水泥搅拌桩加固在控制临近桥墩侧移中的应用

陈维静，李战怀

（1.天津城建设计院有限公司，天津市300122；2.天津泰达工程管理咨询有限公司，天津市300300）

0 引言

目前，国内大中城市的大规模开发建设不仅给基坑工程技术的发展带来了很大的机遇，更在环境保护方面给工程技术人员带来了很多重要的挑战。城市中大多数深基坑常常紧邻交通主干道，施工场地狭小，这使得深基坑设计的难度不断增大，更是增加了基坑工程的安全风险。由于基坑坑内土方的开挖，势必对周围土体应力场产生较大的影响，从而引起基坑周围土体的变形，对临近立交桥梁的变形也产生了较大的影响。若其变形不能得到有效控制，将可能危及临近立交桥梁及桥墩的安全。因此，如何有效地控制基坑开挖所引起的临近桥墩变形，成为基坑工程设计及施工所面临的重要问题。

1 工程概况

1.1 工程概述及周边环境

某雨污水合建泵站位于滨海软土地区，场地现状西侧为海河变电站办公用房，场地东侧及北侧为立交桥，场地南侧紧邻河道。该工程拟建雨污合建泵站为全地埋式，雨污水合建泵站主体为地下两层的不规则结构，采用整体式现浇钢筋混凝土结构，雨污水泵站之间设沉降缝。雨水泵站长33.90 m，宽31.5 m，挖深12.34 m；污水泵站长33.7 m，宽16.6 m，挖深11.00 m；泵站主体为全地下整体现浇钢筋混凝土结构。

泵站东侧、北侧为某立交桥，与支护桩最近距离为8.11 m，西侧为河道变电站，与支护桩最近距离为13 m，南侧为现状海河河道防洪墙，与支护桩最近距离为8.38 m。泵站东北侧立交桥桥墩下桩基础为400 mm×400 mm的预制方桩基础，由于该立交桥竣工至今运营时间已约有20 a，加之滨海地区立交桥桥址处于软土地区，区域沉降明显。根据天津市控沉报告，该区域近5 a平均沉降量为30～50 mm。

1.2 水文地质等自然条件

1.2.1 水文条件

勘察期间初见水位埋深1.50～1.60 m，静止水位埋深0.9～1.00 m。表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。一般年变幅在0.50～1.00 m左右。根据区域地质资料，该场区承压水头可按地面以下2 m考虑。承压水层为粉砂层。

1.2.2 工程地质情况

勘察最大孔深为30 m。按地层形成时代，成因类型及工程地质特征划分为以下土层，现自上而下详细分述如下：

第一层，人工填土层（Qml），厚度1.10～3.60 m，底板标高1.00～-1.64 m，主要由杂填土组成，呈杂色，松散～坚硬状态，由砖块、白灰土、石子、路面、混凝土等建筑垃圾组成。

第二层，全新统上组陆相冲积层（Q43al），厚度0.20～2.30 m，顶板标高1.00～-1.64 m，主要由粘土组成，呈黄褐色，可塑（偏软）状态，无层理，含铁质，属中等(偏高)压缩性土。夹粉质粘土。

第三层，全新统中组海相沉积层（Q42 m），厚度14.80～15.50 m，顶板标高-1.10～-1.96 m，该层从上而下可分为3个亚层。第一亚层，淤泥质粉质粘土，厚度一般为4.10～6.80 m，呈褐灰～灰色，流塑状态，无层理，含贝壳，属高压缩性土，夹粉土，粉质粘土薄层透镜体，局部夹淤泥；第二亚层，淤泥质粘土，厚度一般为4.70～7.90 m，呈灰色，流塑状态，无层理，含贝壳，属高压缩性土；第三亚层，粉质粘土，厚度一般为2.60～4.20 m，呈灰色，流塑～软塑状态，无层理，含贝壳，属中等(偏高)压缩性土，多夹淤泥质粘土。

第四层，全新统下组陆相冲积层（Q41al）。厚度5.60～6.60 m，顶板标高 -16.45～-17.16 m，主要由粉质粘土组成，呈黄灰～灰黄色，可塑状态，无层理，含铁质，属中等压缩性土。局部夹粉土透镜体。

第五层，上更新统第五组陆相冲积层（Q3eal），该项目勘察未穿透此层，揭露最大厚度5.40 m，顶板标高-22.64～-23.20 m，主要由粉砂组成，呈黄褐色，密实状态，无层理，含铁质，属中等(偏低)压缩性土，夹粉土，局部夹粉质粘土透镜体。

