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浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 摘要 水利工程中传统的基坑开挖往往采用放坡大开挖的方式，占空间很大，而且受 施工、气候和地形等外界因素的影响较大。对于某些受外界因素影响而无法采用 放坡大开挖方式的基坑可采用水泥搅拌桩支护。水泥搅拌桩由于具有造价相对较 低，节约钢材，且止水挡土效果好等优点，在基坑支护工程中广泛应用。 本文首先介绍了有关基坑工程的发展状况，并对基坑工程的内容、特点，常用 的围护结构形式及其选择，基坑工程的设计、施工和深基坑支护设计的区域性特 征作了简单的阐述。同时，对深层水泥土搅拌桩的发展状况、分类、适用性作了 简单分析，并进一步深入讨论了水泥土重力式挡墙的相关内容。以浙江省温州市 戍浦江河口大闸工程为背景，对水泥搅拌桩支护方案的设计进行了研究，采用有 限元法对水泥搅拌桩支护结构的变形、内力及周围土体的土压力和土体位移的变 化规律进行理论研究，讨论了基坑开挖深度、桩插入比( 入土深度与基坑深度比 值d h ) 、水泥搅拌桩支护墙宽度以及抗剪强度指标取值和翼墙桩基对支护结构的 影响。通过理论计算与原位测试数据的对比，总结出有关动态设计、信息施工、 监测等一系列成熟的经验，不仅达到修正和完善现有工程设计的目的，还为今后 类似工程的设计提供的参考。 关键词：水利工程；基坑支护；水泥搅拌桩；有限元法 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 t h e a p p f i c a f i o no fc e m e n td e e pm i x i n gp i l ei nh y d r a u l i c f o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f h y d r a u l i cf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi ss l o p ee x c a v a t i o n , w h i c hu s u a l l yo c c u p i e sl a r g ea r e aa n dh a sm a n yi n f l u e n tf a c t o r ss u c ha sc o n s t r u c t i o n , c l i m a t i cc o n d i t i o na n dl a n df o r ma n ds oo n s o m ep r o j e c t si n f l u e n c e db yt h e s ef a c t o r s 啪a d o p t t h ec e m e n td e 印m i x i n gp i l eo fd e e pe x c a v a t i o ni nh y d r a u l i cf o u n d a t i o np i t e n g i n e e r i n g t h ec e m e n td e 印m i x i n gp i l ei sa f o r mo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ei n t e n s i v e l y u s i n gi nh y d r a u l i ce n g i n e e r i n gd u et ot h em e r i t so f t h el o wc o s t , s a v i n go fr o l l e ds t e e l ， g o o de f f e c to i lt h ea n t i s e e p a g e a tf i r s t , t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c sa n dd e v e l o p m e n to ff o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gf i r e i n t r o d u c e da n du s u a la n a l y s i st h e o r yi nd e s i g na r ev i e w e di nt h i sp a p e r t h e nt h ep r o j e c t o fc e m e n td e e pm i x i n gp i l ei nf o u n d a t i o np i ts h o r i n ga r ；es t u d i e di nd e t a i lb a s e do nt h e g a t eo fs h u o p ur i v e r mw e n z h o u o fz h e j i a n gp r o v i n c e t h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r s o ft h es o i l si so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ei