谈格栅状布置搅拌桩处理挡墙下深厚软基

陈嘉环 韩丽君

(1.天津城建设计院，天津 300072;2.天津市水利勘测设计院，天津 300204)

1 概述

北塘水系工程，位于天津市北塘地区，滨海新区中部，塘沽区东北部，东至渤海海岸线，南至北塘大街，西至塘汉快速路，北至永定新河。本工程的直接影响区是滨海新区，本工程的建设对完善滨海新区城市中心的重要功能区，改善人居环境，促进沿线土地开发及周边地区的经济发展、推动区域建设将起到积极的作用。

水系工程河道长度9.67 km，为配合北塘小镇规划的水乡风格，便于行船，河道工程中约2 km采用了矩形断面。矩形断面护岸采用悬臂式挡墙结构，墙高4.200 m，底板宽3.700 m。

2 墙下地质概况

根据岩土勘察报告，场地埋深25.00 m范围内，地基土按成因年代可分为3层，按力学性质由上而下划分为:

①人工填土层(Qml)。

厚度1.30 m～4.80 m，该层主要由素填土组成，呈黄褐色，可塑状态，无层理，粉质粘土质，含植物根系，属中～高压缩性土。

埋深约2.50 m～20.00 m段，该层土从上而下可分为3个亚层:

第一亚层，淤泥质粘土:厚度一般为10.70 m～16.00 m，呈灰色，流塑状态，无层理，含有机质、腐殖物，属高压缩性土。该层地基承载力60 kPa。

第二亚层，粉质粘土:厚度一般为1.80 m～8.00 m，呈灰色，软塑状态，有层理，含贝壳，属中压缩性土。该层地基承载力110 kPa。

第三亚层，粉土:厚度一般为0.70 m～5.40 m，呈灰色，中密状态，无层理，含贝壳，属中(偏低)压缩性土。该层地基承载力160 kPa。

勘察未穿透此层，主要由粉质粘土组成，呈灰黄～黄灰色，可塑状态，无层理，含铁质，属中压缩性土。该层地基承载力150 kPa。

3 天然基础下挡墙稳定计算

本工程护岸悬臂式挡墙按3级建筑物、安全级别为Ⅱ级设计，环境类别为三类，工程抗震设防类别为丙类。

根据水系景观要求，挡墙墙高4.200 m，顶部厚度0.300 m。估算挡墙尺寸，底宽 3.700 m，埋深0.700 m。

挡墙结构见图1。

挡墙稳定计算以施工期工况为控制工况，分别计算挡墙抗滑稳定、抗倾覆稳定及基底应力。经计算，挡墙坐落在淤泥质粘土地基上，滑移力为55.354 kN，抗滑力为56.824 kN，抗滑安全系数Kc=1.027，不能满足安全要求;计算挡墙倾覆力矩为98.25 kN·m，抗倾覆力矩为520.125 kN·m，抗倾覆安全系数 K0=5.294，满足安全要求;计算基底大小应力分别为 σmax=62.035 kPa，σmin=60.828 kPa，不均匀系数为1.02，基底受力虽均匀，但超过了地基自身的承载力。

图1 挡墙结构

4 软基处理方案

根据岩土勘察报告，挡墙底板以下存在深厚淤泥质粘土层。该层土压缩性较高，且流动性大，同时承载力小，抗剪强度低，护岸结构易产生整体滑动，挡墙自身抗滑能力也无法满足。考虑到墙下淤泥质粘土层较厚，挡墙自身重量较小，且重要性一般，故采用刚性桩穿透淤泥层进入到好土持力层的方法是不切实际的。采用复合桩基进行地基处理应该是优先考虑的方案。

4.1 复合地基方案比较

常见的淤泥及淤泥质粘土地基的处理方案有:真空预压法、置换法和化学固结法。近年来，采用较多的有高压旋喷桩和水泥搅拌桩。水泥搅拌桩包括粉喷桩和深层搅拌桩。

由于近年来天津市对施工单位造成的环境影响进行了严格的控制，粉喷桩已经逐渐退出了历史的舞台，市场上搅拌桩基本为深层搅拌桩。

水泥搅拌桩是一种常用的处理软弱地基方式，具有低噪声，抗水平挤压效果好，投资低的特点，但施工速度较慢，水泥土达到设计强度需要一定时间，且加固后的复合地基承载力较低。高压旋喷桩处理软弱地基的方式，虽然可以大幅度提高地基承载力，但工程消耗水泥量较多，投资相对较高，施工速度同样较长。本工程挡墙地基反力仅为62 kPa～65 kPa，采用深层搅拌桩处理较为适宜。

