贝建忠，赵瑞东，李伟仪，陈良志

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290)

水泥土搅拌法(水泥搅拌桩)是一种用于加固饱和黏性土地基的常见地基处理方法。自20世纪80年代起，国内开始应用此软基加固处理技术，并取得良好效果。但也有不少工程失事的案例，特别是在一些工程的堤防、岸墙和基坑工程中，边坡失稳是主要的破坏形式之一。引发边坡失稳的原因众多，其中一个重要原因是设计过程中过高地估计了水泥搅拌桩的加固效果。因此，有必要对水泥搅拌桩复合地基的稳定性分析开展进一步研究。

目前，针对水泥搅拌桩复合地基的研究主要集中在复合地基的竖向承载力和沉降等方面[1-4]，对水泥搅拌桩复合地基稳定分析的研究[5-6]较少。在《复合地基技术规范》[7]中有复合地基稳定分析的内容，指出当水泥搅拌桩处理稳定性工程时，应进行稳定性验算，可采用以下2种方法。1)复合地基加固区强度指标采用复合地基综合强度指标；2)复合地基加固区强度指标分别采用桩体和桩间土的强度指标。

以上规范中的描述，在某种程度上说明2种计算方法是基本等效的，其中采用复合地基综合强度指标计算整体稳定是较为普遍的方法。但通过分析失事案例可以发现：在某些情况下，采用复合地基综合强度指标验算整体稳定满足规范要求，却发生了滑移事故，有的甚至出现水泥搅拌桩断桩的现象，其中一个重要原因是，在某些情况下，水泥搅拌桩复合地基综合强度指标设计方法在岸坡设计中的适用性较差，采用的复合地基综合强度指标未能真实地反映水泥搅拌桩对软弱地基的加固效果，即针对整体稳定核算，有些情况下2种方法不能完全等效。

针对某失事工程，借助Plaxis 3D建立三维模型，分别采用2种方法进行岸坡稳定性计算，分析工程失稳的原因。同时，在该工程原始设计的基础上，分别调整软土的黏聚力以及水泥搅拌桩置换率，分析复合地基综合强度指标设计方法在岸坡设计中的适用性，以便指导今后的工程设计。

1 复合地基综合强度指标的确定

《地基处理手册》第三册[8]2.7节中指出，在计算复合地基稳定性分析时，复合地基综合强度指标可采用面积比法计算。复合土体黏聚力Cc和内摩擦角φc计算公式如下：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(1)

tanφc=tanφs(1-m)+tanφp

(2)

式中：Cc为复合土体黏聚力(kPa)；Cs为桩间土黏聚力(kPa)；Cp为桩体黏聚力(kPa)；φc为复合土体内摩擦角(°)；φs为桩间土内摩擦角(°)；φp为桩体内摩擦角(°)；m为复合地基积置换率。

另外，该手册11.3节还指出水泥土的黏聚力随其无侧限抗压强度的增加而增加，水泥土的无侧限抗压强度qu一般为0.5～4.0 MPa，其黏聚力Cc一般约为qu的20%～30%，其内摩擦角变化范围是20°～30°。

2 工程案例

某岸坡工程港池岸墙采用L形挡墙，底高程-4.5 m，顶高程1.80 m，典型断面如图1所示。挡墙底部淤泥较厚、标贯较低，采用水泥搅拌桩进行加固，桩位布置如图2所示。水泥搅拌桩直径为0.5 m，桩体采用三角形布置，排距为1.0 m，共10排，L1～L8排的桩长为12.0 m，L9和L10排采用长短桩结合的套桩，长桩为14.9 m，短桩为6.0 m。

图1 港池挡墙设计断面(高程：m；尺寸：mm)

图2 水泥搅拌桩桩体平面布置(单位：mm)

原状土指标及复合地基强度指标分别如表1、2所示。

表1 原状土参数

表2 置换率为10%的复合地基强度指标

通过Plaxis 3D建立三维模型，采用复合地基综合强度指标(方法1)进行岸坡稳定性分析，安全系数FOS=1.155，见图3。

图3 方法1计算整体稳定安全系数

分别采用桩体和桩间土的强度指标(方法2)进行岸坡稳定性分析，挡墙出现失稳，最大水平位移为8.633 m，计算结果如图4所示。

图4 方法2计算最大水平位移

通过计算可知，2种计算方法的结果差距很大。方法1采用复合地基综合强度指标，整体稳定安全系数FOS=1.155(>1.15)，根据《海堤工程设计规范》[9]10.2节中规定，满足施工期整体抗滑稳定要求。但在实际工程施工期该岸坡失稳，出现了滑移断桩现象(图5)，与方法2分别采用桩体和桩间土的强度指标计算整体稳定的结果相符。

图5 现场挡墙失稳、断桩

分析得知，该工程案例中水泥搅拌桩置换率较低(10%)且桩间土黏聚力较小(5.6 kPa)，桩体对桩间土的约束作用较差，在后方回填料自重荷载的作用下，软土从水泥搅拌桩中间滑出，在挡墙前脚趾处形成隆起，水泥搅拌桩体被剪断，岸墙失稳倾倒，导致工程失事。

