双向水泥土搅拌桩加固复合地基边坡稳定性研究
摘 要：长江下游新三角洲平原工程地质区，广泛存在着新近沉积的深厚超软土地基，其中淤泥和淤泥质土层厚度可达几十米，必须采用一定的地基处理方法来提高地基强度以降低工后沉降量。本文以杨林塘船闸工程为依托，采用双向水泥土搅拌桩加固方法进行地基处理，采用条分法分析了不同工艺对双向水泥土搅拌桩加固复合地基稳定性的影响。通过对比发现，双向水泥土搅拌桩采用“四搅三喷”、“框型搅拌头”施工工艺，加固效果很好，边坡稳定性最佳，可为今后类似工程提供参考依据。
关键词：水泥土搅拌 复合地基 稳定性
1.引言
江苏沿海分布着许多重要的滨海城市，是我国经济发达地区之一，也是我国基础设施建设最密集的地区，特别是近几年的大规模航道整治、船闸、高速公路、大型港口码头等工程建设，对软土地基处理技术提出更高要求。长江下游新三角洲平原工程地质区，广泛存在着新近沉积的深厚超软土地基，在软基上开挖并加高地面形成放大堤，大堤边坡稳定性不足，若软基处理不当，将会严重影响工程质量和使用功能，甚至造成工程事故，因此必须采用一定的地基处理方法来提高地基强度以及减小工后沉降量。
国内常用的软土地基处理技术主要包括两大类：排水固结法和复合地基法。堆载预压、降水预压以及真空预压方法等都是属于排水固结法，可起到加快排水固结的作用，但是不能减少总沉降量，因为在有限的时间之内，工后沉降大；复合地基法又分为刚性复合地基（如CFG桩、PHC桩等）和柔性复合地基（如砂桩、二灰桩和水泥土搅拌桩等），刚性复合地基由于加固效果好、加固质量高等优点，能够有效地控制工后沉降，但一般桩基造价高，地基处理工程投资大。而柔性桩复合地基造价相对较低，但是沉降控制效果相对差，且加固深度有限，对于深厚软土地基加固效果较差，工后沉降难以满足工程要求。
水泥土搅拌法是用于加固饱和软粘土地基的一种有效方法，它将喷射水泥浆形成的柱体称为湿喷桩或将喷桩或深层搅拌桩，而将喷射水泥粉形成的柱体称为粉喷桩，二者统称为水泥土搅拌桩，或称为深层搅拌桩。水泥土搅拌法具有振动小、噪音低、无污染、速度快、施工机械简单、施工效率高和造价相对低等优点，因此在船闸、航道整治、港口码头、市政工程、高速公路等软土地基处理加固方面得到了大量推广应用。
大量实践表明，水泥土搅拌桩在实际施工工程中也出现诸多问题：比如搅拌不均匀、桩身不连续现象，导致桩身强度过低；处理深度偏浅，一般在8～12m，最深不超过15m；水泥浆上浮等现象。因此，改进水泥土搅拌桩技术加固深厚软土地基（特别是超过15m）是工程建设中需要迫切解决的关键技术问题之一。针对以上存在的问题，东南大学刘松玉教授等在充分研究水泥土加固机理和影响水泥土搅拌桩成桩质量和桩身质量因素基础上，经过多年的探索，成功研制出双向水泥土搅拌桩及施工工艺，并推广使用。
本文以杨林船闸工程为依托，对双向水泥土搅拌桩的桩身强度进行统计分析，得出搅拌桩强度参数，并采用条分法分析了不同工艺对双向水泥土搅拌桩加固复合地基稳定性的影响。
2.工程概况
长江下游新三角洲平原工程地质区，广泛存在着新近沉积的深厚超软土地基，其中淤泥和淤泥质土层厚度可达几十米。深厚超软土地基主要由淤泥、淤泥质土等土层构成，其特点是含水率高，承载能力低，孔隙比大，压缩性高，透水性低，抗剪强度低，灵敏度高等。
杨林船闸位于江苏太仓市浏家港镇，地理位置如图1所示，杨林塘航道起自申张线上的巴城镇，流经苏州市的昆山和太仓，至长江杨林口结束，整治前全长约41km，是《江苏省干线航道网规划》“二纵四横”的连申线苏南段的重要组成部分，现状为七级航道，规划等级为三级。
杨林塘與长江相连，受潮汐影响，杨林船闸下游（长江侧）航道属于典型的感潮河段。