4.2 搅拌桩布置

搅拌桩布桩形式对加固效果有较大的影响，根据拟建工程的工程地质条件、构筑物荷载以及施工工艺，一般采用矩阵布置、梅花形布置和格栅状布置三种布桩形式。本工程地基土软弱且极为深厚，设计中结合挡墙抗滑稳定分析，对梅花形布置和格栅状布置两种布桩进行了计算。

1)搅拌桩按梅花形布置，桩间距2 m，挡墙前后各布置一排咬合搅拌桩，桩距550 mm，形成地下围挡，既提高基础整体刚度，又可限制桩间流土变形。搅拌桩桩径700 mm，桩长15 m。

2)搅拌桩按格栅状布置，直径700 mm，桩间距550 mm，纵向肋距2.2 m(顺水流方向)，搅拌桩长度10 m。

4.3 复合地基计算

深层搅拌桩的设计参数可参考YBJ 225-91软土地基深层搅拌加固法技术规程。

单桩承载力Nd按下式估算，取其中小值:

其中，qu为与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固土试块的无侧限抗压强度，取1 500 kPa;qs为桩周侧摩阻力，根据地质勘察报告取为15 kPa;K为折减系数，取0.3～0.4;α为桩端承载的折减系数，本工程桩端位于软土层，该值取0。经计算，φ700搅拌桩的单桩承载力为140 kPa。

采用φ700搅拌桩，单桩承载力140 kPa时，桩深15 m即可满足承载力要求。

复合地基承载力设计值fsp的计算公式为:

其中，m为搅拌桩面积的置换率;fs为桩间土地基承载力标准值;β为桩间土承载力折减系数，本工程取为0.8。

挡墙基础搅拌桩桩径700 mm，单桩承载力140 kPa，设计面积置换率m=0.3时，经处理后的复合地基承载力达到100 kN。

5 挡墙抗滑稳定分析

对于复合地基下挡墙的抗滑稳定可参照水闸设计规范，按下式计算:

其中，Φ0为挡墙基础底面与土质地基之间的摩擦角，(°);C0为挡墙基底面与土质地基之间的粘结力，kPa;A为挡墙基底面积，m2;∑H为作用在挡墙上的全部水平荷载。

Φ0，C0均可利用28 d龄期搅拌桩抗剪强度值与原状地基抗剪强度值加权计算。

5.1 按梅花形布置

在梅花形布置的情况下，目前理论和试验尚未获得复合地基的物理力学参数计算方法，只能利用原加固地基的物理力学指标，增加搅拌桩后，仅作为安全储备。根据前述计算结果，挡墙抗滑安全系数，正常水位下为1.240，施工工况下为1.027。

5.2 按格栅状布置

按格栅状布置情况下，复合地基物理力学参数按以下方法计算:

其中，c1为搅拌桩桩身粘聚力，取100 kPa;c2为被处理土的粘聚力，根据地质报告取为6 kPa;m为水泥搅拌桩的面积置换率，m=0.63;φ1为搅拌桩桩身摩擦角，14 d龄期该值可取为20°;φ2为淤泥质粘土土摩擦角，根据岩土勘察报告取为6°;k1为桩身刚度;k2为被加固土压缩刚度。

根据加固土的计算抗剪强度指标，可得挡墙抗滑安全系数，正常水位下为1.64，施工工况下为1.32。

比较以上两种情况的抗滑稳定结果，按格栅状布置对挡墙的抗滑稳定有利，但工程量略微增加。本工程实施阶段布桩方式见图2。

图2 布桩方式

6 结语

通过实践，采用水泥搅拌桩加固北塘水系挡墙下深厚软弱地基方案是可行的，具有造价低、施工简便等优点。在现场施工中，水泥掺入量、软弱土层含水量等物理力学参数决定着水泥搅拌桩的成桩质量，必须通过现场试验确定相关参数。此外，水泥搅拌桩成桩后加固土体的抗剪强度指标对计算有着至关重要的影响。施工挡墙时，应在条件允许的情况下，尽量保证水泥搅拌桩的正常养护龄期。只要在施工中加强对桩基的水泥技术指标的控制，严控水泥掺入量，养护得当，那么水泥搅拌桩也是软土地基处理中值得选用的较好方案。

［1］SL 265-2001，水闸设计规范［S］.

［2］SL 379-2007，水工挡土墙设计规范［S］.

［3］YBJ 225-91，软土地基深层搅拌桩加固法技术规程［S］.

［4］沈 烨.软土地基处理方法综述［J］.山西建筑，2011，37(13):64-65.