淺談攪拌樁復合地基抗滑穩定計算的強度參數取值

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 引 言

軟土地基堤防、路基、基坑等工程的整體穩定是其設計的重要內容之一。由于軟土的抗剪強度低，如不通過適當的地基處理，該類型工程的整體穩定安全系數往往難以達到規范要求。采用攪拌樁加固軟土地基以提高其整體穩定性是目前國內普遍采用的一種地基處理方法；然而，由于部分工程攪拌樁布置和設計、強度參數的取值不當等原因，導致用攪拌樁加固的軟土地基不能達到預期效果，甚至發生地基失穩等工程事故。

2 攪拌樁加固軟土地基原理、樁身強度和設計注意事項

2.1 加固原理

攪拌樁是采用水泥等膠凝材料作為固化劑的主劑，利用攪拌樁機將固化劑噴入土體并充分攪拌，固化劑和軟土之間所產生的一系列物理化學反應，使軟土硬結成具有整體性、穩定性和一定強度的加固體。攪拌樁屬于有黏結強度加強體，但其剛度不高，工程界大都將之劃歸于半剛性樁的范疇。

攪拌樁加固軟土地基的原理是以攪拌樁為加固體，加固體和原狀土共同作用，形成復合地基，以提高復合土體的承載能力，從而提高地基的整體穩定性。因此，采用攪拌樁加固軟土地基的關鍵是要形成攪拌樁復合地基，使復合地基樁體與土體共同承擔豎向和水平荷載。

2.2 樁身強度

攪拌樁固化劑的類型、強度、摻入比和齡期等直接影響攪拌樁的樁身強度。

國內攪拌樁多采用水泥作為固化劑，近年采用GS土體硬化劑等其他材料作為攪拌樁固化劑在攪拌樁加固地基中也逐步得到了推廣。根據《GS土體硬化劑應用技術規程》(DG/TJ 08-2082—2017)的實驗研究，對相同摻量的GS土體硬化劑加固土和水泥土，14天、28天、90天齡期時，GS土體硬化劑加固土無側限抗壓強度分別為水泥土的1.3～1.4倍、1.5～1.9倍和1.6～2.1倍；摻入8%、10%、13%的GS土體硬化劑加固土無側限抗壓強度，分別可以達到摻入10%、13%、16%的水泥土的無側限抗壓強度的效果。

根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79—2012)的分析，采用水泥作為固化劑時，水泥強度提高10MPa，水泥土攪拌樁無側限抗壓強度約增加20%～30%；如要求達到相同的無側限抗壓強度，水泥強度提高10MPa后可降低水泥摻入比2%～3%。

根據《復合地基技術規范》(GB/T 50783—2012)的分析，當水泥摻入比在10%～20%之間時，水泥土攪拌樁的強度與齡期大致呈冪函數關系，其關系式為：fcu1/fcu2=(aw1/aw2)1.77；這與《地基處理手冊》分析所得出的在28天齡期時，qu1/qu2=(aw1/aw2)1.6的結論基本一致。

2.3 設計注意事項

2.3.1 攪拌樁的平面布樁方式和長度

常見的攪拌樁加固軟土地基的平面布樁方式有柱狀、壁狀、格柵狀和塊狀等。由于攪拌樁屬于脆性材料，其抗壓強度高，抗拉和抗剪強度低，因此在以提高地基豎向承載力為主要加固目的的攪拌樁軟土地基加固中，只要加固區的面積置換率達到要求，采用何種布樁方式均可；但對于在以提高地基水平向抗剪承載力為主要加固目的的攪拌樁軟土地基加固中(如堤防、路基、邊坡整治、重力式水泥土墻等)，如采用柱狀、壁狀布樁等方式，容易因水平力的作用導致地基中的部分樁體先斷裂，并逐漸形成連續滑動面的破壞現象，從而形成多米諾骨牌效應，地基整體失穩破壞，釀成工程事故。因此，建議采用攪拌樁加固軟土地基設計時盡量采用格柵狀或塊狀布樁，慎重采用較低面積置換率的柱狀或壁狀布樁方式。格柵狀布樁時格柵格內側的長寬比宜控制在2.0以內；格柵狀或塊狀布樁時樁與樁之間可采用搭接的方式，也可適當咬合。