na n a l y s i sa n dc a l c u l a i o n , s ot h ec h o o s eo f s t q g mp a r a m e r sb a s e d0 1 1d i f f e r e n ts t a n d a r do rc o d i n gi se s p e c i a l l yd i s c u s s e d i n a d d t i o n s ，t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sa d o p e t e dt oc o m p u t et h ed e f o r m a i o n ，s 协b i i i t y a t t h es 蛐e t i m e t h e i n f l u e n e eo f e x c a v a t i o n d e p t h ，p i l e l e n g t h , w i d t h o f r e t a i n i n g w a l l a n d t h ee x s i t i n gp i l eu n d e rt h ew i n gw a l lo nt h eb e h a v i o u ro f t h ef o u n d a t i o np i ts u p p o r ta r e d i s c u s s e d f i n a l l ya c c o r d i n g t ot h e e o m p a r i s i o nb c t w e e l lt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s a n d m e a s u r e m e n ti nf i e l d , t h ei n f o r m a t i o n a lc o n s t r u c t i o ni sa p p l i e dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n a n dto m eu s e f u lc o n c l u s i o na r em a d e t h ed e s i g ni d e a sa n dt e c h n o l o g ym a n a g e m e n t c 姐b eh e t p 触t oo t h e rs i m i l a rp r o j e c t si i ih y d r a u l i cf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ；f o u n d a t i o n 幽c e m e md e e pm j ) d j 唱p i l e ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d i i 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 第一章绪言 我国沿海地区的水利工程很多，施工工期的安排( 抢非汛期) ，软土地基的特 殊性，使建筑物的造价和施工难度增加，随着我国经济建设迅猛发展，寸土寸金 的现象日渐突出，要在有限的地形条件下，保证工程的顺利实施，深基坑支护技 术逐渐显示其快速、高效的优点。 深基坑支护是一门理论性和实践性都很强的技术，水利工程在深层淤泥地基的 基坑支护设计，与建筑基坑支护有所不同，基坑面积大，基础条件恶劣( 受台风、 汛期影响较大) ，工程施工存在临时性、复杂性和随机性。本课题，意在通过工 程实践验证理论计算，对比原位测试数据，进而总结出有关动态设计、信息施工、 监测等一系列经验，为以后类似工程的设计提供有价值的参考数据。 1 1 深基坑技术现状和特点 1 1 1 深基坑技术现状 深基坑设计与施工是士力学基础工程中的一个古老的传统课题，同时又是一个 综合性的岩土工程难题。它既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同时 还涉及土与支护结构的共同作用问题。对这些问题的认识及其对策的研究，是随 着土力学理论、测试技术、计算技术以及施工机械、施工技术的发展而进步完善 的【1 】 2 1 3 1 。 。 t e r z a g h i 和p e e k 等人早在2 0 世纪4 0 年代就提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载 大小的总应力法【4 1 ，这一理论原理一直沿用至今，但已有了许多改进与修正。e i d e 在5 0 年代给出了分析深基坑底板隆起的方法。6 0 年代在奥斯陆和墨西哥城软粘土 深基坑中开始使用仪器进行监测，此后大量实测资料提高了预测的准确性，并从 7 0 年代起，制订了相应的指导开挖的规范。我国7 0 年代以前的基坑都比较浅，上 海的高层建筑的地下室大多埋深在4 m 左右。北京在7 0 年代初建成了深2 0 m 的地下 铁道区间车站。8 0 年代后，北京、上海、广东、天津以及其他城市施工的深基坑 陆续增加。为总结各地积累的深基坑设计和施工的经验，中国土木工程学会和中 国建筑学会的土力学和基础工程学会，相继召开过多次全国和地方的深基坑学术 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 会议，并出版有关论文集。