基坑围护中深层搅拌水泥土桩的应用

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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。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，冬季施工时应注意负温度对处理效果的影响。
    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。
    深层搅拌水泥土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，深层搅拌水泥土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
    该工程为汕头市某水厂送水泵房吸水井和水泵室基坑工程，其外边缘尺寸分别为49.63×5.80米和56.45×12.50米；开挖深度自室外自然地面标高至坑底分别为6.30米和4.20米；吸水井与水泵室距离为4.00米，吸水井东面有DN1820和DN2220两条管道通过，西、北面为道路和临建，水泵室东、南、西面为空旷地。
    2、地质条件
    根据地质勘察报告，从室外自然地面自上而下可分为：
    回填土层：厚1.1～1.3米，松散状；
    粉质粘土层：厚0.9～1.1米，呈可塑～硬塑状态；
    淤泥层：厚1.2～1.8米，呈流塑状态，属高压缩性土层；
    中粗砂层；厚2.5～3.2米，主要成分为石英质中砂、粗砂组成，含少许砾石，间或夹淤泥或粘土薄层，局部地区相变为中砂，均匀性较差；
    淤泥层：厚2.5 ～6.6米，呈流塑状态，含有机质及大量贝壳碎屑，为超高压缩性土层；
    场内地下水位标高为室外自然地面标高下-2.400米。
    3、基坑支护方案选择
    根据地质勘察报告及本地区实际情况和施工现场周围环境条件，并参照类似工程的施工经验，整个送水泵房基坑采用放坡与水泥土搅拌桩挡土墙相结合的围护体系。在吸水井东西北三面采用U字形挡土挡水帷墙，水泵室南面则进行二级放坡开挖。
    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。
    水泥桩挡土墙当墙后土重度为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9 排直径为700mm水泥土桩，相邻两桩搭接度为200 mm，以确保挡墙的挡水性能。经计算，桩长为8.50米，墙宽4.7米，墙顶距室外自然地面为3.00米，按1：1放坡，坡脚做砖砌明沟（500× 500，i=2%）及集水井（钢筋砼井圈，Ф1000×1200）进行明沟排水；开挖边坡采用Ф100～150，长3.20米，＠600mm木桩并堆砂包护坡。在吸水井基坑底做砖砌明沟及集水井进行排降水。
    水泥土桩采用425#硅酸盐水泥，考虑各土层天然含水量平均值较大，水泥掺入量控制在18%左右（即320kg/m3），并加FDN-500掺合剂。为增加挡墙水泥土桩的整体连接和提高抗弯刚度，在外排桩均加插Ф50mm以上新鲜苗竹筋，长5米，每根桩插2根；水泥土桩挡墙顶设钢筋砼镇口板，板厚20mm，水泥土桩进入砼镇口板不少于50mm。
    5、施工工艺
    （1）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。
    （2）施工设备及工序
    a.施工设备可采用履带式或步履式深层搅拌机，须配备灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设施；
    b.施工工序：定位→预搅下沉→喷浆搅拌上升→重复搅拌下沉→重复搅拌上升→完成移机。
    （3）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1.5‰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10A，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0.8m/min左右，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.为使喷入土中水泥浆与土充分搅拌，重复搅拌下沉，直至设计要求深度，在搅拌提升，并沿着桩体在基坑底上下1米范围进行复喷。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。
    （4）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50mm，恢复供浆再搅拌提升；
    d.压浆提升的速度控制在 0.8m/min，不得超过1 m/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30天，方可进行基坑土方开挖。
    6、施工效果
    该深层搅拌水泥土桩围护为土、桩格栅结合体共同受力体系，在基坑28天的使用过程中，无任何明显的弯折破坏；桩体完好无缺陷；桩体最大位移58mm；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
    近年来，随着施工技术和施工条件的发展，深层搅拌水泥土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。