為達到提高軟土地基抗滑穩定性的加固目的，對為提高抗滑穩定性而設的攪拌樁，樁頂宜平齊軟土地基頂面、樁底宜穿透軟土層或超過加固后最危險滑弧以下至少2m。

2.3.2 攪拌樁沿樁身豎向的強度設計

與以豎向承載為主的攪拌樁不同，對以提高抗滑穩定性而設的攪拌樁，設計希望加固區的攪拌樁沿樁身從上到下均有較大的強度，以確保加固區攪拌樁能承擔較大的荷載。因此當攪拌樁樁長較長時，不宜沿樁身豎向采用變摻量設計減小樁身下部固化劑摻量，也不宜采用長短樁相結合的形式，否則可能因樁身下部強度不足而導致地基失穩破壞。

由于以提高抗滑穩定性而設的攪拌樁，為防止樁土的剛度相差過大而產生應力集中現象，一般樁身設計強度并不高，而其面積置換率卻相對較大，因此為降低成本、節約水泥，可采用32.5級的水泥作為固化劑，其摻入比可為7%～12%。

3 攪拌樁復合地基抗滑穩定計算強度參數的取值

目前國內計算復合地基整體穩定的方法基本都是采用圓弧滑動法，攪拌樁加固軟土地基的整體穩定計算也不例外。攪拌樁加固軟土地基后，使加固區復合土體的抗剪強度指標粘聚力C和內摩擦角φ值提高，從而達到提高整體穩定性的目的。

3.1 C和φ的取值

根據《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)，攪拌樁樁身的內摩擦角φ=20°～24°，樁身強度高時取高值，否則取低值；攪拌樁樁身的粘聚力C可按式(1)計算：

(1)

式中C——抗剪強度指標粘聚力，kPa;

φ——內摩擦角，(°)；

η——樁身強度折減系數，干法可取0.2～0.3，濕法可取0.25～0.33；

fcu——與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內加固土塊(邊長為70.7mm或50mm)在標準養護條件下28天齡期的立方體無側限抗壓強度平均值，kPa。

根據《地基處理手冊》，對水泥土強度進行了一系列實驗，實驗結果表明其粘聚力與無側限抗壓強度的比值C/qu為0.2～0.3；其內摩擦角φ在20°～30°之間。由此可見，不同文獻資料對攪拌樁樁身的內摩擦角φ值取值均為20°～30°；而對攪拌樁樁身的粘聚力的取值方法卻不一致，但均是以攪拌樁樁身無側限抗壓強度為基礎進行計算。以中山市南朗鎮中心二河水閘工程(原狀淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°)為例，根據理論公式、經驗數據和土工試驗實測數據，所得水泥攪拌樁樁身的粘聚力和內摩擦角結果見表1。

表1 不同方法計算的攪拌樁樁身的粘聚力和內摩擦角結果

注：1.表中根據室內加固土指標，用《廣東省海堤工程設計導則》公式理論計算粘聚力C時，取η=0.25、φ=24°計算。 2.表中根據樁身抽芯指標，用《廣東省海堤工程設計導則》公式理論計算粘聚力C時，取φ=24°計算。

由表1可知，利用室內加固土抗壓強度指標，根據《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)公式理論計算的粘聚力指標最大；利用樁身抽芯強度指標，根據《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)公式和《地基處理手冊》理論推算的粘聚力指標基本接近，且與土工試驗直接測定的粘聚力指標也相差不大；由于攪拌樁抗壓強度與試塊形狀、尺寸和齡期有關，因此由攪拌樁抗壓強度推求其粘聚力的影響因素較多，導致粘聚力的取值受到影響。由表1還可知，《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)推薦的內摩擦角經驗指標最小；《地基處理手冊》推薦的內摩擦角經驗指標最相對較大，但均比土工試驗直接測定的內摩擦角指標偏小。

