水泥搅拌桩围护在余姚四闸下移工程中的应用

　　【摘要】通过深层水泥搅拌桩围护在余姚四闸下移基坑的应用实例分析，探讨坑内无支撑、挡土挡水新型帷幕的施工工艺及应用效果。
　　【关键词】基坑围护，深层水泥搅拌桩
　　一、深层搅拌水泥土桩作基坑围护概述
　　1、适用地质条件
　　深层水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土等地基，是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结而提高地基强度。当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时，宜通过试验确定其适用性。
　　2、深层搅拌水泥土桩复合地基承载力标准值确定
　　（1）通过现场复合地基载荷试验确定
　　（2）按以下计算式确定
　　fsp，k=m×Rdk/Ap+β（1-m）fs，k
　　式中fsp，k——复合地基的承载力标准值；
　　m——面积置换率；
　　Ap——桩的截面积；
　　fs，k——桩间天然地基承载力标准值；
　　β——桩间土承载力折减系数，当桩端土为软土时，可取0.5-1.0，当桩间土为硬土时，可取0.1-0.4，当不考虑桩间软土作用时，可取零。
　　Rdk————单桩坚向承载力标准值，应通过现场单桩载荷试验确定
　　基坑围护结构为临时挡土支护结构，在保证施工期间安全、适用的前提下，应尽可能降低基坑围护工程造价。
　　深层水泥搅拌桩挡土墙是通过相邻水泥土桩搭接而成，采用水泥作为固化剂，通过专用搅拌机械，将软土和水泥强制搅拌形成水泥土，利用水泥与软土之间所产生一系列物理、化学作用，使水泥土强度增长，成为水泥土桩，硬化后形成具有一定强度的水泥壁状挡墙。
　　水泥土桩挡墙围护坑内无须支撑，既能挡土又成为隔水帷幕，工程造价较低，施工工期短，稳定性好，适用于处理淤泥，淤泥质土，粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土等地基基坑围护结构。
　　近年来，深层水泥搅拌桩挡土墙在处理淤泥、淤泥质土、粉土等含水量高的地基基坑围护中得到广泛推广和应用。
　　二、工程实例
　　1、工程概况
　　余姚市四闸下移工程为旱地新建水闸，东西走向，水闸基坑工程外边缘尺寸为148.4×126米；开挖深度自然地面标高（▽1.68）至坑底（▽-4.60~▽-6.25）深度6.27米~7.93米；南、北面为道路和临建，东、西面为待开挖河道。
　　2、地质条件
　　根据地质勘察报告，从自然地面自上而下可分为：
　　粘土，平均厚0.81m，其物理力学指标为（平均值，下同）W=33.5%，e=0.961，Es=4.37Mpa，C快19.5Kpa，Φ快=7.0°。
　　泥碳土或含泥炭质土，层厚平均为0.97m。其物理力学指标为W=82.6%，e=2.381，Es=1.33Mpa。
　　淤泥，层厚平均为21.26m。其物理力学指标为：W=52.8%，e=1.501，Es=1.98Mpa，C快=10.5Kpa，Φ快=2.3°。
　　粉质粘土，层厚平均为3.58m。其物理力学指标为：W=26.4%，e=0.761，Es=5.75Mpa，C快29.8kpa，Φ快=11.3°。
　　粉砂，层厚平均为3.14m。其物理力学指标为：W=25.7%，e=0.731，Es=8.40Mpa，C快10.1Kpa，Φ快=23.6°。
　　粉质粘土，层厚平均为9.18m。其物理力学指标为：W=34.8%，e=0.980，Es=4.33Mpa，E快=21.0Kpa，Φ快=8.33°。
