貝建忠，趙瑞東，李偉儀，陳良志

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

水泥土攪拌法(水泥攪拌樁)是一種用于加固飽和黏性土地基的常見(jiàn)地基處理方法。自20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用此軟基加固處理技術(shù)，并取得良好效果。但也有不少工程失事的案例，特別是在一些工程的堤防、岸墻和基坑工程中，邊坡失穩(wěn)是主要的破壞形式之一。引發(fā)邊坡失穩(wěn)的原因眾多，其中一個(gè)重要原因是設(shè)計(jì)過(guò)程中過(guò)高地估計(jì)了水泥攪拌樁的加固效果。因此，有必要對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基的穩(wěn)定性分析開(kāi)展進(jìn)一步研究。

目前，針對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基的研究主要集中在復(fù)合地基的豎向承載力和沉降等方面[1-4]，對(duì)水泥攪拌樁復(fù)合地基穩(wěn)定分析的研究[5-6]較少。在《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》[7]中有復(fù)合地基穩(wěn)定分析的內(nèi)容，指出當(dāng)水泥攪拌樁處理穩(wěn)定性工程時(shí)，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，可采用以下2種方法。1)復(fù)合地基加固區(qū)強(qiáng)度指標(biāo)采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)；2)復(fù)合地基加固區(qū)強(qiáng)度指標(biāo)分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)。

以上規(guī)范中的描述，在某種程度上說(shuō)明2種計(jì)算方法是基本等效的，其中采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算整體穩(wěn)定是較為普遍的方法。但通過(guò)分析失事案例可以發(fā)現(xiàn)：在某些情況下，采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)驗(yàn)算整體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，卻發(fā)生了滑移事故，有的甚至出現(xiàn)水泥攪拌樁斷樁的現(xiàn)象，其中一個(gè)重要原因是，在某些情況下，水泥攪拌樁復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法在岸坡設(shè)計(jì)中的適用性較差，采用的復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)未能真實(shí)地反映水泥攪拌樁對(duì)軟弱地基的加固效果，即針對(duì)整體穩(wěn)定核算，有些情況下2種方法不能完全等效。

針對(duì)某失事工程，借助Plaxis 3D建立三維模型，分別采用2種方法進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性計(jì)算，分析工程失穩(wěn)的原因。同時(shí)，在該工程原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別調(diào)整軟土的黏聚力以及水泥攪拌樁置換率，分析復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法在岸坡設(shè)計(jì)中的適用性，以便指導(dǎo)今后的工程設(shè)計(jì)。

1 復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)的確定

《地基處理手冊(cè)》第三冊(cè)[8]2.7節(jié)中指出，在計(jì)算復(fù)合地基穩(wěn)定性分析時(shí)，復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)可采用面積比法計(jì)算。復(fù)合土體黏聚力Cc和內(nèi)摩擦角φc計(jì)算公式如下：

Cc=Cs(1-m)+mCp

(1)

tanφc=tanφs(1-m)+tanφp

(2)

式中：Cc為復(fù)合土體黏聚力(kPa)；Cs為樁間土黏聚力(kPa)；Cp為樁體黏聚力(kPa)；φc為復(fù)合土體內(nèi)摩擦角(°)；φs為樁間土內(nèi)摩擦角(°)；φp為樁體內(nèi)摩擦角(°)；m為復(fù)合地基積置換率。

另外，該手冊(cè)11.3節(jié)還指出水泥土的黏聚力隨其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加而增加，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu一般為0.5～4.0 MPa，其黏聚力Cc一般約為qu的20%～30%，其內(nèi)摩擦角變化范圍是20°～30°。

2 工程案例

某岸坡工程港池岸墻采用L形擋墻，底高程-4.5 m，頂高程1.80 m，典型斷面如圖1所示。擋墻底部淤泥較厚、標(biāo)貫較低，采用水泥攪拌樁進(jìn)行加固，樁位布置如圖2所示。水泥攪拌樁直徑為0.5 m，樁體采用三角形布置，排距為1.0 m，共10排，L1～L8排的樁長(zhǎng)為12.0 m，L9和L10排采用長(zhǎng)短樁結(jié)合的套樁，長(zhǎng)樁為14.9 m，短樁為6.0 m。