因此，對攪拌樁的粘聚力和內摩擦角的取值，建議可在具有充分的土工實驗實測數據研究的基礎上，逐步由以目前的理論公式推求為主向以實測實驗數據為主的方向轉變，避免理論公式推求帶來的偏差。

3.2 攪拌樁加固區復合土體的等效抗剪強度指標計算

根據《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)，攪拌樁加固區復合土體的等效強度指標可按式(2)、式(3)計算：

C=mc1+(1-m)C2

(2)

(3)

式中C——復合土體的粘聚力，kPa；

m——面積置換率；

C1、C1——攪拌樁樁身、樁間土體的粘聚力，kPa；

φ——復合土體的內摩擦角，(°)；

φ1、φ2——攪拌樁樁身、樁間土體的內摩擦角，(°)；

K1、K2——攪拌樁樁身、樁間土體的剛度，kN/m；

β——樁的沉降與樁周土沉降之比，一般可取β=0.5，對剛性基礎β=1.0。

根據《地基處理手冊》，攪拌樁加固區復合土體的等效強度指標可按式(4)、式(5)計算：

C=mC1+(1-m)C2

(4)

tanφ=mtanφ1+(1-m)tanφ2

(5)

由以上計算公式可知，攪拌樁加固區復合土體的等效強度指標與攪拌樁樁身和樁間土的粘聚力和內摩擦角直接相關；復合土體的等效粘聚力計算公式一致，僅與攪拌樁樁身、樁間土的粘聚力及面積置換率有關；而等效內摩擦角計算公式不同，且《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)的計算公式中不但與攪拌樁樁身和樁間土的內摩擦角有關，還與樁身、樁間土的剛度和沉降比有關，計算比較復雜。經過對中山市南朗鎮中心二河水閘工程(原狀淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°)進行試算，其等效粘聚力和內摩擦角詳見表2和圖1。

表2 不同方法計算的復合地基的等效粘聚力和內摩擦角結果

續表

注：1.表中計算時攪拌樁fcu=1.2MPa，η=0.25，φ=20°；淤泥C=3.0kPa，φ=5.2°。

2.當面積置換率較小(如小于10%)時，可能并不能形成復合地基，表中所列置換率數據僅為反映兩種公式計算的φ值不同所用。

圖1 不同方法計算的復合地基的等效內摩擦角曲線

由表2和圖1可知，如采用《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)的計算公式計算復合地基等效內摩擦角，在面積置換率為0%和100%的極端情況時，計算結果與《地基處理手冊》的計算結果一致，其余情況的結果均偏大，且在面積置換率為16%～40%區間偏大較多。

因此，為確保工程安全，對攪拌樁加固區復合地基內摩擦角的取值，宜采用《地基處理手冊》的計算方法；如采用《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)的計算結果進行取值，設計取值時應根據攪拌樁的面積置換率、工程的重要性等綜合分析，除以必要的安全系數。

4 結 語

在采用攪拌樁加固軟土地基以提高地基整體穩定的工程中，建議：

a.優先采用格柵狀或塊狀的布樁方式使加固區攪拌樁與原狀土形成復合地基共同受力，盡量提高地基處理的面積置換率。為達到處理效果，攪拌樁的處理深度宜穿透軟土層或超過加固后最危險滑弧以下至少2m，攪拌樁沿樁身豎向等強度設計。

b.在進行地基抗滑穩定計算時，一方面，對攪拌樁的粘聚力和內摩擦角的取值宜以目前的理論公式推求為主向以實測實驗數據為主的方向轉變，盡量采用土工實驗實測數據進行取值，避免理論公式推求帶來的誤差；另一方面，對攪拌樁加固區等效粘聚力和內摩擦角取值宜采用《地基處理手冊》的計算方法；如采用《廣東省海堤工程設計導則》(DB44/T 182—2004)的計算結果，設計取值時應根據攪拌樁的面積置換率、工程的重要性等因素綜合分析，除以必要的安全系數。