水泥土搅拌桩在堤防上的应用

水泥土搅拌桩在堤防上的应用

霍苏薄

河北省水利工程局河北石家庄050021

摘要：水泥土搅拌桩是常见的地基处理方法，在目前的软基堤防加固工程中应用较为广泛。文章以实际工程为例，运用桩土分离原理及复合地基强度等效原理对水泥土搅拌桩加固后堤防进行抗滑稳定计算分析，并对两种计算原理进行评价。方案设计方法及抗滑稳定计算方法可供类似堤防加固工程参考。

关键词：水泥土搅拌桩；提防；应用

引言

水泥土搅拌桩是用于加固饱和软黏土地基的一种方法，它利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，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。由于其具有工程运用范围广，施工工期短且成本低，施工机械化程度高的特点，故在水利工程中得了广泛的推广应用。

1工程概况

某河道的部分平原开挖河道段长约2.7km。现状场地地面高程在3.0～4.5m左右，局部河道堤防需填筑围堰进行河底清基。河道设计最大过流流量为90m3/s，河底高程为－1.00m，河底宽为30m。河道两侧堤防等级为3级，堤顶高程为6.50m，堤顶宽5.0m，在河道迎水坡高程4.0m处设置宽度为3.0m的平台。

某河道工程施工开挖期间，在河道西岸某处发现古河槽沉积的灰色淤泥质粉质粘土夹薄层砂壤土，引起河道岸坡坍塌失稳。根据现场实际调查，坍塌失稳部位堤基所在的②1层淤泥质粉质粘土夹砂壤土力学强度较低，各层土物理力学指标见表1。

软基段现状堤防抗滑稳定计算采用瑞典条分法，计算得施工期原堤防整体抗滑稳定安全系数为0.956，小于规范规定值1.10，需进行地基处理。

2水泥土搅拌桩方案设计

2.1搅拌桩设计

水泥搅拌桩桩径为55cm.根据地勘报告发现，海水可直接补给海堤内地表水及地下水.由于海水中溶有大量硫酸根离子，可与水泥发生反应形成对水泥土具有侵蚀结晶体，造成水泥土搅拌装体开裂、崩解从而丧失强度，因此设计采用了矿渣或普通硅酸盐水泥，标号大于等于42.5，使水泥土中产生的膨胀结晶体的数量控制在一定范围内，以提高水泥土的抗侵蚀性能.

2.2堤防基础处理设计

设计堤防岸墙为重力式岸墙，堤防结构型式为：迎水侧砌筑浆砌石重力式挡墙，并在挡墙临水侧包C25砼幕墙、挡墙底板为C25砼底板，底板厚0.5m，宽3.85m，从堤顶到墙顶填土放坡，坡度为1:3.0，草皮护坡，墙顶高程为4.20m，墙顶与草皮护坡之间为二级平台，平台宽1.5m。挡墙每12m分一缝，挡墙基础采用直径为0.5m的水泥土搅拌桩进行基础处理，桩间距为1.0m×0.8m，桩长12m。ZK4地质钻孔附近堤防标准断面图见图2。

2.3桩承载力计算

单桩竖向承载力特征值Ra取决于桩身水泥土的强度和所加固的桩间土的性能两个指标.桩体水泥土不同于土，因它掺入了水泥，对土进行了改性.桩体水泥土强度主要与水泥掺入比、被加固土的物理力学性质及成桩龄期三个因素有关.它的大小影响搅拌桩的单桩承载力，因为承载力应满足桩体强度要求，不致在荷载作用下桩身被压破裂.由此可确定桩身被压不致破裂的承载力，即桩身结构承载力：

式中：fcu———与桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；

η———桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.30；湿法可取0.25～0.33；

Ra———单桩竖向承载力特征值；

Ap———桩的截面积.