　　粘质粉土，层厚平均为3.79m。其物理力学指标为W=25.5%，e=0.730，Es=6.04Mpa，C快=27。6Kpa，Φ快=12.5°。
　　3、基坑支护方案选择
　　考虑到基坑土质较差，为高压缩性的淤泥，在基坑南北两侧采用放坡与水泥搅拌桩挡土墙相结合的围护体系，东西两侧由于是待开河道采用1：3放坡。
　　4、具体设计要点
　　深层搅拌水泥土桩挡墙设计，参照以往类似工程经验，充分考虑土体侧向压力及墙顶周围的施工荷载，按重力式挡墙进行设计并验算抗倾覆和侧向位移。坑外侧向压力按水、土压力分算，其中土压力采用朗肯土压力理论。坑内土压力计算采用M法计算土体反力。水泥桩挡土墙后土重度为γ，内摩擦角为φ，粘聚力为C=0，土对墙背摩擦角δ=0，水泥桩挡土墙后土表面均布荷载为q，墙高H，墙后地下水位在墙底面以上h米处，地下水位以下土重度γ1，水重度γw=10KN/m3，地下水位处土产生的主动土压力强度为бa1，则：
　　（1）墙底主动土压力强度：
　　бa2=[γ（H-h）+（γ1-γw）h]tg（450-Φ/2）
　　（2）地下水位以上土产生的主动土压力：
　　Ea1=1/2бa1（H-h）
　　（3）地下水位以下土产生主动土压力：
　　Ea2=1/2[бa1+бa2]h
　　（4）地下水对墙背产生的水压力：
　　Ew=1/2γwh2
　　（5）挡土墙后土表面均布荷载产生的主动土压力：
　　Ea3=qHtg（450-Φ/2）
　　墙背总主动土压力：Ea=Ea1+Ea2+Ea3+Ew
　　挡土墙的稳定性，应符合下列要求：
　　（1）抗滑安全系数：
　　K=（Gn+Eam）μ/（Eat-Gt）>=1.3
　　（2）抗倾覆安全系数：
　　Kt=（Gx0+Eazxf）/Eaxzf>=1.5
　　Gn=Gcosα0；Gt=Gsinα0；Eat=Easin（α-α0-δ）；Ean=Eacos（α-α0-δ）；Eax=Easin（α-δ）；Eaz=Eacos（α-δ）；xf=b-zctgα；zf=z-btgα0。
　　式中G——挡土墙每延米自重
　　x0——挡土墙重心离墙趾的水平距离；
　　α0——挡土墙的基底倾角；
　　α——挡土墙的墙背倾角；
　　δ——土对挡土墙背的摩擦角；
　　b——基底的水平投影宽度；
　　z——土压力作用点离墙踵的高度；
　　μ——土对挡土墙基底的摩擦系数。
　　该挡墙按格栅形组合，形成土、桩结合体受荷，采用7排直径为700mm水泥土桩，相邻两桩搭接度为200mm，以确保挡墙的挡水性能。经计算，桩长为9.10米，墙宽3.7米，墙顶距自然地面为3.17米，按1：3放坡，坡脚做明沟（300mm×400mm，i=2%）及集水井（钢筋砼井圈，Ф700×1000）进行明沟排水。[!--empirenews.page--]
　　
　　水泥土桩采用42.5#硅酸盐水泥，考虑各土层天然含水量
　　平均值较大，设计预考虑水泥掺入量控制在18%左右（即302kg/m3）。水泥搅拌桩90d龄期抗压强度1.2MPa。
　　5、施工设备、过程及工艺
　　（1）施工设备
　　所用机械设备为SJＢ-1型水泥搅拌桩桩机三台，配套的250L3搅浆机三台，UBJ-18GI挤浆泵三台及相应的电脑记录仪。
　　（2）试桩
　　深层搅拌桩施工是藉搅拌头将水泥浆和软土强制拌和，搅拌次数越多，拌和越均匀，水泥土的强度也超高。但是搅拌次数越多，施工时间也越长，工效也越低。试桩的目的是为了寻求最佳的搅拌次数、确定水泥浆的水灰比、泵送时间、泵送压力、搅拌机提升速度、下钻速度以及复搅深度等参数，以指导下一步水泥搅拌桩的大规模施工。