为了总结我国深基坑支护设计与施工经验，9 0 年代后 相继在武汉市、广东省及上海市等编制了深基坑支护设计与施工的有关法规，并 已编制了国家行业标准的有关法规。 基坑围护方案设计着眼于可行方案的筛选与优化。一般来说，按如下思路对围 护方案进行设计：从经济的原则出发，如果基坑深度不大，而环境条件又许可时， 设计者应首先考虑放坡开挖；如果条件受到某些限制，也可以采用局部放坡和部 分放坡；如果没有条件实施放坡开挖，那就需要考虑对边坡进行支挡。对于深度 较浅的基坑，条件许可时，对基坑周围土体本身进行加固处理一般采用水泥搅拌 桩( 形成重力式挡墙，是一种比较经济的支档方案。当没有条件实施放坡开挖，也 不易采用重力式挡墙时，则须考虑板桩支挡。板桩支挡按其支撑方式，分为悬臂 式板桩支挡和支撑式板桩支挡。悬臂式板桩支挡的优点是无需构筑与拆除支撑结 构，同时为土方作业提供比较自由的操作空间。当基坑较浅或被动区土层性质较 好时，悬臂式板桩支挡方案是比较合理的。如果悬臂式支档不妥，则须考虑支撑 式板桩支挡方案。设计者在设计时应根据各具体情况，通过综合分析比较来确定 支撑结构的平面布置形式。除了上述支护方式外，还有其它一些支护方式，如土 钉墙、沉井以及“逆作法”等，也可加以考虑。在粉土、砂土或杂填土场地，采 用土钉墙支护加井点降水，具有良好的经济效果。由于土钉墙支护作业与土方作 业同时进行，还可以显著缩短工期。当周围环境需要保护而坑外不能降水时，宜 考虑止水帷幕的措施。目前，形成止水帷幕的主要方法是采用水泥搅拌桩、旋喷 桩等处理坑周围以及下部土，使之成为渗透系数极小的止水帷幕。由于水泥搅拌 桩造价相对低些，所以应用较多；当水泥搅拌桩成桩困难或场地条件受到限制时， 则可考虑旋喷桩或高压注浆。 1 1 2 基坑工程的特点 在城市周边兴建水利工程，对深基坑开挖提出了更高更严的要求，即不仅要保 证基坑稳定，还要满足变形控制的要求，以确保基坑周围原有建筑物、构筑物、 地下管线及道路等的安全。 基坑工程的实践性很强，具有以下特点【5 】【6 】： 1 ) 基坑工程安全储备较小 基坑围护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性一般情况下，基 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 坑围护是临时措施，主体施工完成时围护体系即完成任务。与永久结构相比临时 结构的安全储备要求要小一些。基坑围护体系安全储备较小，因此具有较大的风 险性。基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中一旦出 现险情，需要及时抢救。 2 ) 基坑工程具有很强的区域性 岩土工程区域性强，岩土工程之中的基坑工程区域性更强。如软粘土地基、砂 土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中基坑工程差异很大。 同一城市不同区域也有差异。基坑工程的围护体系设计与施工及土方开挖都要因 地制宣，根据本地情况进行，外地的经验可以借鉴，但不能简单搬用。 3 ) 基坑工程具有很强的个性 基坑工程的围护体系设计，施工和土方开挖不仅与工程地质和水文地质条件有 关，还与基坑相邻建筑物、构筑物及地下管线的位置、抵御变形能力、重要性， 以及周围场地条件等有关。有时保护相邻建( 构) 筑物和市政设施的安全是基坑 工程设计和施工的关键。这就决定了基坑工程具有很强的个性。因此，对基坑工 程进行分类，对围护结构允许变形规定统一标准都是比较困难的。 4 ) 基坑工程综合性强 基坑工程涉及土力学中稳定、变形和渗流三个基本课题，根据不同的具体情况 分别重点考虑，如软土中开挖深度较大的基坑，基坑周围有、无重要的建筑物、 道路和管线，应重点考虑边坡稳定问题。当土质条件较好、坑底在地下水位以上， 距离基坑边缘有重要的建筑物、道路或地下管线时，这时对变形的控制成为主要 的考虑因素。 5 ) 土压力特点 基坑围护结构都要承受土压力的作用。作用在挡土结构上的压力是与挡土结 构的位移有关的。基坑围护结构承受的土压力一般介于主动土压力和被动土压力 之间。 目前土压力理论还很不完善，静止土压力按经验确定或按半经验公式计算；主 动土压力和被动土压力按库仑( 1 7 7 6 ) 土压力和朗肯( 1 8 5 7 ) 土压力理论计算， 这些都出现在t e r z a g h i 有效应力原理问世之前。在不考虑地下水对土压力的影响 时，是采用水土压力分算，还是采用水土压力合算较符合实际情况，在学术界和 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 工程界认识还不一致。各地限定的技术规范中规定也有差异。 另外，土具有蠕变性，作用在围护体系上的土压力还与作用时间有关。 6 ) 基坑工程具有较强的时空效应 基坑的深度和平面形状对基坑围护体系的稳定性和变形有较大的影响，在基坑 围护体系设计中要注意基坑工程的空间效应。土体是蠕变体，特别是软粘土，具 有较强的蠕变性。作用在围护结构的士压力随时间变大，蠕变将使土体强度降低， 将使土坡稳定性变小。基坑工程具有很强的时间效应。 7 ) 基坑工程是系统工程 基坑工程主要包括围护体系设计和土方开挖两部分。土方开挖的施工组织是否 合理将对围护体系是否成功产生重要影响。