圖1 港池?fù)鯄υO(shè)計(jì)斷面(高程：m；尺寸：mm)

圖2 水泥攪拌樁樁體平面布置(單位：mm)

原狀土指標(biāo)及復(fù)合地基強(qiáng)度指標(biāo)分別如表1、2所示。

表1 原狀土參數(shù)

表2 置換率為10%的復(fù)合地基強(qiáng)度指標(biāo)

通過(guò)Plaxis 3D建立三維模型，采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)(方法1)進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析，安全系數(shù)FOS=1.155，見(jiàn)圖3。

圖3 方法1計(jì)算整體穩(wěn)定安全系數(shù)

分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)(方法2)進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析，擋墻出現(xiàn)失穩(wěn)，最大水平位移為8.633 m，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 方法2計(jì)算最大水平位移

通過(guò)計(jì)算可知，2種計(jì)算方法的結(jié)果差距很大。方法1采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)，整體穩(wěn)定安全系數(shù)FOS=1.155(>1.15)，根據(jù)《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]10.2節(jié)中規(guī)定，滿足施工期整體抗滑穩(wěn)定要求。但在實(shí)際工程施工期該岸坡失穩(wěn)，出現(xiàn)了滑移斷樁現(xiàn)象(圖5)，與方法2分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算整體穩(wěn)定的結(jié)果相符。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)擋墻失穩(wěn)、斷樁

分析得知，該工程案例中水泥攪拌樁置換率較低(10%)且樁間土黏聚力較小(5.6 kPa)，樁體對(duì)樁間土的約束作用較差，在后方回填料自重荷載的作用下，軟土從水泥攪拌樁中間滑出，在擋墻前腳趾處形成隆起，水泥攪拌樁體被剪斷，岸墻失穩(wěn)傾倒，導(dǎo)致工程失事。

因此，采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法對(duì)岸墻穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，未能真實(shí)地反映水泥攪拌樁對(duì)軟弱地基的加固效果，過(guò)高地估計(jì)了低置換率水土攪拌樁的加固作用，導(dǎo)致工程失事。該工程條件下，復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法在岸坡設(shè)計(jì)中的適用性較差，即并非所有工況下采用復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)與分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)都是等效的。

因此，在工程設(shè)計(jì)中，復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法在岸坡設(shè)計(jì)中的適用性應(yīng)引起高度重視，尤其在軟土黏聚力和水泥攪拌樁置換率較低的情況下，須建立三維模型，分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)(方法2)進(jìn)行岸坡整體穩(wěn)定分析。

3 復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)方法適應(yīng)性分析

3.1 不同軟土的黏聚力

分別針對(duì)水泥攪拌樁置換率10%、19%、25%、39%，改變軟土(③淤泥)的黏聚力，建立三維模型，分別采用方法1和方法2進(jìn)行岸坡穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果如表3及圖6所示。

表3 不同黏聚力情況岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖6 不同置換率情況黏聚力與安全系數(shù)關(guān)系曲線

從表3和圖6可知，相同水泥攪拌樁置換率條件下，軟土的黏聚力越大，2種方法計(jì)算的整體穩(wěn)定安全系數(shù)越接近，即軟土的黏聚力越大，水泥攪拌樁復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法越能真實(shí)地反映水泥攪拌樁對(duì)軟基的加固軟基效果，復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法在岸坡設(shè)計(jì)中的適用性越好。

3.2 不同水泥攪拌樁置換率

3.2.1軟土黏聚力較低工況

當(dāng)軟土黏聚力較低時(shí)，分別針對(duì)軟土(③淤泥)的黏聚力為7、15、20 kPa情況下，改變水泥攪拌樁置換率10%、19%、25%、39%、57%、66%，建立三維模型，分別采用2種方法進(jìn)行岸坡穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果如表4及圖7所示。

