张为

（青海省交通规划设计研究院有限公司，西宁 810001）

1 引言

水泥搅拌桩是利用水泥材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软土和固化剂（浆液状或粉体状）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。

然而在水泥搅拌桩发展过程中，通常研究的重点放在提高地基竖向承载力上面，而忽略了对其提高水平荷载的能力。随着工程建设的发展需要，水泥搅拌桩提高水平承载能力和提高土体强度的作用日益得到重视与应用，有时甚至成为主要处治手段，用以保证软土边坡的整体稳定。某城市在建的过境公路下沉隧道敞开段下伏深厚层流塑状软黏土，主线K71+490～K71+518（下沉隧道敞开段）路段受周边房屋及用地空间控制，设计时在主线路基右侧设置了桩板式挡土墙，采用水泥搅拌桩方案对设置桩板墙路段软弱地基进行了加固处理。

2 工程概况

某城市在建的过境公路下沉隧道敞开段下伏深厚层流塑状软黏土，主线K71+490～K71+518 路段需下挖9.2m 至主线路基设计标高，主线路基与右侧辅道形成高9.2m 的直立边坡。辅道右侧为7 层楼房（桩基础），距离辅道仅有1m，正常设置扶壁式挡土墙及其他支挡结构将会造成该楼房拆迁。受周边房屋及用地空间控制，本次设计在主线路基右侧设置桩板式挡土墙横断面（见图1）。

图1 挡土墙横断面示意图

根据钻孔取样试验统计分析，从上至下地层依次为：①流塑性软黏土：有机质粉质黏土为灰黑色，有机质含量5.1%～7.8%，含水量36%，流塑状，分布不规律，塑性指数为11 左右，层厚 9.2～10.7m。该层综合参数建议 c=4kPa，φ=3.5°。②粉土：黄褐色，湿～很湿，中密，干强度一般，韧性低，无光泽，切面较粗糙，无摇振反应，主要成分为粉粒，层厚8.3～9.8m。该层综合参数建议c=5kPa，φ=16°。③中密圆砾：灰黄色，稍湿，中密，颗粒母岩成分以砂岩、板岩为主，强～中风化，磨圆度一般，呈亚圆形，颗粒粒径一般2～18mm，颗粒含量60%～70%，分选性一般，级配一般，充填以粉土、砾砂为主。该层综合参数建议c=4kPa，φ=28°。

根据地勘报告及询问当地年老居民，以前此处为一水塘，后来因城市开发，水塘回填后形成现在流塑性软黏土地基，流塑性软黏土的存在成为影响桩板墙施工、桩板墙稳定性及路基承载力的主要不利因素。

3 加固机理

水泥搅拌桩加固的基本原理是基于水泥加固土（以下简称水泥土）的物理化学反应过程。但水泥土与混凝土的硬化机理有所区别。水泥在粗填充料中进行水解和水化作用是混凝土硬化的主要方式，所以混凝土凝结速度较快。由于水泥在水泥加固土中的掺量很小，水泥土是在有一定活性的介质土的围绕下进行水泥水解和水化反应的，所以，土质条件对加固土质量有重要的影响。土体的物理力学性质对水泥土搅拌均匀性的影响和对水泥土强度增加的影响是土质条件对于加固土质量的2 个主要影响方面。水泥土硬化需经历较长的时间，需要养护时间也较长，其强度增长的过程也较缓慢。水泥搅拌桩的物理化学反应主要包括：

1）水泥的水解和水化反应。

2）黏土颗粒与水泥水化物的作用。

3）碳酸化作用。

4 适用范围

各种成因的饱和软黏土最适合利用水泥搅拌桩处治。新填的超软土、沼泽地带的泥炭土、沉积的粉土和淤泥质土等已广泛利用水泥搅拌桩加固。目前，国内许多工程中使用水泥搅拌桩加固淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载能力标准值不大的土体。施工机械会随着工程实践的深入和工程经验的积累而不断优化改进，处治深度及适用的土质范围也在不断扩大。

对拟采用水泥搅拌桩的工程，由于水泥搅拌桩适用处治的土体范围有限，且以下因素对施工及处治效果影响较大，应特别注意：

1）填土层的厚度和组成，特别是有地下障碍物。如大块石对水泥土搅拌法施工速度有很大的影响，所以，必须清除大块石等地下障碍物后再予施工。

2）土的含水量。水泥土配比相同时，其强度随土样的天然含水量降低而增大。当土的含水量在50%～85%之间变化时，含水量每降低10% ，水泥土强度可提高30% 。

3）有机质含量。水泥水化反应及水泥土的强度增长会受有机质含量的影响，有机质含量较高时会减缓水化反应及增长强度。故对有机质含量较高的土体应予慎重考虑。对于有机质含量较高的土体，为保证水泥土达到一定的桩身强度，应适当加密搅拌桩间距，提高置换率和增加水泥掺入量。对于生活垃圾填土不应采用水泥土搅拌法加固。

