水泥搅拌桩在河道水利工程软基处理中的应用

水泥搅拌桩在河道护岸边坡稳定处理的应用

摘要：水泥搅拌桩是加固饱和软土地基的一种成熟方法，它在现代河道护岸工程软土地基中提高其竖向承载力、水平抗剪切强度和内摩擦角的应用也非常的广泛，从某种意义上来看，水泥搅拌桩设计方案及施工技术质量控制，直接关系着整个河道护岸工程的质量。本文将以乐清湾港区北区河道工程软基处理为例，就水泥搅拌桩技术在提高河道护岸整体稳定的应用，谈一下自己的观点和认识，以供参考。

关键词：河道护岸工程；水泥搅拌桩；边坡稳定；应用；研究

1工程概述

1.1工程概况

本片河道整治涉及临港北河、前塘河、里岙河和高嵩河四条河道，均为新挖河道，河道总长5317m，其河道规模如表1所示。

区域河道规模

表1

河道名称

河道长度（m）

河道宽度（m）

河底高程（m）

后侧建基面高程（m）

临港北河

3290

60

-1.5

4.3

前塘河

480

50

-1.5

4.3

里岙河

635

50

-1.5

4.3

高嵩河

912

60

-1.5

4.3

1.2区域地质概况

本工程位于乐清市区东北沿海，拟建场地地基土在勘察深度内共有3个工程地质层，其中

=3\*GB3

③

细分为3个工程地质亚层，分别为：

=3\*GB3

③

-1淤泥质粘土、

=3\*GB3

③

-2淤泥、

=3\*GB3

③

-3淤泥，如表2所示。

土体强度表

表2

土层

编号

土层名称

快剪

固快

抗剪强度

C（kpa）

内摩擦角

φ（o）

抗剪强度

C（kpa）

内摩擦角

φ（o）

③-1

淤泥质粘土

12.0

3.5

12.4

10.2

③-2

淤泥

6.1

2.1

8.2

8.5

③-3

淤泥

9.1

3.2

11.7

10.5

1.3河道断面

墙顶高程取为2.2m，基础底板顶高程取为0.7m，基础外侧设宽度不小于4.0m的护脚平台,并以1：5.0边坡与设计河底高程-1.50m连接。后侧布置斜坡绿化带填高至4.3m。

图1河道标准断面

1.4河道护岸边坡稳定分析

图2挡墙非常运行工况整体稳定计算图

根据上述整体稳定计算图可知，挡墙后侧填土高程为4.3m，设计河底高程为-1.5m，河道断面的竖向落差为5.8m，其非常运行工况整体稳定不满足其规范规定的要求。其原因为河道断面竖向落差较大和挡墙以下淤泥质土层水平抗剪强度和内摩擦角较小，行之有效的方法为提高其土层的水平抗剪强度和内摩擦角。软土地基经过水泥搅拌桩加固形成的复合地基，其打设水泥搅拌桩范围内土层的水平抗剪强度和内摩擦角能得到有效的提高，提高其边坡整体稳定安全系数。

2水泥搅拌桩对工程地质勘察的要求

对拟采用水泥搅拌桩处理河道护岸边坡稳定的水利工程，除了一般的工程地质勘察要求外，还需要查明：

=1\*GB3

①

、护岸基础土层的层厚和物质组成，尤其是大块物质（如石块和树根等）的大小和含量；

=2\*GB3

②

、土的含水量：当搅拌桩水泥配比一样时，其内摩擦角和水平抗剪强度随土体的天然含水量的降低而增大；

=3\*GB3

③

、有机质含量：土体有机质含量较高会阻碍水泥水化反应，影响搅拌桩水泥土的内摩擦角和水平抗剪强度增长。故对有机质含量较高的填土和吹填土应予慎重考虑；

=4\*GB3

④

、水质分析：对土体地下水的酸碱度（PH值）及硫酸盐含量等进行分析，以判断地下水对水泥侵蚀性的影响；

=5\*GB3

⑤

、塑性指数：当地基土的塑性指数Ip>25时，水泥和地基土不容易搅拌均匀。

3水泥搅拌桩加固原理

深层水泥搅拌桩加固的基本原理是水泥搅拌桩加固土的物理化学反应的过程。在水泥搅拌桩加固土中，由于水泥的掺入量很小（仅占被加固土重的7%～20%），水泥水解和水化反应完全是在有一定活性的介质—土体的围绕下进行。水泥搅拌桩土体的硬化速度缓慢且作用较复杂，其内摩擦角和水平抗剪强度增长的过程远比混凝土缓慢。其加固过程分别为：

