拌桩施工影响的方法。Chai 等[11]基于圆柱孔扩张理论，提出了搅拌桩施工引起邻近土体侧向位移的计算方法，仅适用于单桩施工情况，对于多桩施工的计算误差较大。邓永峰等[12]根据水泥搅拌桩施工的现场测试结果，评价了水泥搅拌桩施工带来的影响。

为了保护既有铁路安全运营，需要不断探索如何控制水泥土搅拌桩施工的影响。魏海涛和蔡智[13]探讨了水泥搅拌桩和回填土两种施工顺序的处理效果，采用“先土后桩”顺序的施工期沉降大于“先桩后土”，但工后沉降大大减小。石舒[14]针对地铁下穿高铁高架桥的旋喷桩工程，发现控制施工速度能减小对桩基的影响。卞荣等[15]采用数值方法对预制桩静压施工的影响范围进行分区，桩长小于2 倍隧道外径Dt时，强影响区域范围为max(1.5Dt,4.5Dp)，弱影响区域范围为max(4Dt,8Dp)；桩长介于2～6Dt时，强影响区域范围为max(Dt,3Dp)，弱影响区域范围为max(3Dt,6Dp)。尽管对地基处理的施工影响做了很多探索性研究，至今仍处于半经验状态。鉴于此，采用ABAQUS有限元方法，针对降低水泥搅拌桩施工对既有线路影响的措施，建立计算模型，分析常用的控制措施对水泥搅拌桩施工影响的控制效果，避免影响既有铁路的正常运营。

1 软土地基中水泥搅拌桩施工影响分析

水泥搅拌桩施工时会挤压桩周土，导致初始应力状态发生变化，产生侧向应力和位移，引起超孔隙水压力。如图1所示，水泥搅拌桩施工形成的影响分为6个区，依次为①桩下扰动区、②涂抹区（就是破坏区）、③扰动区（搅拌桩的塑性区）、④变形区、⑤地表隆起区和⑥近桩沉陷区。因此，水泥搅拌桩施工对土体的影响归结为以下三方面：

图1 桩周土体位移分布

（1）产生侧向应力，水泥搅拌桩施工过程中，挤压桩周土体，土中产生侧向应力，这种现象可以用柱孔扩张理论解释；

（2）土体发生位移，水泥搅拌桩施工的挤压作用导致土体产生水平位移和垂直隆起；

（3）产生超孔隙水压力，在饱和软粘土中，搅拌桩施工的振动和挤压在土体中产生超孔隙水压力，当超孔隙水压力达到一定数值时，环向的有效应力会出现负值，与之垂直的方向上会出现裂缝，类似于“水压致裂”现象。

水泥搅拌桩施工对桩周土体的影响可以用柱孔扩张模型模拟[16-17]，如图2所示，模拟为在无限长空间中一个圆柱形孔的平面应变轴对称扩张模型。假定土体为饱和，扩孔速率远大于固结速率，柱孔扩张过程中土体不排水。一旦开始扩孔的应变加载，孔周土体屈服，因此塑性区延伸至无限远处。初始半径为R0，扩张后半径扩至R处，此时扩孔压力为σR。孔周土体单元的径向应力表示为σr，切向应力表示为σθ；无穷远处土体的应力状态为原位应力状态，水平方向径向和切向应力大小均为σh0，竖直方向应力大小为σv0。

图2 柱孔扩张的计算模型

徐永福和傅德明基于柱孔扩张理论，导出了塑性区和弹性区的应力、位移和超孔隙水压力公式。达到塑性区的最小扩孔压力为：

式中：

c和φ——土体的粘聚力和内摩擦角；

K0——静止土压力系数；

γ——土的容重；

z——深度。

塑性区（R＜r＜RP）内土体的应力、径向位移和超孔隙水压力分别表示为：

式中：

Af——孔隙水压力系数；

RP——塑性区半径，表示为：

根据式（2）计算水泥搅拌桩施工引起桩周土中的应力、位移和超孔隙水压力沿径向分布，如图3所示。从图3中看出，水泥搅拌桩施工对桩周土体的影响分为3个区域：（1）破坏区，紧靠水泥搅拌桩；（2）塑性区，大约在10R范围内；（3）弹性区，塑性区以外一定范围内。弹性区的土体不受水泥搅拌桩施工影响，水泥搅拌桩施工对破坏区和塑性区土体影响明显，需要进行控制，避免破坏区进一步扩大，危机既有铁路安全。

图3 水泥搅拌桩施工影响分区

2 水泥搅拌桩施工影响的控制措施及效果分析

控制水泥搅拌桩施工影响的工程措施可以从减小应力、位移和超孔隙水压力三个方面提出。增加桩间距降低应力和位移的叠加效果，控制施工影响；设置隔离槽，隔断应力和位移叠加；降低施工速度，减小施工扰动，降低超孔隙水压力。