1.3 支护设计方案

雨污水合建泵站基坑总长53.41 m，宽53.20 m，现状地面高程2.00 m，基坑底高程最深为-10.30 m，最浅处-8.00 m，基坑深度分别为12.34 m、10.00 m，基坑支护面积2 655 m2，基坑上口开挖面积3 283 m2。方案如下：由于场地受限，采用现状地面1：1.0放坡减载1 m深度后采用灌注桩加圆环形内撑的开挖支护方式。支护桩直径1 m，中心距1.2 m（局部支护桩直径1.5 m，中心距1.7 m），桩长25 m，支护深度9～11 m，嵌固深度14～16.00 m，在桩顶以下0.40 m及3.9 m、7.3 m深度处设三层支撑体系，由冠梁(腰梁)及圆环形内支撑组成。冠梁、腰梁及支撑均采用钢筋混凝土型式，冠梁(腰梁)截面尺寸：1500mm×800mm（局部冠梁截面尺寸1800mm×800 mm），圆环形内支撑截面尺寸1 800 mm×800 mm，辐射杆支撑截面尺寸：800 mm×800 mm。止水帷幕采用三轴d850@1200，桩长20 m。

为减小基坑开挖过程中对相邻桥墩的变形影响，对支护桩与预制方桩之间土体进行加固，通过水泥搅拌桩加固宽度不同计算出桥墩位移不同，选择合适的加固宽度，保证基坑开挖和桥梁运行安全。

2 有限元模拟分析

2.1 计算参数的选取

模拟过程中，把灌注桩按抗弯刚度等效的原则等效成地下连续墙，等效墙宽0.950 m。围护墙、混凝土支撑、水泥土挡墙及预制方桩（截面尺寸400×400）均采用线弹性模型，土体采用Mohr-Coulomb本构模型。土体、围护墙、混凝土支撑、水泥土挡墙及预制方桩的材料参数见表1所列。

2.2 数值模拟结果

采用ABAQUS非线性有限元软件，建立基坑的平面有限元模型，针对基坑开挖对临近桥墩侧移的影响进行了分析。

有限元模型：基坑深度方向取30 m，长度方向取85 m。其中开挖区25 m，根据对称取实际开挖宽度50 m的一半；基坑外取60 m，为开挖深度11.9 m的5倍。模拟考虑了临近荷载20 kPa，临近荷载距开挖边线3 m，宽度为10 m。

模拟过程中，分别对支护桩与预制方桩之间土体未进行加固、支护桩与预制方桩之间土体进行水泥搅拌桩加固这两种工况进行了有限元数值模拟，其中支护桩与预制方桩之间土体进行加固又分为水泥土挡墙厚度4.00 m和6.50 m两种情况。

2.2.1 未进行水泥搅拌桩加固

分析结果如图1所示。

表1 材料参数表

图1 支护桩与预制方桩之间土体未进行水泥搅拌桩加固的水平位移对照图（单位：m）

2.2.2 支护桩与预制方桩之间土体进行水泥搅拌桩加固

（1）水泥土挡墙厚度为：4.000 m，分析结果如图2所示。

图2 支护桩与预制方桩水平位移对照图（单位：m）（挡墙厚度：4 m）

（2）水泥土挡墙厚度为：6.500 m，分析结果如图3所示。

3 结论

本文采用平面有限元模型分析了基坑开挖对临近桥墩侧移的影响，由以上计算可得：

图3 支护桩与预制方桩水平位移对照图（单位：m）（挡墙厚度：6.5 m）

（1）支护桩与预制方桩之间土体未进行加固时，基坑开挖引起周边地面最大沉降预测值为35 mm，距离基坑开挖边线13.000 m；桥墩预制方桩最大水平位移预测值为17.5 mm（偏向基坑开挖一侧），最大水平位移发生在坑底以上1.977 m处。

（2）支护桩与预制方桩之间土体进行水泥搅拌桩加固，当水泥土挡墙厚度为4.000 m时，基坑开挖引起周边地面最大沉降预测值为18.6 mm，距离基坑开挖边线7.820 m；桥墩预制方桩最大水平位移预测值为12.6 mm（偏向基坑开挖一侧），最大水平位移发生在坑底以上2.970 m处。

（3）支护桩与预制方桩之间土体进行水泥搅拌桩加固，当水泥土挡墙厚度为6.500 m时，基坑开挖引起周边地面最大沉降预测值为20.5 mm，距离基坑开挖边线7.820 m；桥墩预制方桩最大水平位移预测值为10.9 mm（偏向基坑开挖一侧），最大水平位移发生在坑底以上2.970 m处。

在基坑支护桩和临近桥墩之间采用水泥搅拌桩加固的处理方法，通过选择合适的加固宽度，合理利用支护桩与桥墩之间有限的空间，有效降低了基坑开挖风险。具有良好的经济效益和社会效益，为今后基坑设计提供了技术借鉴。