不合理的土方开挖方式、步骤和速度 可能导致主体结构桩基交位，围护结构过大的变形，甚至引起围护体系失稳导致 破坏。基坑工程是系统工程，在施工过程中应加强监测，力求实行信息化施工。 8 ) 基坑工程的环境效应 基坑开挖势必引起周围地基中地下水位的变化及应力场的改变，导致周围地基 土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及地下管线产生影响。影响严重的将危及相 邻建筑物、构筑物及地下管线的安全和正常使用。大量土方的堆放也将对周围环 境产生影响。因此基坑工程的环境效应应给与重视。 1 2 深基坑支护的分类 深基坑支护工程是一种特殊的工程构筑物，它具有复杂性、可变性和临时性的 特点。无论采用何种支护结构，对支护结构的强度、嵌入深度、支护受力及构造 都必须进行设计和详细计算，一定要做到结构可靠、经济合理、确保安全。 早期，基坑工程中的围护结构用的是木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地下连续 墙、钢板桩以及通过地基处理方法采用水泥土挡墙、土钉墙等。钢筋混凝土桩设 置方法有钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。 支护形式分可为加固型支护和支挡型支护两大类f 7 1 【8 l 。 1 2 1 支挡型支护 支挡型支护目前常用的有钢板桩支护、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙支护、带 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 有内支撑桩排支护等几种型式，而这些支护系统中，往往辅以止水防渗、支撑拉 锚、降水排水、挖土卸载等技术措施，使支护方案达到最优效果。 基坑实际开挖深度如在7 米以内，一般选悬臂支挡型式。桩长根据地质情况正 确进行土压力计算后，确定深入坑底深度，并辅以搅拌桩止水，在坑顶处沿基坑 排桩顶部设置压顶梁锁口，以加强桩排和围护结构的整体性和刚度，增加桩身的 抗弯强度。 钢板桩支护由于施工速度快，可重复使用适用于5 1 0 米的基坑。拉森式( u ) 型有一定挡水作用，还可采用1 5 6 型工字钢，间距8 0 l o o c m ，长1 4 米，中间加设挡 板，上部采用1 3 6 封闭，并铺以角撑或拉锚，外部用巾6 0 0 ，长1 4 米搅拌桩阻水，基 坑内采用井点或管井式降水。 钻孔灌注桩挡墙常用者由5 0 0 1 0 0 0 m m ，计算确定，做成排桩挡墙，顶部浇筑 砼圈梁，它具有刚度较大、抗弯能力强、变形相对较小，已有7 8 米悬臂者，经济 效益好，桩之间留有1 0 0 2 0 0 m m 的间隙，挡水效果差，可与深层搅拌水泥桩组合 使用。钻孔灌注桩用做支护桩时，按钢筋砼正截面受弯构件计算配筋。 地下连续墙作为深基坑的主要支护结构之一，常用厚度为6 0 0 - - 8 0 0 m m 。地下 连续墙集挡土、截水、防渗和承力于一体。是一种很有前途的基坑支护方式，但 需专用机具设备，机械化程度高，造价比较高，它的采用宜与内衬层结合后做为 结构物外墙使用。 以上几种支护结构施工时对周围环境影响小，对土层条件适用性强，墙体抗弯 刚度、防渗性能和整体性均较好，但其造价均比较高。 1 2 2 加固型支护 加固型支护多采用深层水泥搅拌桩，既可挡土又可形成隔水帷幕，目前已用于 8 米深的基坑，它特别适用于软土地基。深层搅拌水泥搅拌桩支护挡墙，按重力式 挡土墙设计。要验算基坑滑动稳定性、抗倾覆稳定性和墙身应力等。 挡土墙宽度和插入深度应根据地质资料，通过计算基坑侧壁土压力作用下保持 平衡，并应满足抗倾覆、抗隆起、抗滑移和基坑整体稳定性而确定。根据国内现 有设备，目前最大支档高度约为9 m ，个别工程达1 4 m ，而常用的支档高度为4 7 m ： 一般情况下，对于8 m 以内的基坑可采用4 6 排咖6 0 0 米水泥搅拌桩，排列一起互相 搭接、重叠l o 1 5 c m 具有较大厚度的重力式挡土墙。当支档高度较小或工程量较 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 小时，可能不经济。 为了克服搅拌桩抗弯刚度小的弱点，可在桩内插筋，以提高桩体的抗弯、抗剪 性能和整体剐度。水泥搅拌桩水泥参量一般为1 5 左右。水泥搅拌桩具有施工工期 较短，它既可挡土亦可防水，而且造价低廉。 1 3 软土地基支护工程特性 1 3 1 软土的特性 软土，是一种简称，主要是有细粒土组成，它表明就地基土的总体而言是软弱 的。岩土工程勘察规范( g b5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) 规定，天然孔隙比大于或等于1 0 ， 且天然含水量大于液限的细粒土为软土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭和泥炭质土 等【们0 0 。 建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 规定，淤泥为静水或缓慢地流 水环境中沉积，并经生物化学作用形成，是天然含水量大于液限、天然孔隙比大 于或等于1 5 的粘性土。