通过建立水泥搅拌桩施工控制措施的计算模型，分析水泥搅拌桩施工控制措施对施工影响的控制效果，验证水泥搅拌桩施工控制措施的可靠性。

2.1 数值计算模型

水泥搅拌桩施工影响的计算模型基于以下假设建立：（1）轴对称问题；（2）均质土；（3）总应力法；（4）土体采用Mohr-Coulomb模型，考虑大变形和材料非线性；（5）考虑初始应力场影响。图4为计算模型示意图和网格划分图。为了提高计算精度，在扩孔区域对网格进行了加密处理。搅拌桩半径为0.25m，桩长为15m，土体水平和竖向计算区域分别为10m和20m。土体上表面为自由边界，下表面竖向固定，左侧和右侧水平固定，扩孔通过改变左侧位移边界条件实现，计算参数列于表1。

表1 计算参数

图4 搅拌桩施工影响的计算模型与网格划分图

2.2 不同措施应用效果分析

2.2.1 增加桩间距及其效果分析

水泥搅拌桩桩间距对搅拌桩施工产生的径向应力和竖向应力的影响如图5所示。与单根搅拌桩相比，两个搅拌桩施工引起的径向应力和竖向应力很大，特别是在远距离的地方（r＞1m）。随着搅拌桩桩间距（L）增大搅拌桩施工引起的径向应力和竖向应力快速减小。因此，适当增加搅拌桩桩间距，能有效地减小搅拌桩施工引起的径向应力和竖向应力，降低搅拌桩施形成的影响。

图5 桩间距对应力的影响

水泥搅拌桩桩间距对搅拌桩施工产生的径向位移（水平位移）和竖向位移（沉降）的影响如图6所示。两个搅拌桩施工远大于单根搅拌桩施工引起的径向位移和竖向位移。随着搅拌桩桩间距（L）增大搅拌桩施工引起的径向位移和竖向位移显著减小。另外，水泥搅拌桩桩间距对沉降影响更加明显。随着搅拌桩桩间距增加，搅拌桩施工影响的叠加效应降低，导致搅拌桩施工的应力和位移减小。

图6 桩间距对位移的影响

2.2.2 设置隔离槽及其效果分析

设置隔离槽，研究其对搅拌桩施工影响的控制效果。在图7中，水泥搅拌桩的长度为15m，隔离槽距桩中心线距离为3m，隔离槽的深度和宽度分别为4m和1m。

图7 隔离槽的示意图

隔离槽前1m和隔离槽后1m处的搅拌桩施工引起的径向位移如图8所示。隔离槽后面，搅拌桩施工引起的土体径向位移明显减小，随着隔离槽深度增加，径向位移减小幅度增加。隔离槽前，搅拌桩施工引起的径向位移略有增加，随着隔离槽深度增加，搅拌桩施工引起的径向位移增加幅度加大。隔离槽隔断了搅拌桩施工引起的能量传播，导致隔离槽深度范围内搅拌桩施工能量全部由隔离槽前土体承担，导致隔离槽前土体的径向位移增加。

图8 隔离槽对土体径向位移的影响

2.2.3 降低施工速度及其效果分析

不同施工速度的水泥搅拌桩施工引起的超孔隙水压力如图9 所示。图9a 是深度为5m 处的超孔隙水压力，图9b是深度为10m处的超孔隙水压力。在5R范围内，随着搅拌桩施工时间增加（由20min增加到60min），即搅拌桩施工速度减小，超孔隙水压力减小。水泥搅拌桩施工对超孔隙水压力的影响范围大约为8～10R。因此，降低搅拌桩的施工速度，减小了搅拌桩施工振动，导致土体中的超孔隙水压力减小。

图9 施工速度对超孔隙水压力的影响

水泥搅拌桩施工速度对土体径向位移和竖向位移的影响如图10所示。搅拌桩施工速度对土体的径向位移影响小，对土体的竖向位移影响大。由于搅拌桩施工引起土体产生超孔隙水压力，超孔隙水压力消散产生沉降（竖向位移），因此搅拌桩施工速度对竖向位移影响大。

图10 施工速度对土体位移的影响

3 结束语

本文分析了软土地基中水泥搅拌桩施工对既有线路的影响，并通过建立水泥搅拌桩施工过程的数值计算模型，分析了3种水泥搅拌桩施工控制措施的控制效果，得到以下结论：

（1）水泥搅拌桩施工对土体的影响表现为挤压作用，在桩周土体中产生侧向应力、位移和超孔隙水压力，出现“水压致裂”现象。

（2）采用柱孔扩张理论模拟水泥搅拌桩施工，分析搅拌桩的施工影响，将桩周土体分为破坏区、塑性区和弹性区。破坏区为3～4R，塑性区在10R以内。

（3）适当增加搅拌桩桩间距，能有效地减小搅拌桩施工引起的径向应力和竖向应力，降低搅拌桩施工影响。

（4）设置隔离槽可以隔断搅拌桩施工影响的传输通道，有利于减小搅拌桩施工引起的径向位移。

（5）降低搅拌桩的施工速度，减小了搅拌桩施工振动，减了小桩周土体中的超孔隙水压力和竖向位移，对径向位移影响很小。