簡析真空預壓水泥攪拌樁的防護作用

張 哲，相如昕，張赫路，戴 超，秦菲菲，李曉寧

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津水運工程勘察設計院有限公司，天津，300456）

引言

真空預壓加固軟土地基將對周邊土體產生“收縮效應”，即使周邊土體向真空預壓區移動[1-2]。根據工程經驗，距真空預壓邊界20 m 范圍內地表沉降較為顯著，甚至會產生地面開裂的情況[3-5]。當真空預壓場區距離建筑物較近時，規范[6]要求真空預壓處理區的邊界距離已有建筑物20 m 以上，然后通過換填方式處理已有建筑物近距離范圍內的軟土。該種方式不僅工藝麻煩，且換填需要在真空預壓卸載以后進行，將會延長工期，影響工程效益。

黃驊港某軟基處理項目采用真空預壓方式進行加固，加固范圍內有1 座已建導標。真空預壓加固軟土過程中，土體發生沉降時已建導標樁基礎將產生負摩阻[7]，促使導標基樁軸力增加并發生沉降，進而對已建導標的結構安全產生影響。本項目工期較緊，不適宜采用真空預壓時預留安全距離與預壓后換填處理建筑物周邊軟土的工藝。現場經研究后計劃采用在已建導標周圍施打一圈水泥攪拌樁的工藝對已建導標進行防護，文章通過ABQUES 軟件對水泥攪拌樁的作用進行了分析，結果表明水泥攪拌樁能顯著減小真空預壓對導標的影響。基于上述計算結果，現場將水泥攪拌樁工藝付諸實施，直至真空預壓軟基處理結束導標一直處于安全狀態，驗證了本工藝的可行性，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

該真空預壓軟基處理工程共分為6 個分區，加固總面積16.2 萬m2，每個分區為150×180 m 的小分區，其中第3 分區內存在1 座已建導標，導標位置見圖1。

圖1 導標位置示意圖

根據勘察資料，導標所在的第3 分區的土層分布從上至下依次為：4.1 m 沖填土、12 m 淤泥質粘土、6.4 m 粘土、下部為粉土，土層分布見圖2，相關指標見表1。

圖2 第3 分區土層分布圖

表1 各土層相關指標

導標基礎采用樁基承臺結構，承臺厚度2.6 m，承臺平面尺寸16×16 m，地面高程1.98 m，承臺下部由16 根直徑1 200 mm的鋼筋混凝土灌注樁提供支撐，樁底標高約-60 m。導標基礎斷面圖見圖3，樁基平面分布圖見圖4。

圖3 導標基礎斷面示意圖

圖4 樁基平面布置圖

為保護真空預壓期間導標的安全，現場研究采用在導標承臺四周2 m 距離為軸線沿導標承臺四周施打一圈水泥攪拌樁，旨在阻斷真空預壓抽氣期間導標基礎周邊土體的降水，減少導標基礎周圍土體沉降或側向變形。

本工程真空預壓塑料排水板正方形布置，間距1m，底高程-15 m，抽氣期間真空壓力不小于85 kPa，抽氣時間120 天。水泥攪拌樁采用雙排水泥攪拌樁，單樁直徑700 mm，搭接寬度200 mm，形成墻體寬度1 200 mm。水泥攪拌樁底高程在塑料排水板底端以下2 m，即高程-17 m。水泥攪拌樁平面大樣圖見圖5，施工照片見圖6。

圖5 水泥攪拌樁平面大樣圖

圖6 水泥攪拌樁施工照片

水泥攪拌樁采用強度等級為32.5 MPa 的硅酸鹽水泥作為固化劑，水泥摻入比為20 %，注漿泵額定壓力不小于5 MPa。采用“四噴四攪”的施工工藝，詳細步驟如下：