杨林塘船闸工程是在现有河道的北侧新开挖航道工程，在航道的北侧需要新建长达1700m的长江提防相连的防洪大堤。由于场地条件的限制，本工程大堤边坡大致为1：3，在软基上开挖并加高地面形成防洪大堤，大堤边坡稳定性不足。在综合考虑北大堤边坡加固措施和工程费用的情况下，北大堤边坡设计采用双向水泥搅拌桩进行超深厚软土加固。
场区处于长江新三角洲平原工程地质区，区内近40米以浅连续分布有淤泥、淤泥质（粉质）粘土、淤泥质（粉质）粘土夹粉砂薄层以及稍密～中密状态粉砂。
本文进行条分法计算的区域土层分布采用SK610钻孔所得其土层及分布特征如下：
1-1（粉质）粘土：灰色，可塑状态为主，局部为粉土，中等压缩性。近地表连续分布，层厚0.9～3.3米，表层土土质不均。地基容许承载力f=120kPa。
1-2淤泥质粘土：灰色，流塑状态，高压缩性，局部为淤泥，土性差。连续分布于1-1层表土层以下，层顶面埋深1.2～4.3米，一般厚度16.0～19.9米，该层为本区主要软土层，是工程沉降和稳定性的控制层位。地基容许承载力f=70kPa。
1-2b淤泥：灰色，流塑状态，高压缩性。分布于1-2层之间或，层厚1.5～9.0米不等。该层为区内主要软土层，是工程沉降和稳定性的控制层位。地基容许承载力f=50kPa。
3.边坡稳定分析
3.1 双向水泥土搅拌桩工艺改进
优化前双向水泥土搅拌桩采用两搅一喷施工工艺，搅拌钻头为直叶片如图2；优化后双向水泥土搅拌桩的施工工艺采用四搅三喷工艺，搅拌钻头采用弯刀型和框型搅拌头图3、图4。
3.2 计算参数
根据《杨林塘船闸勘察总说明》和《杨林塘船闸工程施工图设计总说明》取得计算土层参数，见表1。
水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。当？cu=0.30～4.0MPa时，其粘聚力c=0.10～1.0MPa，一般约为无侧限抗压强度的（20～30）%，其内摩擦角变化在20～30度之间。本文中，水泥土的粘聚力均取无侧限侧限抗压强度的20%，内摩擦角分别取20°、25°和30°，重度均取20 kN/m3，试验水泥土搅拌桩参数如表2所示。
3.3水泥土搅拌桩复合地基密度和强度参数
根据现场的地质条件，为了提高杨林船闸下游北大堤边坡边坡稳定性，在边坡不同的位置采取不同布置方式的水泥搅拌桩对边坡进行加固，以提高软土层1-2和1-2b的强度参数，从坡顶到坡底水泥土搅拌桩面积置换率逐渐增大。其中A断面水泥搅拌桩剖面图如图5所示，A断面水泥搅拌桩平面布置图如图6所示。
根据A断面水泥土搅拌桩平面布置图，按照水泥土搅拌桩加固区不同的桩位布置形式，将水泥土搅拌桩加固区划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ四个区域，各区域桩身长度从图2可知，各区域的面积置换率如表3所示。
水泥土搅拌桩复合地基属于柔性复合地基，置换率是复合地基的重要参数，可以根据复合地基的置换率计算加固区的等效密度和强度参数，水泥土搅拌复合地基密度和强度计算公式如下：
根据各土层参数表1、各个水泥土搅拌桩参数表2和A断面水泥搅拌桩面积置换率表3其中参数，按照上述公式可以计算得出优化工艺前后现场试验的水泥土搅拌桩复合地基密度和强度参数。
3.4 边坡稳定性影响因素
3.4.1北大堤重力式挡土墙对边坡稳定性影响
在计算模型中，重力式挡土墙的重度为24 kN/m3，重力式挡土墙后填土重度为20 kN/m3。将重力式挡土墙和素填土简化成分布荷载，只考虑自身荷载对边坡稳定性的影响，不考虑素填土和挡墙的抗剪强度提高边坡稳定性的作用，也就是认为滑面形成时，会在填土中形成拉裂缝。
3.4.2地下水水位对边坡稳定性影响