当天然含水量大于液限、天然孔隙比小于1 5 但大于或等于 1 0 的粘性土或粉土为淤泥质土 软土属海水入侵期的产物，表现为静水沉积环境为主，形成的环境有浅海相、 滨岸相、泻湖相和河口相，沉积物主要呈青灰色、灰色、深灰色，具水平微层理 或鳞片状构造，常夹含有粉细砂、贝壳或泥炭。 海相沉积的淤泥及淤泥质土，属高压缩性及低强度的软土【1 1 】。我省以淤泥及 淤泥质土为主的软土地基，根据其土体强度，总的趋势是，浙北的杭嘉湖地区分 布的软土多以淤泥质土为主，即使有淤泥层分布，其厚度也较薄，地基的工程地 质条件相对较好，而浙南温州湾一带软土，则以深厚的淤泥层为主，工程地质条 件最差，温州地区沿海滨海区广泛分布有淤泥，淤泥质粘土，厚度一般大于3 0 m 。 河口区多有中粗砂，粉土组成，并发育有贝壳砂埂，厚2 0 4 5 m 。淤泥、淤泥质土 含水量高，一般为4 0 6 0 ，局部7 0 8 0 ，属高压缩性，低强度，微透水性软土。 从软土中的含水量的变化范围也可反映出软土的强度变化情况，杭嘉湖地区软 土的含水量w = 3 4 4 9 ；宁波滨海区w = 4 0 4 5 ；舟山海岛区w ；4 5 5 5 ；三门 湾一台州湾一带w = 4 5 6 5 ；温州湾以南w = 5 5 7 0 。 温州软土的工程地质性能极差，多呈流塑状，部分为软塑状，具高孔隙比，高 6 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 压缩性、低强度和高灵敏度等特殊性质，主要有以下工程特性。 1 ) 高孔隙比 天然软土的孔隙比往往要比同一垂直压力下的重塑土的孔隙比高出o 2 加4 ，试 验室土样的孔隙比可达到1 9 左右。软粘土的这一特点与其缓慢沉积过程中颗粒接 触点形成一定的胶结从而阻止其迸一步压密有关。 2 ) 高压缩性 天然软土压缩曲线的初始段是很平缓的，当压力超过某一屈服应力时出现陡降 段近( 如图1 - 1 ) 。 自重应力：8 2 9 k p a 、 、 y 自重应力：1 5 4 k p a 、 自t 应力：lt 6 7 k p a 、l 、 、 图卜1 温州软土的压缩曲线 7 2 8 6 4 2 l 曩盛幂 5 i 3 2 l 1 ；l l 君量帚 6 4 3 2 l l i i l 丑t 最 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 可以看到土样在e - l o g p l $ 线上的初始段是很平缓的，当过了某一个压力以后， 就出现一个陡降段，在过了一段压力区之后，土样压缩曲线斜率呈现出从突变到 渐变的压缩特性。压缩系数大很大，由图可以看出，大部分压缩变形在竖向压力 为l o o k l a 左右。 3 ) 低强度和低透水性 天然软土的不排水抗剪强度一般在2 0 k p a 以下。 其透水性能弱，一般竖向渗透系数在i x ( 1 0 4 1 0 - 6 ) e m s 之间，对地基排水 固结不利；在加载初期，地基中常出现较高的孔隙水压力，影响地基沉降，使建 筑物沉降的延续时间很长。 4 ) 高灵敏度 高灵敏度体现在软土的触变性。当原状软土受到振动后，土结构的连接被破坏， 强度降低或很快地使软土变成稀释状态，易产生侧向滑动、沉降和基底面侧向挤 出现象。 1 3 2 确定软土地基支护结构的基本原则 软土具有强度低、压缩性大、透水性小；受荷载后变形大，加之蠕变和应力松 弛等特性，以及容易出现坑底隆起等现象。因此，深基坑开挖中，周围土体变形 式不容忽视的问题，在设计与施工中须充分考虑软土的特性。 确定软土地基支护结构类型的基本原则1 0 1 1 l l 如下： 1 ) 从总体上考虑，必须从基坑各部位的具体情况出发，根据基坑周边场地条 件和地质条件接近或不同的情况，采用同一或多种支护结构类型。 2 ) 从场地条件考虑，如基坑周围场地较为开阔，则可采用上段放坡开挖，下 段采用深层搅拌水泥桩墙或高压旋喷桩墙等；如基坑周围施工宽度狭小并且邻近 建筑物需要保护时，则必须按照被保护建筑物的重要性与安全等级标准，采用能 够相应控制地面位移与沉降的挡土支护结构类型。 3 ) 从基坑开挖的深度和范围考虑，开挖深度较小时，可采用悬臂式挡土支护 结构；开挖深度较大时，可视情况采用单支点或多支点挡土支护结构；开挖范围 较小时，可采用内撑形支点；开挖范围较大时，可采用单层或多层锚杆。 4 ) 从土层地质条件考虑，土质较好的情况可采用土层锚杆或排桩等类型；土 质较差的情况，则可采用深层搅拌水泥桩墙。 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 由于沉积环境的不同，各地区软土的工程特性差异较大，应根据地区特点，因 地制宜选择支护结构型式。 1 4 水泥搅拌桩支护结构的应用及研究现状 美国在二战后最早研制了水泥搅拌桩，5 0 年代引入日本，我国1 9 7 8 年由冶金 部建筑研究总院和交通部水运规划设计院研制了国内第一台s j b 1 型双轴搅拌 机。之后，在搅拌机械、搅拌技术、搅拌桩的深度、直径都有了迅速的发展。目 前，国外搅拌桩一次成桩直径达2 m ，桩长达到6 0 m ；国内桩长最大深度1 5 1 8 m 。 最初，水泥土应用于加固软土【5 】【1 4 1 ，构成复合地基；随着国内高层建筑和地 下设施大量兴建，8 0 年代末，水泥土搅拌桩开始在基坑支护工程中应用，并从开 始单一的重力式挡墙结构发展为水泥土搅拌桩与土锚、土钉组合支护结构。在软 土中基坑开挖深度也到达了6 7 m ，取得了较好的经济、社会效益。 