　　在工程桩施工前，进行了搅拌桩的试成桩试验，试桩过程中按设计提供的土体容重分别按15%、16%、17%、18%的水泥掺量进行了4根试成桩的打设，最终根据水泥土的90d龄期强度及成桩质量，由设计、业主、监理等参建各方共同确认了工程桩的施工参数及工作流程。施工参数及工作流程如下：
　　a.施工参数：
　　土体容重为1.68t/m3
　　水泥掺入量为16％（即269kg/m3）
　　水灰比0.5
　　下沉与升喷速度≤0.95m/分
　　搅拌轴转速59转/分
　　挤浆泵控制在2档
　　b.工作流程：
　　桩位放样→钻机就位→搅拌下沉至设计深度→喷浆搅拌上升→喷浆搅拌下沉→重复喷浆上升→成桩结束移位进入下一根桩施工循环
　　（3）工程桩施工前的准备工作
　　a.将场内杂物等清除掉，清除桩位处地上地下一切障碍（包括大石块、树根和生产垃圾），场地低洼处用粘性土料回填夯压；
　　b.编制施工用料计划表；
　　c.确定标高、轴线、桩位，在转角处设控制角桩。
　　（4）施工工艺
　　a.桩机到达标定孔后对中、操平、校正垂直度，保证塔身与地面成90度，确保桩垂直度误差在1%以内；
　　b.待深层搅拌机冷却水循环正常后启动搅拌机，放松起重机钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土搅拌下沉，下沉速度由电机的电流监测表控制，工作电流不应大于100A，预搅时，不宜冲水，当遇到较大硬土层下沉太慢时，可适量冲水，以利钻进；
　　c.待深层搅拌机下沉至一定深度时，即开始按预定掺入比和水灰比拌制水泥浆，并将水泥浆倒入备料斗备喷；
　　d.搅拌机下沉到设计深度后，开启灰浆泵，其出口压力保持0.4～0.6mpa，使水泥浆自动连续喷入地基，搅拌机旋喷速度控制为≤0.95m/min，当提升到达桩设计标高时，宜停止提升，搅拌数秒，以保证桩头均匀密实；
　　e.为保证水泥掺量及水泥浆与土充分搅拌，再喷浆搅拌下沉，直至设计要求深度，重复喷浆搅拌提升。桩体要互相搭接20mm,以增强整体性和防渗性;
　　f.施工完毕,向集料斗中注入适量清水，开启灰浆泵,清洗管道中残积水泥浆、,同时清除钻头粘附土。
　　（5）质量保证措施
　　a.严格按设计要求的桩位进行施工，符合YBT225-91技术规范要求；
　　b.桩体压浆要求一气呵成，不得中断，每根桩宜装浆一次并喷搅完成；要求连续施工，桩搭接穿插交叉施工，相邻两桩施工间隔不得超过12小时；如超过，搭接质量无保证，应采取在两桩中部加桩补救；
　　c.施工过程因故停浆，宜将搅拌机下沉至停浆点下50cm，恢复供浆再搅拌提升；
　　d.压浆提升的速度控制在≤0.95m/min；
　　e.桩身垂直度偏差不得超过1.5‰，桩位偏差不得大于50mm；
　　f.施工后龄期达到90天，方可进行基坑土方开挖。
　　6、施工效果
　　该深层搅拌水泥桩围护为土、桩格栅结合体共同受力体系，在基坑15个月的使用过程中，无任何明显的弯折破坏；桩体完好无缺陷；桩体最大位移36mm；坑内渗水量满足现场施工要求，大大节约抽降水台班及坑内支护，既达到满足基坑围护功能又降低围护造价的目的。
　　三、总结
　　随着施工技术和施工条件的发展，深层水泥搅拌桩的应用范围越来越广泛，除了作为一种复合地基使用之外，更多是作为一种经济型的基坑围护结构得到推广。
　　将基坑围护结构和基坑施工及周围环境的保护作为一个统一的整体进行设计和施工，并在实施过程中进行严密控制协调，既能确保基坑和周围环境的安全，又使工程造价降低、缩短工期。
　　对于深基坑中的水泥土桩挡墙使用，应认真验算墙体的抗折强度及侧向位移，并根据实际情况采取有效措施，以确保围护的使用安全。

《水泥搅拌桩围护在余姚四闸下移工程中的应用》

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