4）水质分析。对地下水的酸碱度（pH）以及硫酸盐含量等进行分析，pH 高、硫酸盐含量高时，用水泥搅拌桩加固效果差。

5）塑性指数。水泥搅拌桩一般要求土体塑性指数小于25。当土的塑性指数I ＞25 时，水泥和土不易搅拌均匀。

5 复合地基等效强度

采用水泥搅拌桩加固后，复合地基的抗剪强度由土体的抗剪强度和水泥土桩体的抗剪强度2 部分组成，其等效强度用式（1）表示：

式中，η 为桩土面积置换率；τP为桩体抗剪强度，kPa；τS为地基土抗剪强度，kPa；τPS为复合地基抗剪强度，kPa。

水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高，水泥土的黏聚力 CP为抗压强度 qu的 0.2～0.3 倍，内摩擦角 φP在 20°～30°之间变化【1】。复合地基抗剪强度 CPS和 φPS分别按式（2）、式（3）计算：

式中，CPS为复合地基等效黏聚力；φPS为复合地基等效内摩擦角；CS为加固前地基土黏聚力；CP为加固土桩桩身黏聚力，本次取200kPa；φP为加固土桩桩身内摩擦角，取20°；φS为加固前地基土内摩擦角。

6 设计方案

需处治路段下伏软弱土含水量27%～36%，有机质含量5.1%～7.8%，塑性指数为8.1～11，很适合利用水泥搅拌桩处治。

在桩板墙后即辅道路基范围内设置桩长为20m 的水泥搅拌桩，水泥搅拌桩按等边三角形布置，桩间距S 为1.3m。此范围设置水泥搅拌桩的目的如下：

1）通过水泥搅拌桩形成复合地基，提高土体强度，减小桩板墙桩后土压力，进而减小桩板墙尺寸，同时，可以减小对桩嵌固段地基横向承载力的要求。

2）由于流塑性软黏土主要位于抗滑桩悬臂段，水泥搅拌桩处治后桩体才可挖孔施工，同时，防止桩体开挖后出现桩间溜塌，甚至产生整体滑移，影响周边建筑。

3）水泥搅拌桩处治后才可满足辅道路基地基承载力要求。

在桩板墙前即主线路基范围内设置桩长为20m 的水泥搅拌桩，水泥搅拌桩按等边三角形布置，桩间距S 为1.3m。此范围设置水泥搅拌桩的目的如下：

1）通过水泥搅拌桩形成复合地基提高抗滑桩嵌固段地基水平承载力，同时，提高抗滑桩嵌固段地基系数（水平方向），控制桩顶位移，防止桩顶位移过大无法正常工作。

2）水泥搅拌桩处治后才可满足主线路基地基承载力要求。

受周边房屋及用地空间控制，下伏深厚层流塑状软黏土的下沉隧道敞开段采取在主线路基右侧设置桩板式挡土墙，以节约空间避免拆迁。

水泥搅拌桩桩间距为1.3m，搅拌桩面积置换率η 取16.7%，加固区位于流塑性软黏土和湿～很湿粉土层内，各土层加固后复合土体强度根据式（2）和式（3）计算可得复合地基土体强度指标（见表1）。

表1 加固区内复合土体强度表

使用各土层加固后的复合土体强度指标见表1，经理正岩土反复试算，当桩板墙桩间距为5.5m，桩长22m（悬臂段9.2m），桩截面采用1.8m×2.2m 时较好地符合安全、经济、适用的要求。经计算：桩背侧最大弯矩=6 270.133kN·m，距离桩顶14.055m；最大剪力=1 321.915kN，距离桩顶9.200m；桩顶位移=27mm。桩前土反力最大为：158.461kPa，离桩顶13.172m。

当设桩处沿滑动方向地面坡度小于8° 时，地基处的地基横向承载力特征值可根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》中公式13.2.8-2 计算【2】原状土地基横向承载力特征值（离桩顶 13.172m 处）为 38.739kPa（小于 158.461kPa，不满足要求），水泥搅拌桩处治后地基横向承载力特征值（离桩顶13.172m 处）为 747.206kPa（大于 158.461kPa，满足要求）。

7 施工方案

实施水泥搅拌桩后不仅要满足主线和辅道路基地基承载力要求，还需保证主线开挖后桩板墙的稳定，避免因主线开挖导致抗滑桩失稳，对周边建筑产生不利影响。施工主要措施如下：

1）整平场地，清除地下障碍物。全断面（主线、辅道）施工水泥搅拌桩，但在主线范围内，考虑敞开段主线设计标高线至地面的土体最后需挖出，故只需空钻至主线路基设计标高后对其以下部分施工水泥搅拌桩，严禁下挖至主线设计标高后才施工水泥搅拌桩。

2）成桩28h 检测通过后，方可进行桩板墙桩孔开挖，桩孔开挖应选在有利季节施工，挖孔应跳桩开挖，开挖土方不得直接堆填在基坑附近，以避免桩孔基坑外围搅拌桩出现倾覆、剪切破坏等问题。

3）待桩板墙施工完并达到设计强度后，方可进行主线开挖。开挖全程需对地表及周边重要建筑观测点进行监测，及时掌握施工过程中的变形动态，发现异常应立即停工回填。

8 结语

本文通过某城市在建的过境公路下沉隧道敞开段下伏深厚层流塑状软黏土，采用了水泥搅拌桩方案对设置桩板墙路段进行了地基加固处理，提出了水泥搅拌桩处治软弱地基，保证桩板墙稳定性和路基地基承载力的设计方法及施工方案。通过计算分析，水泥搅拌桩可以较大地提高地基水平承载能力，希望能为加固类似工程的工程技术人员提供一些思路。