根据工程水位与水位组合及水文地质，发现在施工过程当中，地下水对边坡稳定有着显著的影响。为了考虑地下水位变化对边坡稳定性的影响，取坡顶外侧以外的水位为恒定值，坡顶外侧以内由于工程施工采取的降水措施，使地下水位降低并形成稳定渗流场，坡底水位取-5.25m，取堤坝外侧最高处的坝顶对应的横坐标为浸润线在渗流过程中形成的起始点，向外地下水位为水平线。考虑由于降水作用，形成不同的坡外水位，进行边坡稳定分析。分析时，A断面坡外最高地下水位取1.7m，每次分别降低1m。
3.5 边坡护岸稳定性分析
边坡稳定分析的计算方法有多种，如数值分析方法、塑性极限方法、条分法、可靠度方法和模糊数学方法等。目前，对于土质边坡来说，为人们所熟知和广泛讨论的方法有条分法和有限元方法。条分法因为其力学模型简单适用，可对边坡进行定量的评价，经过长期的工程实践和不断的完善和补充，己经成为边坡稳定分析的成熟方法。因此本文选用条分法进行复合地基边坡稳定性分析。
3.5.1条分法分析不同工艺加加固边坡护岸
在取坡外最高地下水位为1.7m情况下，为了研究不同施工工艺加固边坡护岸的效果，分别以第一次试验、弯刀型试验及框型试验进行研究。第一次水泥土搅拌桩试验采用的是“两搅一喷”和“直叶片”搅拌头，弯刀型水泥土搅拌桩试验采用的是“四搅三喷”和“弯刀型搅拌头”，框型水泥土搅拌桩试验采用的是“四搅三噴”和“框型搅拌头”。
对比图7和图8，可以发现弯刀型水泥土搅拌桩试验的边坡安全系数大于优化前水泥土搅拌桩试验，相对于优化前增加了42.4%，而优化前试验的施工工艺明显不能起到加固地基的作用。优化前试验的最危险滑动面上部从水泥土搅拌桩加固区外侧穿过，下部从水泥土搅拌桩加固区的穿过，主要原因优化前施工工艺只能对提高搅拌桩加固区上部0～6m土层抗剪强度，下部6m的以下的抗剪强度较低，使边坡处于危险状态。改进工艺后，弯刀型试验的最危险滑动面上部仍然从加固外侧穿过，下部从边坡坡面穿出，主要原因是加固区上部土层的抗滑能力和第一次试验类似，而加固区下部由于工艺的改进，下部桩体强度提高，同样能达到与上部相同，同时水泥搅拌桩置换率从坡顶到坡底逐渐加大，Ⅰ和Ⅱ加固区的面积置换率高，其相应的抗剪强度明显高于Ⅲ和Ⅳ加固区。
对比图8和图9，可以发现使用框型搅拌头工艺施工的水泥土搅拌桩进一步加固边坡稳定性，边坡安全系数增大至1.11，相对于优化前试验安全系数提高了52%。同时，框型试验的最危险滑动面未经过水泥土搅拌桩软土加固区，主要原因框型搅拌头施工工艺能够大幅度提高水泥土搅拌桩的抗剪强度，桩身强度上下均匀很好，大幅度提高软土加固区安全性，最危险滑动面不经过双向水泥土搅拌桩加固区，均能很好的达到设计要求。
3.5.2 地下水水位对边坡稳定性影响
为了研究地下水水位对边坡稳定性的影响，在水泥土搅拌桩采用“四搅三喷”、“框型搅拌头”工艺下，分别计算不同地下水位时A断面处最危险滑动面情况，如图10至13所示。
对比上述计算结果可以发现，随着地下水位的下降，边坡的安全系数逐渐提高，同时各个地下水水位下的最危险滑动面基本没有变化，均是从水泥土搅拌桩加固区外侧穿过，主要原因就是水泥土搅拌桩加固区的抗剪强度高，不易发生滑动。
4.结论
采用复合地基理论和极限平衡理论分析了不同工艺下双向水泥土搅拌桩对边坡稳定性的影响，可以得出以下结论：
（1）双向水泥土搅拌桩采用“两搅一喷”、“直叶片搅拌头”工艺，下部桩身强度较低，最危险滑动从坡顶穿过加固区，从坡脚穿出，加固效果差，边坡稳定性很差。
（2）“四搅三喷”、“弯刀型搅拌头”工艺优于“两搅一喷”、“直叶片搅拌头”工艺，加固效果较好，边坡稳定性增加，最危险滑动面从坡顶穿过加固区，从坡面穿出。
（3）水泥土搅拌桩采用“四搅三喷”、“框型搅拌头”工艺优于“四搅三喷”、“弯刀型搅拌头”施工工艺，加固效果很好，边坡稳定性最佳，最危险滑动面未经过加固区。
（4）地下水水位对边坡有着一定程度的影响，在施工期降水施工，可以提高边坡稳定性。
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