1）樁機就位、調平；

2）預攪下沉：調試樁機及相關設備使其正常運轉，啟動電機，放松鋼絲繩，使樁機攪刀攪拌下沉至設計加固深度，下沉速度1 m/min，工作電流不超過樁機額定電流。

3）制備水泥漿：樁機預攪下沉至設計深度一半時，拌制水泥漿，拌和時間不少于10 min。制備好的泥漿不得離析、沉淀。

4）提升噴漿攪拌：樁機預攪下沉至設計深度后啟動灰漿泵，將水泥漿液壓入集料斗中，注漿壓力0.5～1.0 Mpa。先噴漿攪拌30 s，待樁端土與水泥漿充分攪拌后，邊噴漿、邊旋轉提升攪拌頭至設計樁頂標高，攪拌提升速度0.5 m/min。

5）復攪下沉：均勻復攪下沉速度1 m/min。

6）重復提升攪拌：邊旋轉、邊提升，重復攪拌至樁頂標高，完成一根樁的施工。

7）移位：將樁機至新的樁位，重復步驟1）～6），直至所有攪拌樁完成。

8）清洗：將清水注入集料斗中，啟動灰漿泵，將管道中的殘留的水泥漿沖洗干凈。

水泥攪拌樁質量控制指標見表2。

表2 水泥攪拌樁質量控制指標

2 數值計算

2.1 建構模型

真空預壓期間土體沉降會對導標基樁產生負摩阻[7]，從而增加基樁的軸力并使之產生沉降，進而影響導標的安全。采用ABQUES 軟件進行有限元建模，分別計算有水泥攪拌樁和無水泥攪拌樁兩種工況下導標基樁的軸力增量與沉降，并對二者進行對比，驗證水泥攪拌樁的防護效果。計算中相關物理指標嚴格按照規范[6-8]取值，兩種工況下數值模型見圖7、圖8。

圖7 無水泥攪拌樁整體數值模型圖

圖8 有水泥攪拌樁整體數值模型圖

2.2 基樁軸力增量計算

分析可知，受導標四周真空預壓對承臺下部土體沉降的疊加作用影響，導標承臺下部16 根基樁中位于承臺四周的角樁將產生最大的軸力增量，邊樁次之，內樁最小。因此角樁是進行基樁復核的控制性因素。方便起見，選取兩種工況下角樁的軸力增量進行計算和對比。

無水泥攪拌樁、有水泥攪拌樁兩種工況下角樁軸力增量見圖9。

由圖9 可知，無水泥攪拌樁工況下角樁軸力增量最大值約為3.87×104kN，有水泥攪拌樁工況下角樁軸力增量最大值約為1.85×104kN。對比可知，有水泥攪拌樁工況下比無水泥攪拌樁工況下的角樁軸力增量約小50 %。因此可以判斷水泥攪拌樁可以有效減小真空預壓期間導標基樁的軸力增加幅度。

圖9 角樁軸力增量圖

2.3 基樁沉降

無水泥攪拌樁工況下的基樁沉降云圖見圖10，有水泥攪拌樁工況下的基樁沉降云圖見圖11，兩種工況沉降數據對比見表3。

圖10 無水泥攪拌樁基樁沉降云圖

圖11 有水泥攪拌樁基樁沉降云圖

表3 兩種工況基樁沉降對比表

由表3 可知，受導標四周真空預壓對承臺下部土體沉降的疊加作用影響，兩種工況下角樁的沉降值最大，邊樁次之，內樁最小。有水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值約為25.7 mm，無水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值為56.2 mm，前者比后者小約54.3 %。因此水泥攪拌樁可以有效減小真空預壓期間導標基樁的沉降。

3 結語

1）有水泥攪拌樁工況下比無水泥攪拌樁工況下的角樁軸力增量約小50 %，表明水泥攪拌樁可以有效減小真空預壓期間導標基樁的軸力增加幅度。

2）有水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值比無水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值小約54.3%，表明水泥攪拌樁可以有效減小真空預壓期間導標基樁的沉降。

3）真空預壓軟基處理項目中水泥攪拌樁對已有建筑物具有較好的保護作用，與傳統真空預壓時預留安全距離與預壓后換填處理建筑物周邊軟土的工藝相比，無需后續換填處理環節，可以節省工期。