關于水泥土攪拌樁在港工建筑物上的應用

摘 要：港口工程中軟土地基處理方法很多，特別是在基礎開挖換填或基礎上方預壓加載時間受限的情況下，水泥土攪拌法是軟弱地基處理較為有效的方法之一，但是目前水泥土攪拌法在加固機理、加固效果和設計計算等方面的研究不多。本文結合具體的工程實踐，對水泥土攪拌樁軟基加固計算進行了研究。

關鍵詞：水泥土攪拌樁；軟基加固；復合地基

1 前言

由固化劑（水泥）與軟土攪拌形成的固結體在我國稱為水泥土攪拌樁，其中用水泥漿與軟土攪拌形成的柱狀固結體稱為深層攪拌樁，用水泥粉體與軟土攪拌形成的柱狀固結體稱為粉噴樁，這兩種樁合稱為水泥土攪拌樁，其加固方法稱為水泥土攪拌法。

隨著基礎設施的建設，水泥土攪拌樁技術在軟土地基加固方面得到廣泛的應用，多用于建（構）筑物的地基加固（多層住宅、單層或多層工業廠房等基礎）、高速公路以及高填方堤基、大面積堆場地基、基坑支護、形成防滲帷幕等。

結合水泥土攪拌樁在各基礎設施建設的應用，本文對其在港工建筑物上具體應用進行簡單描述。

2 港工建筑物中常用的軟基處理方法

港工建筑物地基處理常用方法有換填法、排水固結法、強夯法等。

換填法適用于各種軟弱土基，其方法為將軟弱土層開挖后換填砂或塊石等抗剪強度大，壓縮性小的土石，提高地基承載力、減少沉降，常用于重力式碼頭結構、防波堤及港口護岸結構，具有施工簡單，結構可靠穩定的優點，缺點在于需具備基槽開挖換填的施工條件，開挖所得土方具備外拋或自身容納條件，如軟弱土層較厚，其開挖及換填工程量較大。如軟弱土層較薄（厚度3m以內），常采用拋石擠淤方法，通過拋石或夯擊回填塊石置換淤泥達到加固地基的作用，常用于斜坡式防波堤及護岸等結構上。

排水固結法適用于軟粘土地基，對于滲透性較低的土層效果不佳，對飽和度較高的粘性土加固效果較好。其加固方法為對天然地基，或先在地基中設置砂井（袋裝砂井或塑料排水帶）等豎向排水體，通過加載預壓，使土體中的孔隙水排出，逐漸固結，地基發成沉降，同時強度逐步提高的方法，最后達到滿足設計荷載的要求。目前在港工建筑物上采用的排水固結法有堆載預壓法和真空預壓法，多用于陸域形成后堆場軟基加固及斜坡式護岸堤身下軟基加固。排水固結法施工工藝成熟，特別是采用插打塑料排水板形成豎向排水通道的做法得到廣泛的應用，具有工程造價經濟、軟基加固效果明顯的優點，其缺點在于預壓加載時間較長，后期存在一定的工后沉降及不均勻沉降，對地震區土層液化問題無法解決。

強夯法適用于處理碎土石、砂土、粉土、粘性土、雜填土和素填土等地基，它不僅能提高地基土的強度、降低其壓縮性、還能改善其振動液化的能力和消除土的濕陷性。其方法是反復將很重的錘（10～20t）提到高處使其自由落下（落距一般為10～40m）給地基以沖擊和振動，從而提高地基的強度并降低其壓縮性。強夯法雖然使用土類很廣，但對于飽和度較高的粘性土處理效果不顯著，其中尤其是淤泥和淤泥質土地基，處理效果更差。

各軟基加固方法使用地基各有不同，其施工要求條件亦有不同，換填法要求具備基槽開挖條件，排水固結法需進行堆載預壓，加載時間長，強夯法不適用于飽和度較高的粘性土，特別是淤泥及淤泥質土處理效果不佳。

近幾十年來，水泥土攪拌法軟基加固逐漸進入港口工程的建設中，水泥土攪拌法是加固飽和軟土地基的一種成熟方法，它利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基中就地將軟土和固化劑（漿液體或他粉體狀）強制攪拌，利用固化劑與軟土之間產生的一系列物理-化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的優質地基。目前，在港口工程的建設中水泥土攪拌法常用于以下軟土的加固工程中：

（1）組成水泥土樁復合地基，提高地基承載力，增大變形模量減少沉降量，多用于建筑物的地基加固，高速公路、高填方路堤基礎及大面積堆場地基等；（2）形成水泥土支擋結構物，軟土層中的基坑開挖、管溝開挖或河道開挖的邊幫支護和防止底部管涌、隆起；（3）形成防滲止水帷幕，由于水泥土結構致密，其滲透系數可小于1×10-9～1×10-11cm/s，因此可用于軟土地基基坑開挖和其他工程的防滲帷幕；（4）其他的應用；進行大面積加固后可防止碼頭岸壁的滑動，減少軟土中的地下地下構筑物的沉降和振動下沉，防止地震液化；對樁側或板樁背后軟土的加固以增加側向承載能力，對于較深的基坑開挖還可將鋼筋混凝土樁和水泥土樁構成符合壁體共同承受水、土壓力等。