=1\*GB3

①

水泥的水解和水化反应；

=2\*GB3

②

土体颗粒与水泥水化物的作用；

=3\*GB3

③

碳化作用。

4河道护岸边坡稳定软基处理中的水泥搅拌桩施工技术

水泥搅拌桩施工技术经过多年的发展，已形成喷浆和喷粉两种深层搅拌施工技术，由于所使用的固化剂状态不同，即喷浆型深层搅拌法的固化剂是水泥浆液；而喷粉搅拌法的固化剂是水泥干粉。由于喷粉搅拌桩施工质量较难控制，一般采用喷浆型深层搅拌法。

4.1喷浆水泥搅拌桩施工工艺

图3喷浆型深层水泥搅拌桩施工顺序

喷浆型深层搅拌的施工顺序如图3所示：

=1\*GB3

①

、定位：起重机（或塔架）悬吊搅拌机到达指定桩位，对中；

=2\*GB3

②

、预搅下沉：待深层搅拌机的冷却水循环正常后，启动搅拌桩电机，放松起重机钢丝绳，使搅拌机沿导向架搅拌切土下沉，下沉速度可由电流监测表控制；

=3\*GB3

③

、制备水泥浆：待深层搅拌机下沉一定深度时，即开始按设计确定的配合比拌制水泥浆，待压浆前将水泥浆倒入集料斗中；

=4\*GB3

④

、喷浆搅拌提升：深层搅拌机下沉到设计深度后，开启灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷浆边旋转，同时严格按照设计确定的提升速度提升搅拌机；