表4 低黏聚力工況不同置換率下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖7 低黏聚力工況置換率與安全系數(shù)關(guān)系曲線

3.2.2軟土黏聚力較高工況

當(dāng)軟土黏聚力較高時(shí)，分別針對(duì)軟土(③淤泥)的黏聚力為30、35、40 kPa情況下，改變水泥攪拌樁置換率10%、19%、25%、39%，建立三維模型，分別采用2種方法進(jìn)行岸坡穩(wěn)定分析，計(jì)算結(jié)果如表5及圖8所示。

表5 高黏聚力工況不同置換率下岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)

圖8 高黏聚力工況置換率與安全系數(shù)關(guān)系曲線

綜合分析表4～5和圖7～8可知：

1)當(dāng)軟土黏聚力固定時(shí)，水泥攪拌樁置換率越大，整體穩(wěn)定安全系數(shù)越大，2種方法計(jì)算整體穩(wěn)定的安全系數(shù)差值越小。

2)當(dāng)軟土黏聚力較小時(shí)，2種方法整體穩(wěn)定的安全系數(shù)差別較大；隨著水泥攪拌樁置換率的增大，方法1整體穩(wěn)定安全系數(shù)的增速明顯大于方法2。

3)當(dāng)軟土黏聚力較小時(shí)，水泥攪拌樁置換率增大到某個(gè)值后，方法1整體穩(wěn)定的安全系數(shù)基本保持不變，而方法2整體穩(wěn)定的安全系數(shù)還在持續(xù)增大。這主要是因?yàn)榇笥谠撝脫Q率后，復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)已經(jīng)足夠強(qiáng)，整體穩(wěn)定滑弧幾乎不再經(jīng)過(guò)水泥攪拌樁加固區(qū)，繼續(xù)提高水泥攪拌樁置換率，對(duì)方法1的整體穩(wěn)定安全系數(shù)影響不大；而若分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)(方法2)分析岸坡整體穩(wěn)定性，滑弧仍經(jīng)過(guò)該水泥攪拌樁加固區(qū)，繼續(xù)提高水泥攪拌樁置換率，對(duì)方法2的整體穩(wěn)定安全系數(shù)影響較大。

4)當(dāng)軟土黏聚力較大時(shí)，2種方法整體穩(wěn)定的安全系數(shù)差別較小，且隨著水泥攪拌樁置換率的增大，2種方法計(jì)算整體穩(wěn)定的安全系數(shù)快速趨于相同。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用水泥攪拌樁加固軟基岸坡，當(dāng)軟土黏聚力、水泥攪拌樁置換率較低時(shí)，樁體對(duì)樁間土的約束作用較差，常規(guī)設(shè)計(jì)方法——復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法(方法1)在岸坡設(shè)計(jì)中的適用性較差，該設(shè)計(jì)方法不能真實(shí)地反映水泥攪拌樁對(duì)軟基的加固效果。

2)當(dāng)軟土黏聚力超過(guò)30 kPa、水泥攪拌樁置換率超過(guò)20%后，2種方法的整體穩(wěn)定安全系數(shù)差值小于5%，幾乎等效。但由于每個(gè)工程的地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)形式并不相同，其岸坡穩(wěn)定性對(duì)軟土黏聚力和水泥攪拌樁置換率的敏感程度也不相同。本案例歸納的軟土黏聚力和水泥攪拌樁置換率臨界點(diǎn)不具普遍適用性，建議同時(shí)采用方法1(復(fù)合地基綜合強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法)和方法2(分別采用樁體和樁間土的強(qiáng)度指標(biāo)設(shè)計(jì)方法)對(duì)岸坡整體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，相互校核。

3)在水泥攪拌樁加固軟基岸坡的工程中，可基于Plaxis 3D有限元軟件，分別建立水泥攪拌樁樁體和樁間土的三維模型，采用方法2進(jìn)行岸坡穩(wěn)定性分析，可較真實(shí)地反映水泥攪拌樁對(duì)軟基岸坡的加固效果。