3 水泥土攪拌樁加固原理

水泥土攪拌加固的基本原理是基于水泥土的物理化學反應過程，在這個過程中通過幾種反應影響水泥土強度的增加，包含為①水泥的水解和水化反應；②黏土顆粒與水泥水花物的作用；③碳酸化作用。具體如下：

3.1 水泥的水解和水化反應

普通硅酸鹽水泥主要由氧化鈣、二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵及三氧化硫等組成，將水泥拌入軟土，水泥很快與軟土中的水發生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣及水化鐵酸鈣等化合物。其中生成的氫氧化鈣、水化硅酸鈣等迅速溶于水中，使水泥顆粒表面重新暴露出來，持續與水發生反應，直至周圍的水溶液達到飽和，此時新生物不能在溶解，只能以細分散狀態的膠體析出，懸浮于溶液中，形成膠體。同時在水泥含量僅占3%的硫酸鈣可以和鋁酸三鈣一起與水反應，生成一種被稱為“水泥桿菌”的化合物，可以把軟土中含有的大量自由水以結晶水的形式固結下來，對高含水量的軟土強度增長有特殊的意義。

3.2 黏土顆粒與水泥水化物的作用

當水泥的水化物生成后，有的繼續硬化，形成水泥石骨架，有的則與其周圍具有一定活性的黏土顆粒發生反應。

3.2.1 離子交換和團粒化作用

軟土中含量最多的二氧化硅遇水后，形成硅酸膠體顆粒，其表面帶有納離子或鉀離子，它們能和水泥水化生成的鈣離子進行當量吸附交換，使較小的土顆粒形成較大的土團粒，從而使土體強度提高。而水泥水化生成的凝膠粒子的比表面積比原水泥顆粒大1000倍，因而產生很大的表面能，有強烈的吸附活性，能使較大的土團粒進一步結合起來，形成水泥土的團粒結構，并封閉各土體之間的空隙，形成堅固的聯結。從宏觀上看也就是使水泥土的強度大大提高了。

3.2.2 凝硬反應

隨著水泥水化反應的深入，溶液中析出大量的鈣離子，超出軟土中離子（納離子或鉀離子）交換的需要量后，則在堿性的環境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進行化學反應，逐漸生成不溶于水的穩定的結晶化合物。這些化合物在水中和空氣中逐漸硬化，增大了水泥土的強度，其結構比較致密，水分不易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩定性。

3.3 碳酸化作用

水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發生碳酸化反應，生成不溶于水的碳酸鈣（CaCO3），這種反應也能使水泥土強度增加，但水泥土中含有的水泥含量小（占加固土重的7%～20%），增加速度較慢，幅度也較小。

4 水泥土攪拌樁在港工建筑物上的應用

關于水泥土攪拌樁在港工建筑物上的應用結合相關工程進行論述。

杏林灣護岸工程景觀提升九天湖馬戲團段護岸總長度為836.16m。設計湖底高程為-2.24m（黃海高程），護岸頂高程為1.0m，馬戲團段護岸采用半直立半斜坡式護岸，臨水側采用直立式護岸，結構采用漿砌條石重力式擋土墻，擋墻頂高程1.0m，基礎采用拋石基床，在K0+000～K0+240段護岸基礎采用水泥攪拌樁進行處理，剩余段采用開挖換填塊石處理；擋土墻至后方陸域采用斜坡方式銜接，后側斜坡頂面標高為5.7m，擋土墻后和坡身回填礫類土或回填土，坡身采用植草護坡。

樁號K0+000～K0+240段護岸堤身下方有4～6m厚淤泥層，同時其后方陸域已形成（后方地面5.0m），如采用換填法進行基槽開挖，基槽開挖邊線將超出工程紅線并影響后方已形成陸域的邊坡穩定，受此限制因素，經考慮在該段護岸采用水泥土攪拌樁軟基加固方法，水泥土攪拌樁直徑0.8m，縱橫向間距1.5m，穿透淤泥層進入砂質粘土層不小于1m。通過施打水泥土攪拌樁，使護岸下方軟弱淤泥層形成復合地基，滿足護岸的整體穩定及地基承載力要求。結合該段護岸情況，對水泥土攪拌樁相關計算說明如下：

（1）水泥土攪拌樁單樁承載力及復合地基承載力計算

根據地基處理手冊（第三版）第11章水泥土攪拌法的相關規定，水泥土攪拌樁單樁承載力計算公式如下：

計算結果取上述兩式中較小值。

式中 Ra-單樁承載力特征值；？濁-樁身強度折減系數，取0.2；fcu-與水泥土攪拌樁身加固土配比相同的室內加固土試塊的無側限抗壓強度平均值；AP-樁的截面面積；UP-樁的周長，為2.513m；qst-樁周第I層土的側阻力特征值，淤泥層取5Kpa，砂質粘土層取12Kpa；li-樁長范圍內第I層土的厚度；qp-樁端地基土未經修正的承載力特征值，為180Kpa；？琢-樁端天然地基土的承載力折減系數，取0.6。