单桩承载力是由桩侧摩阻力和桩端阻力提供的，即土对桩的支承力：

式中：qsi———桩周第i层土的侧阻力特征值；

μp———桩的周长（m）；

n———桩长范围内所划分的土层数；

li———桩长范围内第i层土的厚度（m）；

α———桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，承载力高可取低值；

qp———桩端地基土未经修正的承载力特征值kPa），按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB-5007）的有关规定确定.

式(3)确定的单桩承载力应满足在上部建筑物荷载作用下，桩不致产生过大的沉降变形.设计时，式(2)和(3)确定的承载力应相匹配，使得桩侧摩阻力及桩端阻力充分发挥的同时，桩体强度也得到充分发挥，即应满足：

这样可保证桩体强度在满足竖向承载力要求的条件下得到充分发挥，不因桩体强度过大而超过承载力要求，造成材料浪费；或桩体强度过低不满足承载力要求，影响堤防安全.单桩竖向承载力特征值应采用现场载荷试验确定，无载荷试验数据时，搅拌桩单桩承载力标准值取式(2)和(3)中的较小值.因未做搅拌桩室内水泥土试块试验，根据规范规定，计算时参照（3）式进行水泥土桩的单桩承载力计算.根据（3）式，Ra=180kPa，考虑到实际施工中各种因素的影响，设计强度应予以折减60%～70%，所以取单桩承载力标准值为：Ra=160kPa.

2.4水泥土搅拌桩复合地基

承载力特征值计算根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002），搅拌桩复合地基承载力特征值计算公式如下：

式中：fspk—复合地基承载力特征值(kPa)；Rα——单桩竖向承载力特征值(kN)；Ap——桩的截面面积（m2)；β——桩间土承载力折减系数，无经验时可取0.75～0.95，天然地基承载力较高时取大值；fsk——处理后桩间土承载力特征值（kPa），可取天然地基承载力特征值；m——桩土面积置换率；d——桩身平均直径（m）；dε——单根桩分担的处理地基面积的等效圆直径；本工程为矩形布桩，

，s1、s2分别为纵向间距和横向间距。钻孔ZK4显示该堤段淤泥层较厚，挡墙基础直接坐落于淤泥层上，其承载力特征值为60kPa。而不同工况下岸墙稳定计算结果为：最大基底应力86.5kPa，最小基底应力为48.0kPa，最大平均基底应力为81.2kPa，因此不适合直接做基础持力层，需采用水泥土搅拌桩进行基础处理。初定搅拌桩桩距为1.0m×0.8m，采用此种布桩方式后对基础土层复核地基承载力造成的影响，计算如下：

根据计算，基础处理后的复合地基承载力特征值为122.1kPa。根据初定的布桩间距和桩长，当采用φ500水泥土搅拌桩进行基础处理后复核地基承载力均大于岸墙稳定计算所得的最大地基应力86.5kPa，也大于最大岸墙最大平均地基应力81.2kPa。因此，岸墙基础采用φ500水泥土搅拌桩进行基础处理满足岸墙稳定与承载力要求。

结语

水泥土搅拌桩可以有效地提高土体的抗剪强度指标，加强堤防的整体稳定，加之其施工简单、成本较低，因而在堤防工程中得到了广泛运用。本文总结归纳了水泥土搅拌桩在堤防加固工程中的方案设计思路及边坡抗滑稳定计算方法，并结合工程实践对桩土分离原理及复合地基强度等效原理下的抗滑稳定计算方法进行了验证和比较，计算思路及方法对于同类型堤防地基处理问题能起到很好的借鉴作用。如何在平面有限元软件中更好地模拟水泥土搅拌桩在堤防加固工程中的加固机理以及荷载传递原理，后续工作还需进一步展开

参考文献

[1]宁宝宽,陈四利,刘斌.水泥土搅拌桩的加固机理及其应用[J].西部探矿工程,2005（6）：26-28.

[2]SL379—2007水工挡土墙设计规范.北京：中国水利水电出版社，2007.