水泥搅拌桩施工引起深层土体水平位移分析

摘要：针对水泥搅拌桩施工时水泥浆的注入对周围地层造成扰动，从而引起土体发生水平位移的问题，介绍了以柱形圆孔扩张理论为基础的Chai方法及其计算步骤，应用Chai方法分析了试桩C1，C2的现场试验数据。结果表明：当C1完工时，实测水平位移随深度的改变而变化，水平位移最大值达到34 mm，桩底以下土体也会产生一定的水平位移；当C2完工时，实测水平位移随深度的变化趋势与单桩（C1）施工情况的变化趋势基本一致，水平位移最大值达到72 mm；Chai方法可以用于计算单根水泥搅拌桩施工的情况，而对于多桩施工情况，无法考虑施工顺序和桩身强度的影响，产生较大的计算误差；以土体水平位移不超过10 mm作为施工的安全控制值时，单根水泥搅拌桩施工对周围环境的影响范围大约为9 m。

关键词：地基处理；水泥搅拌桩；现场试验；水平位移；圆孔扩张理论；影响范围

中图分类号：TU472.5文献标志码：A

Abstract： During the installation process of soilcement columns， the surroundings of ground would be disturbed due to injection of grout， which could cause significant lateral displacements of subsoils. Chais method and its calculation procedure， which was developed based on the theory of cylindrical cavity expansion， were introduced. Chais method was adopted to analyze the field test results of installing two soilcement columns （C1 and C2）. The results shows： after the construction of C1， the measured lateral displacements change with the variation of construction depth， and the maximum value can reach to 34 mm， and there are some lateral displacements under the bottom of column； when the installation of C2 is completed， the variation of measured displacements with depth is identical with the trend after the installation of C1， and the maximum value can reach to 72 mm. Chais method can be used to predict the lateral displacements caused by installing a single column， however there will be some discrepancy for the case constructing several columns due to that the effects of construction sequence and the column strength cannot be considered in Chais method. If the lateral displacement to be less than 10 mm is taken as safety control value， the influence range caused by the installation of single soilcement column is about 9 m away from the column center.

Key words： ground improvement； soilcement column； field test； lateral displacement； theory of cavity expansion； influence range

0引言

随着中国基础设施的不断完善，水泥搅拌桩技术已经在中国土木工程领域得到了广泛的应用，如高速公路建设中软土路基的处理等[14]。水泥搅拌桩技术最早起源于日本，与其他混凝土桩不同[59]，其基本原理是将搅拌机械插入土层中，并注入水泥浆与土体搅拌混合，最终形成具有较高强度的水泥土桩[10]。水泥搅拌桩技术主要分为湿喷法和干喷法2种[11]，湿喷法施工时喷入的是液体状水泥浆，而干喷法施工时喷入的是水泥粉。经过多年的发展，各国学者在水泥搅拌桩复合地基承载性状、沉降性状等方面都取得了较多的研究成果。郑刚等[12]通过单桩静载试验成果和复合地基荷载试验成果，研究了软土中水泥搅拌桩复合地基的承载特性。马克生等[13]通过现场试验研究了试桩与工程桩复合地基的确定方法。马洪友等[14]通过多种工况下的水泥搅拌桩荷载试验研究了复合地基的作用机理。闫超等[15]通过室内模型试验研究了添加土工格栅的水泥搅拌桩的水平承载特性。胡贺松等[16]通过现场试验，分析了单桩复合地基与四桩复合地基的沉降变形特性。沈一帆等[17]通过颗粒流数值模拟方法探讨了基坑支护中水泥搅拌桩水平位移的主要影响因素。Shen等[18]通过室内试验与理论分析相结合的方法研究了水泥搅拌桩与土体的相互作用机理。

事实上，水泥搅拌桩施工时会对周围土层造成一定的扰动，如引起超静孔隙水压力及周边土体变形等，然而目前这方面的研究成果相对较少，主要包括一些室内试验成果、现场试验成果以及部分理论分析成果。沈水龙等[19]基于日本有明粘土的室内试验成果，分析了搅拌桩施工引起的孔隙水压力的变化规律。关云飞等[20]利用圆孔扩张理论[21]，得到了搅拌桩引起土层中超静孔隙水压力的计算方法及变化规律。Chai等[22]基于柱形圆孔扩张理论，提出了适用于湿喷法和干喷法2种情况的水泥搅拌桩施工引起土体侧向位移的方法（简称Chai方法）。

本文首先对Chai方法进行了概述，然后依托水泥搅拌桩的现场工程实例，研究了施工引起深层土体水平位移随深度的变化规律。将实测水平位移与采用Chai方法得到的计算结果进行了对比，分别探讨了Chai方法对于单桩和多桩施工情况下的适用性，并分析了水泥搅拌桩的施工影响范围。

1Chai方法概述

水泥搅拌桩技术作为一种地基处理方法广泛应用于高速公路路堤建设中（图1），其施工过程中由于注入了一定压力的水泥浆（或水泥粉），引起地层内部膨胀，从而对周围土层造成扰动。这种膨胀引起的扰动可以近似认为等同于平面内的圆孔扩张问题。

图2给出了全无限空间的柱形圆孔扩张理论示意，其中，Ru为极限区半径，Pu为圆孔极限压力，Rp为塑性区半径，σp为塑性区边界处应力，σr为径向应力，σθ为切向应力，r为到圆心的距离。由图2可知，平面内圆孔受到外力作用发生膨胀，导致周边形成塑性变形区与弹性变形区。基于此，Chai等提出了适用于湿喷法和干喷法2种情况的水泥搅拌桩施工引起土体侧向位移的方法，具体计算公式如表1所示。