搅拌桩挡土结构与其它支护体系相比具有以下优点5 】1 1 2 ： 1 ) 利用了原地基土的自重： 2 ) 同一墙体可设计成柱状、壁状、格栅状，而且可以设计为变截面、变深度、 变强度，对持力层要求较低；桩间距可密可疏，还可以插筋，可以承受一定的横 向荷载； 3 ) 隔水防渗性能良好，基坑内外可以有水位差； 4 ) 类重力式挡墙，基坑开挖时一般不需要支撑拉锚，坑外不需要井点降水； 5 ) 可以添加多种添加剂满足不同需求，施工速度快，有利于缩短综合工期。 搅拌桩在我国应用的头十年中，其主要用途是加固软土，构成复合地基以支撑 建筑物或结构物。将搅拌桩应用于基坑工程，虽在其发展初期已有成功的实例， 但大量应用则是在9 0 年代初随着我国高层建筑和地下设施大量兴建而迅速兴起 的，其中尤其在上海及沿海各地最多。与此同时，在设计中利用弹塑性有限元分 析、土工离心模拟试验等方法，结合基坑开挖现场监测，对搅拌桩挡墙的稳定和 变形特性进行了深入研究。一些新的水泥土结构形式，例如竹筋水泥土搅拌桩、 拱形水泥土挡墙、水泥土遮帘桩等脱颖而出。 随着改革开放政策的深化和经济建设的发展，我国的搅拌桩技术将适应国情特 点，不断登上新的台阶。 9 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 1 5 本文的主要研究工作 1 5 1 问题的提出 水利工程传统的基坑开挖，基本采用放坡大开挖的方式，这一方式，所占空间 很大，而且受施工、气候等外界因素的影响较大。随着我国城镇建设的加快，土 地的稀缺，对工程提出了更高的要求。 软土地基力学指标差，根据施工现场实际情况，施工进度安排中无法避免在汛 期雨季开挖施工，在此条件下施工，地质建议的临时开挖坡比( 如1 ：4 ) ，可能 已无法满足边坡整体稳定的要求。临时放坡开挖，还可能对工程桩产生滑动作用， 存在一定的风险，万一出现滑坡现象，对永久工程桩不利。必须采取其他措施， 保证永久工程桩及其上部永久工程的安全。 水泥搅拌桩法常被应用于基坑支护工程中，其机理是基于水泥对基坑周围土的 加固，形成一定厚度的重力墙，达到挡土的目的。设计参数的确定，对具体工程 而言并不是唯一的。如何在了解工程地质构造和各类土的物理力学特性的基础上， 设计出在符合规范规定的安全系数的情况下最优方案，将具有重大的工程意义和 显著的经济效益。 支护结构的变形是基坑开挖过程中支护结构与土相互作用的直观反映，水泥搅 拌桩应用技术应用已经很成熟，但目前，对于水泥搅拌桩支护支护结构的变形研 究不多，实践已远远超过了理论的发展。对于水泥搅拌桩支护支护结构对位移采 取有效的控制措施，目前采用比较有效的措施之一就是在桩顶设置钢筋砼压顶( 厚 1 5 0 3 0 0m m ) ，在水泥土中插入毛竹或钢筋，毛竹或钢筋与砼压顶中的钢筋网联 结。但这种措施的实际效果和对位移的影响则很少有人进行评价，是否可以在位 移计算中计入砼压顶的弹性支撑效应，还有待于理论分析和确认。如何根据支护 周围土体参数和支护结构的相关参数，事先预测支护结构的变形量，将最不利情 况的预测值作为控制支护结构变形的警戒值，将对保证基坑安全施工具有重要的 意义。 1 5 2 本文主要研究内容 鉴于以上原因，本文以在建浙江省温州市戍浦江河1 ：3 大闸工程【1 3 】为依托，对 水泥搅拌桩支护结构在水利工程基坑中的应用进行较深入的研究，讨论了基坑开 1 0 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 挖深度、桩插入比( 入土深度与基坑深度比值d h ) 、挡墙宽度、指标取值等因素 对支护结构的影响，以期加深前期经验，积累资料成果，指导工程实践，达到修 正和完善现有工程设计的目的，使此类基坑支护形式，今后能在类似工程中得到 更好地推广和应用。本文开展了以下几个方面的研究工作，主要内容有： i ) 地基土抗剪指标的选用分析 地基土的工程性质对周围地层移动的影响极为明显。影响土体变形模量及土体 的强度指标( 粘聚力c 和内摩擦角9 ) ，随着弹性模量e 取值的不同，土体的变形 出现很大的差异。土体的粘聚力c 对土体变形的影响很小，但随着内摩擦角妒的减 小，土体的位移将会明显增大。 研究土体强度等参数对支护结构的影响，主要是抗剪强度c 、p 的取值问题。 抗剪强度指标的测定方法有总应力法和有效应办法，前者采用总应力c 、妒值和天 然重度t ( 或饱和容量) 计算土压力，并认为水压力包括在内，后者采用有效应力c 、 矿及浮容量y 计算土压力，另解水压力，即是水土分算。总应办法应用方便，适用 于不透水或弱透水的粘土层。 在支护设计中，采用何种地质指标，对于工程造价，有很大的影响。采用不同 的地质指标，所选用的安全系数选用的分析。意在选用合适的指标，更好的指导 设计。 2 ) 水泥搅拌桩支护的结构特性研究 研究支护桩长度、桩径以及挡墙宽度和入土深度等参数对水泥搅拌桩支护结构 的影响；目的在于探索经济合理地确定搅拌法桩支护的技术方案，研究支护桩水 平位移的大小与变形的关系；桩入土深度与基坑深度的比值( 即插入比d h ) 的变 化对支护体系的位移、基坑底部的回弹及地表沉降的影响；从而为设计、计算和 掩工提供可靠的参数。 3 ) 水泥搅拌桩支护砼压顶的弹性支撑效应研究。 采用桩顶砼压项可以加强水泥搅拌桩支护的联系，有效控制和改善挡墙结构的 内力和变形。实践证明，采用砼压顶，可以有效地减少和控制挡墙的桩顶水平位 移，因此在分析和计算挡土桩的位移时，可以考虑砼压顶的支撑效应。 