經計算，單樁承載力特征值為146Kpa。

復合地基承載力計算公式如下：

式中 fspk-復合地基承載力特征值；m-面積置換率，為0.223；？茁-樁間土承載力折減系數，取0.7；fsk-樁間土承載力特征值，為50Kpa；

經計算，復合地基承載力特征值為92Kpa。

（2）重力式擋墻抗傾抗滑穩定性及地基承載力核算

由于漿砌條石重力式擋土墻后方填土高度較高，且擋土墻下方為復合地基，對護岸臨水側擋墻的地基應力進行核算。結果見表。

由于擋墻區域水泥攪拌樁加固后復合地基承載力為92Kpa，滿足地基承載力要求。

（3）護岸整體穩定性計算

水泥土攪拌樁加固后復合地基土C值（粘聚力）與φ值（內摩察角）得到一定程度的提升，從而使新建護岸滿足其圓弧滑動的抗力分項系數最小值要求。

根據面積置換原則，根據加權算法，由原狀淤泥的C.φ值及水泥土攪拌樁的C.φ值計算復合地基土加權C.φ值。

根據地基地基處理手冊（第三版）第11章水泥土攪拌法的相關規定，水泥土攪拌樁粘聚力C與無側限抗壓強度qu的比值，C/qu=0.2～0.3，其內摩察角變化在20°～30°之間。工程設計要求水泥土攪拌樁無側限抗壓強度不得低于1Mpa，即水泥土攪拌樁粘聚力C不小于200Kpa，根據試驗檢測結果，水泥土攪拌樁符合設計要求，其內摩擦角為26.5°。原狀淤泥粘聚力為5Kpa，內摩擦角為2.7°。

即水泥土攪拌樁在淤泥層加固后形成的復合地基土粘聚力及內摩擦角為：

C=200*0.223+5*（1-0.223）=48.56Kpa；

φ=26.5*0.223+2.7*（1-0.223）=8.02°。

根據設計文件及地質勘察報告提供的各土層參數，對護岸的整體穩定進行了計算。采用豐海軟件進行計算，結果見表2。

5 水泥土攪拌樁在港工建筑物上的適用性及局限性

水泥土攪拌樁有無需開完即可加固軟弱土層的優點，其施工對周邊建筑物影響小，同時相比排水固結法不需要加載預壓，軟基加固所需時間較快，但目前國內水泥土攪拌樁在處理效果及施工工藝等方面存在一些問題：

5.1 加固形成的復合地基承載力不高，與換填后的拋石基床承載力相比存在一定差距，因此，在港工工程中，一般適用于對地基承載力要求不高的建筑物，如斜坡式護岸等，而碼頭結構一般采用鋼筋混凝土樁或換填拋石基床等基礎處理，特別是重力式碼頭結構，其拋石基床頂面承載力可達500Kpa，這是水泥土攪拌樁加固形成的復合地基無法達到的。

5.2 對使用土質有限制

水泥土攪拌法最適宜于加固各種成因的飽和軟粘土，目前國內常用于加固淤泥、淤泥質土、粉土和含水量較高且地基承載力不大于120Kpa的粘性土等。一般認為含有高嶺石、多水高嶺石、蒙脫石等粘土礦物的軟土加固效果較好；而含有伊利石、氯化物和水鋁英石等礦物的粘性土以及有機質含量高、酸堿度（PH）值較低的粘性土的加固效果較差。因此當用于處理泥炭土或地下水具有侵蝕性宜通過試驗確定其適用性。同時，如處理上有一定厚度覆土的軟弱土層時，水泥土攪拌樁施工存在一定影響，特別是上部覆土有碎石、粗礫等土層時，其轉頭無法進入軟弱土層。

5.3 在沿海港口工程中受施工水位的影響

水泥土攪拌樁即可陸上施工，也可通過船機水上作業，但水上施工每延米單價約為陸上單價的三倍，因此，為節省工程造價，在沿海工程中，常通過搭設臨時施工平臺的方法來滿足其干地施工條件，此時不僅增加施工工序，而且對工程進度方面也有一定影響。相比排水固結法中的插打塑料排水板的軟基處理方法的施工工藝，水泥土攪拌法有較大的缺點，塑料排水板施工機械簡單，可趕潮水位進行插打，而水泥土攪拌樁機械較笨重，移動不便，趕潮水位施工的可能性很小。

參考文獻

[1]龔曉南.地基處理手冊（第三版）編寫委員會[M].中國建筑工業出版社，2008.

作者簡介：賴德洪（，1986，10-），男，福建廈門，漢族，助理工程師，專業：港口航道與海岸工程，職務：總圖室主任，工作單位：廈門合誠工程設計院有限公司研究方向：軟土地基處理技術研究。