=5\*GB3

⑤

、重复搅拌下沉和提升：搅拌机提升至设计加固深度的顶面标高时，集料斗中的水泥浆应正好排空；

=6\*GB3

⑥

、清洗：向集料斗中注入适量的清水，开启灰浆泵，清洗全部管路中残存的水泥浆，直至清洗干净；

=7\*GB3

⑦

、移位：将搅拌机移位，重复上述

=1\*GB3

①

～

=6\*GB3

⑥

步骤，进行下一根水泥搅拌桩的施工。

4.2喷浆水泥搅拌桩施工中常见的问题和处理方法

喷浆水泥搅拌桩施工中常见的问题和处理方法如表3所示：

喷浆水泥搅拌桩施工中常见问题和处理方法

表3

常见问题

发生原因

处理方法

预搅下沉困难，电流值高，电机跳闸

=1\*GB3

①

电压偏低

=2\*GB3

②

土质硬，阻力过大

=3\*GB3

③

遇大石块、树根等障碍物

=1\*GB3

①

增加电压

=2\*GB3

②

适量冲水或浆液

=3\*GB3

③

挖除障碍物

搅拌机下不到预定深度，但电流不高

土体粘性大，搅拌机自重不足

增大搅拌机重量或开动加压装置

喷浆未到设计桩顶面（或底部桩端）标高，集料斗水泥浆已排空

=1\*GB3

①

投料不准确

=2\*GB3

②

灰浆泵损坏漏浆

=3\*GB3

③

灰浆泵输浆量偏大

=1\*GB3

①

重新确定投料量

=2\*GB3

②

检修灰浆泵

=3\*GB3

③

重新确定灰浆输浆量

喷浆到设计桩顶面（或底部桩端）标高，集料斗中剩浆过多

=1\*GB3

①

拌浆加水过量

=2\*GB3

②

投料不准确

=3\*GB3

③

输浆管路阻塞

=1\*GB3

①

重新标定拌浆用水量

=2\*GB3

②

重新确定投料量

=3\*GB3

③

清洗输浆管路

输浆管堵塞爆裂

=1\*GB3

①

输浆管内有水泥结块

=2\*GB3

②

喷浆口球阀间隙太小

=1\*GB3

①

拆洗输浆管

=2\*GB3

②

使喷浆口球阀间隙适当

搅拌钻头和混合土同步旋转

=1\*GB3

①

灰浆浓度过大

=2\*GB3

②

搅拌叶片角度不适宜

=1\*GB3

①

重新标定浆液水灰比

=2\*GB3

②

调整叶片角度或更换钻头

5河道工程软基处理中的水泥搅拌桩技术应用效果

5.1喷浆水泥搅拌桩场地适应性分析

水泥搅拌桩对场地适应性有很高的要求，如

=1\*GB3

①

场地内有无大块石和树根；

=2\*GB3

②

土的含水量；

=3\*GB3

③

土的有机质含量；

=4\*GB3

④

地下水的PH值；

=5\*GB3

⑤

土的塑性指数。

乐清湾港区北区河道工程场地地质条件如表4所示：

场地地质条件概况表

表4

项目

有无障碍物

土的含水量

土的有机物含量

地下水PH值

土的塑性指数

淤泥质粘土

无

48.2%

无

6.7

20.7%

淤泥

无

68.1%

无

6.8

24.6%

淤泥

无

65.6%

无

6.8

23.2%

根据上述场地地质条件，场地三个土层五个地质条件对水泥搅拌桩的适用性分析如下所示：

=1\*GB3

①

、场地内无障碍物水泥搅拌桩可以顺利打设；

=2\*GB3

②

、土的含水量在布置水泥搅拌桩的范围内；

=3\*GB3

③

、土中无有机物含量，不会影响水泥的水化反应而影响其加固土的强度；

=4\*GB3

④

、水泥搅拌桩处理的淤泥地质土层地下水的PH值为弱酸性，不会侵蚀水泥搅拌桩；

=5\*GB3

⑤

、土体的塑性指数相对较小，不会影响水泥搅拌桩的成桩质量。故本河道工程软土地基处理采用喷浆水泥搅拌桩较适用。

5.2喷浆水泥搅拌桩技术在乐清湾港区北区河道工程应用效果

根据相关水泥土抗剪强度采用直接快剪和三轴不排水剪切试验进行测定，其试验结果如表5所示。

水泥土直剪试验结果表

表5

天然土样试验

水泥掺量

aw

(%)

水泥土

龄期

T

(d)

水泥土试验

无侧限抗

压强度

qu

(kpa)

抗剪强度

无侧限抗

压强度

qu

(kpa)

抗剪强度

黏聚力

C

(kpa)

内摩擦角

φ

(o)

黏聚力

C

(kpa)

内摩擦角

φ

(o)

37

14

14

10

28

633

161

26.5

10

90

1124

271

31

15

28

1315

289

32

根据上述试验表明：当水泥土的无侧限抗压强度qu在0.61MPa～3MPa的范围内，其黏聚力c与无侧限抗压强度qu的20%～30%之间，其内摩擦角φ变化在20o～30o之间。

查找相关资料表明，滨海相沉积淤泥经处理形成水泥土的无侧限抗压强度为1000kpa（90d），7d水泥土强度为标准强度的30%，30d为标准强度的60%。根据《地基处理手册（第三版）》（龚晓楠主编），按下式计算复合土体强度：

式中：

—天然土体强度指标，计算中取快剪指标；

—桩身强度指标；

m—土体置换率。

本工程计算土体指标根据场地地质勘察资料进行选用。水泥掺入量可根据要求选用7%～20%，现初步拟定水泥掺入量为15%，该河道工程软基处理过程中，水泥土抗剪强度采取抗压强度的20%，为200kpa，内摩擦角取定20o。水泥搅拌桩桩间距为1.3m，搅拌桩面积置换率m取16.7%，加固区位于淤泥层内，该土层加固后复合土体强度指标如表6所示。

加固区内复合土体强度表

表6

土层编号

土层名称

快剪

固快

抗剪强度

C（kpa）

内摩擦角

φ（o）

抗剪强度

C（kpa）

内摩擦角

φ（o）

③-1

淤泥质粘土

40.2

6.1

40.5

11.7

③-2

淤泥

35.2

7.5

37.2

10.3

③-3

淤泥

37.7

8.4

39.9

12.0

设计计算取值

37.0

6.9

38.5

11.2

有关水泥土抗剪强度试验表明，当水泥土无侧限抗压强度qu在0.61～3.0MPa的范围内，其黏聚力比天然土的大10～20倍，内摩擦角增加一倍左右。通过水泥搅拌桩在不同处理位置、不同处理范围和不同处理深度进行详细的计算，综合考虑工程投资，水泥搅拌桩在河道挡墙底侧位置，宽9.1m范围，处理深度为16m，桩间距为1.3m，其河道整体稳定能满足规范要求。地基基础经过水泥搅拌桩处理后，整体抗滑稳定计算结果如下图所示。

图4水泥搅拌桩处理后非常运行工况整体稳定

6结语：乐清湾港区北区