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 第二章水泥搅拌桩支护稳定性分析理论 水泥搅拌桩支护桩具有加固土体的作用，在基坑周围采用水泥搅拌桩支护桩加 固后的土体形成具有一定厚度的墙体而作为重力式挡墙用于支挡基坑周围的土 体。我国建筑地基处理技术规范( j g j 7 9 _ 呻1 ) 规定，搅拌桩采用壁状加固用 于地下临时挡土结构时可按重力式挡土墙设计。 2 1 基坑支护重力式挡墙受力特性 深基坑支护是近些年来才发展起来的工程运用学科，新的完善的支护结构上的 土压力理论还没有正式提出，要精确地加以确定是不可能的。而且由于土的土质 比较复杂，土压力的计算还与支护结构的刚度和施工方法等有关，要精确地确定 也是比较困难的。目前，土压力【”1 的计算，仍然是简化后按库仑公式或朗肯公式 进行。 图2 1 重力式挡墙计算简图 与一般边坡不同，基坑支护结构的水泥土墙要求嵌入开挖面以下一定深度。作 用于支护结构的土压力和水压力对砂性土宜按水土分算的原则计算对粘性土宜按 水土合算的原则计算，也可按地区经验确定主动土压力被动土压力可采用库仑或 朗肯土压力理论计算，当对支护结构水平位移有严格限制时，应采用静止土压力 计算。 1 2 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 当按变形控制原则设计支护结构时作用在支护结构的计算土压力可按支护结 构与土体的相互作用原理确定也可按地区经验确定。常用的公式为嘲【1 5 】： 主动土压力： 瓦= j l 坪- 2 曙2 ( 4 s 。一詈) 一2 呱( 4 s 。一詈) + 等( 2 1 - 1 ) 式中： 如一主动土压力( i ( 】田5 ) 一土的容重，采用加权平均值； 陋 当土桩长； 妒一土的内摩擦角( o ) ； c 一土的内聚力低n ) 。 被动土压力： 髟= 三声2 t g ：( 4 s 。+ 詈 c 国 式中： 易被动土压力删) ； 卜挡土桩的入土深度( m ) 。 2 2 整体稳定理论 水泥土墙的插入深度应满足整体稳定性。整体稳定验算采用圆弧稳定计算安全 系数，常用的有瑞典条分法、简化b i s h o p 法1 0 i1 1 司等。 2 2 1 瑞典条分法 2 2 1 1 总应力法 整体稳定验算按式( 2 2 - 1 ) 简单条分法计算： k z ：坐姜鲣竺塑竺：竺丝 ( 吼岛+ w , ) s i n a ， 式中，6 第i 条沿滑弧面的弧长，i i l ，z ，= b f c o s u ； 矾第涤土条处的地面荷载，k n m ； b l 一第i 条土条宽度，n l ； 浙扛大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 f 件一第i 条土条重量，k n 。不计渗透力时，坑底地下水位以上取天然重度， 坑底地下水位以下取浮重度；当计入渗透力作用时，坑底地下水位至墙后地下水 位范围内的土体重度在计算滑动力矩( 分母) 时取饱和重度、在计算抗滑力矩( 分 子) 时取浮重度。 第i 条滑弧中点的切线和水平线的夹角，( o ) ； q ，仍一分别表示第涤土条滑动面上土的粘聚力a ) 和内摩擦角( 。) ；采用总应力 指标。 k z 整体稳定安全系数，一般取1 2 1 5 。 以条分法所得的稳定系数往往偏低，可能偏于保守。 2 2 1 2 有效应力法 取滑面至坡面范围内土体骨架作为隔离体进行分析计算： 吼+ 【( 9 6 j + w i ) e o s c a 叫f f k 】 ( q b j + w , ) s i n a , 一窆i = 1l c z + 岛( g + 晚+ 。凡去t d 4 # 。t 7 i ) 喀科l i 窆1 = 1 ( g + 以，+ 九。) ts i n 只 ( 2 2 - 2 ) ( 2 2 - 3 ) 式中，1 , 1 ，、h z ，第i 条土条水上与水下的垂直高度，m 5 嘶一土条i 底部的孔隙水压力，1 l i 邓mj ，丫w 为水的容重。 c ；科分别表示第f 条土条滑动面上土的粘聚力( k p a ) 和内摩擦角，( 。) ； 采用有效应力指标。 其它符号意义同前。 2 2 2 简化b i s h o p 法 此法考虑土条间的侧向力。但为了简化计算，可认为土条两侧的侧向力的作用 相互抵消。条分法在公式推导中未考虑静力平衡条件，而简化b i s h o p 法则考虑了土 条的静力平衡条件。 浙江大学硕士学位论文 水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 2 2 2 1 总应力法 匕! 亟竺! ! 竺! 堕丝】 ， 卟s i n a _ , t g q 吼0 0 $ k “1 a + = - - - - - ：! ( 她+ 形) s i n q ( 2 2 - 4 ) 式中凡为整个滑体剩余下滑力计算的安全系数，需用试算法得出。其余各符号含 义同上。 2 。2 2 2 有效应力法 一扩卅f6f)瞄磷峨+竽k z2 i 二l 一 ( q b l + w 。) s i n a ， 式中各符号含义同上。 2 2 3 抗剪强度参数的选用 在整体稳定分析计算中，抗剪强度值( 粘聚力c 和内摩擦角伊) 的取值，直接 影响计算结果【l o 】。抗剪强度值分总应力法和有效应力法来确定。 总应力法依据不排水剪切强度进行分析，采用直剪仪快剪或三轴仪不排水剪得 出实验数据，给出抗剪强度包线，得出强度指标。