2工程概况

施工场地位于上海，在基坑开挖之前需要对周边地层进行加固，拟采用干喷水泥搅拌桩工法。由于待开挖基坑周边低层民房较多，为了防止水泥搅拌桩施工引起较大的土层变形，给周边环境带来不利影响，在施工之前进行了试桩以分析施工引起的深层土体水平位移情况。

2.1现场土质条件

上海地层属于典型的软土地区，该区域地层的含水量较高，压缩性较强，强度较低，渗透性较差，对于工程建设十分不利，因而在施工之前往往需要对软土地基进行加固处理。表2给出了施工现场土体物理力学性质的统计情况，其土层分布如下：①填土，该土层的厚度大致为2.5 m；②粉质粘土，该土层厚度大致为4.5 m；③软粘土，该土层厚度大致为11 m；④硬粘土，该土层厚度大致为4.5 m；⑤粉砂，土层剖面厚度/m重度γ/（kN・m-3）孔隙比e0含水量w/%填土2.520.00.7123.6粉质粘土4.518.10.8328.3软粘土11.017.61.2744.0硬粘土4.518.40.8732.0粉砂12.518.90.9037.0该土层厚度大致为12.5 m。

从表2可以看出，水泥搅拌桩试桩主要处于填土层和粉质粘土层，离软粘土层较近。图3给出了粉质粘土和软粘土的颗粒级配曲线。由图3可知，施工深度范围以及距离较近区域的土层主要以细颗粒（粘粒和粉粒）为主。

3实测结果分析与讨论

依据干喷法的注浆参数、设计桩径以及Chai方法中的公式（2），可以得到该工程实例中Ru0取值为0.46 m。从Chai方法的公式可以发现，水平位移的主要控制参数为极限区和土层模量。事实上，由于Chai方法平面假设的局限性，对于单一均匀土层，若弹性模量上下相同，则计算出的水平位移应当沿深度不变。在该计算中，根据已有文献关于上海类似土层的力学参数统计结果选取[2324]：填土层模量为6.0 MPa，粉质粘土层模量为3.0 MPa。

图5给出了C1施工完成后的土体水平位移实测数据与计算值对比曲线。由图5可知：实测水平位移随深度的改变而变化，呈现出近似先增大后减小的规律，最大值约为34 mm，最大值的发生深度约在地表以下3 m处，位于粉质粘土层中；桩底以下土体也会产生一定的水平位移，距离桩底越远，位移实测值越小。此外，从图5还可以看出，对于填土层和粉质粘土层，采用Chai方法计算的结果均沿深度不变，总体上略小于实测值，其主要原因是Chai方法忽略了相邻土层对水平位移的限制作用，计算中未考虑土层模量沿深度的变化情况。

C2知：在2根试桩施工完成之后，水平位移实测数据随深度改变而变化的趋势与单桩施工情况的变化趋势基本一致，呈现出近似先增大后减小的规律，最大值约为72 mm，最大值的发生深度约在地表以下3 m处，位于粉质粘土层中；桩底以下的实测水平位移比单桩施工引起的水平位移要大，同时随着距离桩底越远，位移实测值越小。由图7还可以看出，Chai方法得到的计算结果小于实测数据，并且计算误差相对于单桩的情况增大了较多，主要原因是Chai方法对于多桩情况只能利用简单的叠加原理，无法反映现实情况中水泥搅拌桩的施工顺序与桩身强度对水平位移的影响。在C1先施工完成之后，水泥发生凝结硬化，搅拌桩强度高于周边土体。因此，在C2施工期间，搅拌桩C1会限制土体在C1方向产生位移，将间接地增大土体在其他方向的位移。随着水泥搅拌桩施工数量的增多，采用Chai方法得到的计算结果误差也将逐渐增大。

根据该工程的施工参数与土体参数得到了单根水泥搅拌桩施工引起的深层土移随桩心距离的变化曲线，如图8所示。基于此，可以从水平位移的角度探讨水泥搅拌桩的施工影响范围。由图8可知，深层土体水平位移随桩心距离的增大而快速减小，当与桩心距离为1 m时，水平位移约为91.2 mm，而当与桩心距离为10 m时，水平位移则减少为9.1 mm。采用文献[26]关于水平旋喷桩施工影响范围的分析思路，以水平位移不超过10 mm作为施工时的安全控制值，则不难发现当与桩心距离超过9 m时，深层土体水平位移将小于安全控制值，即表示水泥搅拌桩施工的影响范围约为9 m。

4结语

（1）当C1完工时，实测水平位移随深度的改变而变化，呈现出近似先增大后减小的规律，最大值约为34 mm，最大值的发生深度约为地表以下3 m处，位于粉质粘土层中。此外，桩底以下土体也会产生一定的水平位移，距离桩底越远，位移实测值越小；当C1和C2完工时，实测水平位移随深度的变化趋势与单桩（C1）施工情况的变化趋势基本一致，也呈现出近似先增大后减小的规律，最大值达到72 mm左右，最大值的发生深度也位于粉质粘土层中。此外，桩底以下的实测水平位移比单桩施工引起的水平位移要大，变化规律类似，距离桩底越远，实测水平位移越小。

（2）Chai方法可以应用于计算单根水泥搅拌桩施工的情况，而对于多桩施工的情况，由于其无法考虑施工顺序的影响，产生的计算误差也将逐渐变大。Chai方法只能计算对应于桩身侧边土体的水平位移，而无法计算桩底以下（或桩顶以上）土体的水平位移。

（3）分析表明，以水平位移不超过10 mm作为施工时的安全控制值，则单根水泥搅拌桩施工对周围环境的影响范围约为9 m。水泥搅拌桩施工的影响范围远小于预制桩施工的影响范围。未来可以结合考虑球形圆孔扩张理论与叠加理论以提出更接近现场实际的分析方法。

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