因此，采用复合地基综合强度指标设计方法对岸墙稳定进行验算，未能真实地反映水泥搅拌桩对软弱地基的加固效果，过高地估计了低置换率水土搅拌桩的加固作用，导致工程失事。该工程条件下，复合地基综合强度指标设计方法在岸坡设计中的适用性较差，即并非所有工况下采用复合地基综合强度指标与分别采用桩体和桩间土的强度指标都是等效的。

因此，在工程设计中，复合地基综合强度指标设计方法在岸坡设计中的适用性应引起高度重视，尤其在软土黏聚力和水泥搅拌桩置换率较低的情况下，须建立三维模型，分别采用桩体和桩间土的强度指标(方法2)进行岸坡整体稳定分析。

3 复合地基综合强度指标方法适应性分析

3.1 不同软土的黏聚力

分别针对水泥搅拌桩置换率10%、19%、25%、39%，改变软土(③淤泥)的黏聚力，建立三维模型，分别采用方法1和方法2进行岸坡稳定分析，计算结果如表3及图6所示。

表3 不同黏聚力情况岸坡稳定安全系数

图6 不同置换率情况黏聚力与安全系数关系曲线

从表3和图6可知，相同水泥搅拌桩置换率条件下，软土的黏聚力越大，2种方法计算的整体稳定安全系数越接近，即软土的黏聚力越大，水泥搅拌桩复合地基综合强度指标设计方法越能真实地反映水泥搅拌桩对软基的加固软基效果，复合地基综合强度指标设计方法在岸坡设计中的适用性越好。

3.2 不同水泥搅拌桩置换率

3.2.1软土黏聚力较低工况

当软土黏聚力较低时，分别针对软土(③淤泥)的黏聚力为7、15、20 kPa情况下，改变水泥搅拌桩置换率10%、19%、25%、39%、57%、66%，建立三维模型，分别采用2种方法进行岸坡稳定分析，计算结果如表4及图7所示。

表4 低黏聚力工况不同置换率下岸坡稳定安全系数

图7 低黏聚力工况置换率与安全系数关系曲线

3.2.2软土黏聚力较高工况

当软土黏聚力较高时，分别针对软土(③淤泥)的黏聚力为30、35、40 kPa情况下，改变水泥搅拌桩置换率10%、19%、25%、39%，建立三维模型，分别采用2种方法进行岸坡稳定分析，计算结果如表5及图8所示。

表5 高黏聚力工况不同置换率下岸坡稳定安全系数

图8 高黏聚力工况置换率与安全系数关系曲线

综合分析表4～5和图7～8可知：

1)当软土黏聚力固定时，水泥搅拌桩置换率越大，整体稳定安全系数越大，2种方法计算整体稳定的安全系数差值越小。

2)当软土黏聚力较小时，2种方法整体稳定的安全系数差别较大；随着水泥搅拌桩置换率的增大，方法1整体稳定安全系数的增速明显大于方法2。

3)当软土黏聚力较小时，水泥搅拌桩置换率增大到某个值后，方法1整体稳定的安全系数基本保持不变，而方法2整体稳定的安全系数还在持续增大。这主要是因为大于该置换率后，复合地基综合强度指标已经足够强，整体稳定滑弧几乎不再经过水泥搅拌桩加固区，继续提高水泥搅拌桩置换率，对方法1的整体稳定安全系数影响不大；而若分别采用桩体和桩间土的强度指标(方法2)分析岸坡整体稳定性，滑弧仍经过该水泥搅拌桩加固区，继续提高水泥搅拌桩置换率，对方法2的整体稳定安全系数影响较大。

4)当软土黏聚力较大时，2种方法整体稳定的安全系数差别较小，且随着水泥搅拌桩置换率的增大，2种方法计算整体稳定的安全系数快速趋于相同。

4 结语

1)采用水泥搅拌桩加固软基岸坡，当软土黏聚力、水泥搅拌桩置换率较低时，桩体对桩间土的约束作用较差，常规设计方法——复合地基综合强度指标设计方法(方法1)在岸坡设计中的适用性较差，该设计方法不能真实地反映水泥搅拌桩对软基的加固效果。

2)当软土黏聚力超过30 kPa、水泥搅拌桩置换率超过20%后，2种方法的整体稳定安全系数差值小于5%，几乎等效。但由于每个工程的地质条件、结构形式并不相同，其岸坡稳定性对软土黏聚力和水泥搅拌桩置换率的敏感程度也不相同。本案例归纳的软土黏聚力和水泥搅拌桩置换率临界点不具普遍适用性，建议同时采用方法1(复合地基综合强度指标设计方法)和方法2(分别采用桩体和桩间土的强度指标设计方法)对岸坡整体稳定性进行评估，相互校核。

3)在水泥搅拌桩加固软基岸坡的工程中，可基于Plaxis 3D有限元软件，分别建立水泥搅拌桩桩体和桩间土的三维模型，采用方法2进行岸坡稳定性分析，可较真实地反映水泥搅拌桩对软基岸坡的加固效果。