不排水剪切强度指标，通常用 于确定施工期间或期末的稳定性。 有效应力法依据排水剪切强度进行分析，采用直剪仪慢剪或三轴仪排水剪得出 实验数据，给出抗剪强度包线，得出强度指标。排水剪切强度指标，通常用于确 定运用期的稳定性。 有效应力法与总应力法的主要区别是前者需要知道孔隙水压力，而后者不需 要。不同情况下抗剪强度指标的测定和应用参见表2 1 。 浙江大学硕士学位论文 水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 表2 1抗剪强度指标的测定和应用 控制稳定强度计 土类 使用强度试样起 的时期算方法仪器 试验方法与代号 指标始状态 无粘性土 直剪仪慢剪 有 三轴仪排水剪( s 或c d ) 效 饱和度 直剪仪慢剪 填土用 施 应 粘 小于 三轴仪 不排水剪测孔隙压 c ， 填筑含 力 性 力( q 或u u ) 9 水量和 工法 土 饱和度 直剪仪慢剪 填筑密 大于 三轴仪 固结不排水剪测孔 度的土， 期 隙压力( r 或c u ) 地基用 总应 粘 渗透系数 直剪仪快剪 原状土 性 1 0 - 。c m s g 、 力法任何渗透 钆 土三轴仪 不排水剪( q 或u u ) 系数 稳定渗流有效 无粘性土 直剪仪慢剪 c ， 期和水位应力 三轴仪排水剪( s 或c d ) p 同上，但 降落期法 粘性土直剪仪慢剪 要预先 水位降落总应 粘性土三轴仪 固结不排水剪测孔 c k 饱和 期力法隙压力( r 或c d ) 注：当试验方法为十字扳剪切试验时，需输入土层的抗剪强度及强度随深度增长系数历则地层中任意点的抗 剪强度为r 雷o + r a z , 进行整体稳定分析时，取内摩擦角为0 。牯聚力为f 进行计算 2 3 抗倾覆稳定 根据整体稳定得出的水泥土墙的h 、d 以及选取的b ，按重力式挡土墙验算墙 体绕前趾a 的抗倾覆稳定安全系数吼 d e p i d e e 2 b w k q2 面j 2 甄面3 j 丁2 kq h ) i 矛 ( 2 3 - 1 ) ( e 一。( 一z 。) 足。q 日2 一 一。j 一1 。一j 式中形水泥土挡墙的自重o ，w = y c 碱 托水泥土墙体的重度叭曲，根据自然土重度与水泥掺量确定，可取1 8 1 9 k n m 3 ： 酝抗倾覆安全系数，一般取1 3 1 5 。 2 4 抗隆起稳定 软土地基受荷载后变形大，加之蠕变和应力松弛等特性，以及容易出现坑底隆 起等现象。在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高( 图 1 6 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 a ) ；当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中部最大 转变为两边大中间小的形式( 图”，但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间大， 两边小分布【5 】1 1 9 m 】。 4 ，( 6 ) 图2 - 2 支护墙体竖向位移 墙前坑底经过加固的地基土隆起量有明显的减小，目前抗隆起稳定验算的方法 主要有：太沙基一泼克法、柯克( c a q u o t ) 和克里泽尔( k e r i s e l ) 法、同时考虑巾，c 的 抗隆起计算方法以及上海基坑规程推荐的抗隆起稳定性计算法等【4 1 。 同济大学汪炳鉴的建议公式： k l ；( y l x d 7 。n q = + t c 。n c ) ( 2 4 - 1 ) 5 孤瓦面百一 式中： d 一桩( 墙) 的入土深度o h - - 基坑的开挖深度： 口一未开挖侧顶面地面超荷； y l 基坑底面到桩( 墙) 底面处土层的加权平均重度( k n m s ) ；地下水位以上取 土的天然重度 ，m 3 ) ；地下水位以下取土的浮重度( 娴，m 3 ) ； ，1 2 桩( 墙) 顶面到桩( 墙) 底面处土层的加权平均重度o d 叭n 3 ) ；地下水位以上 取土的天然重度( k n m 3 ) ，地下水位以下取土的浮重度o d n m 3 ) ，n q , n 广地基极限 承载力的计算系数。 虬= t a n 2 ( 4 5 。却2 ) e 咖； 肛= ( n q 一1 ) t a n p c ，妒一桩( 墙) 底面处土的粘聚力，内摩擦角。 2 5 变形计算 重力式支护结构的变形在设计中应引起足够重视，由于重力式支护结构的抗 1 7 浙江大学硕士学位论文水利工程中水泥搅拌桩支护结构的应用研究 倾覆稳定有赖于被动土压力的作用，而被动土压力的发挥是建立在挡土墙一定数 量位移变形的基础上的，因此，重力式支护结构发生一定的变形是必然的，设计 的目的是将该位移量控制在工程许可的范围内。 计算变形时，主动土压力、被动土压力采用了与常规式重力式挡墙的不同计算 方法，原因在于：常规设计时考虑的都是挡墙在破坏时的最不利情况( 墙前土压力 达到最大值一被动土压力；墙后土压力也达到最大值一主动土压力；墙底摩擦力 也到达最大值) 。而变形计算是考虑的是挡墙在正常工作状态下的变形情况【2 1 11 2 2 1 。 2 5 1 计算模型 水泥土墙的墙顶位移可用m 法计算i s 水泥土搅拌桩类重力式挡墙由于截面积大，一般认为挡墙为刚性体，在水、土 压力、地面荷载作用下，其变形主要是产生水平移动和转动。水泥搅拌桩重力式 挡墙墙顶变形水平位移为