地鐵軟土地層深基坑水泥土加固施工技術
2015-06-30
軟土地層深基坑由于開挖較深，往往會引起地基承載力及基底隆起破壞，一般基底需采用加固處理。深層攪拌水泥土是加固軟土地基的一種新方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑，通過深層攪拌機械，將軟土和固化劑（漿液或粉體）強制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理―化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的土體。
1.工程概況
上海某地鐵車站為地下二層側式站臺，圍護采用地下連續(xù)墻，標準段開挖深度為15.5m。連續(xù)墻趾深入第⑥層暗～綠草～黃灰綠色粉質粘土，基坑設計等級為二級基坑。
各土層主要物理力學性質指標
層序 地層名稱 直剪固快峰值 平均厚度(m) 重度(KN/m3)
內聚力c/kp 內摩擦角φ（°）
?、賹?nbsp;雜填土 1.92
②1層 粘質粉土 15 20 1.11 18.30
?、?-1層 粘質粉土 10 26.5 9.41 18.20
?、?-2層 砂質粉土 8 28 4.58 18.30
?、?層 粉質粘土 18 14 8.94 17.80
?、迣?nbsp;粉質粘土 38 21.5 3.91 19.40
⑦1層 砂質粉土 14 28.5 7.47 18.80
2.基坑穩(wěn)定性分析
基坑穩(wěn)定性分析主要考慮基底地基承載力及基底抗隆起，由于端頭井開挖深度較深，以端頭井為例:
2.1 基坑承載力驗算
不考慮加固措施，以原狀土計算:
ｒ１――坑外地表至圍護墻底,各土層天然重度的加權平均值（KN/m3）
?。颍波D―坑內開挖面以下至圍護墻底各土層天然重度的加權平均值（KN/m3）
ho――基坑開挖深度（m）
?。抹D―圍護墻在基坑開挖面以下的入土深度（m）
q――坑外地面荷載(Kpa)，取30kp
?。蝢、Ｎc――地基土的承載力系數.根據圍護墻底的地基土特性計算
Ｎq＝eπtg￠tg2(45°+ Ø /2)
?。蝐＝（Ｎq－１）／tg Ø
?。谩?Oslash;――分別為圍護墻底地基土粘聚力(Kpa)和內摩擦角(°)
?。耍祝讪D―圍護墻底地基承載力安全系數.二級基坑工程取2.0
?。蝢＝eπtg￠tg2(45°+￠/2)
= eπtg21.5tg2(45°+21.5/2)
= e1.24tg255.75=8.92
Ｎc＝（Ｎq－１）／tg￠
=7.92*0.3939=3.12
=3.46＞2
滿足二級基坑設計要求。
2.2 基坑抗隆起驗算
不考慮加固措施，以原狀土計算:
KL=MRL/MSL
式中MRL――抗隆起力矩（KN-m/m）,MRL=R1Katgφ+R2tgφ+R3C
R1=D(+qh0)+D2qf(a2-a1+sina2cosa2-sina1cosa1)- rD3(cos3a2-cos3a1)；
R2=D2qf+[a2-a1-(sin2a2-sin2a1)]-rD3[sin2a2cosa2-sin2 a1cosa1+2(cosa2-cosa1)]；
R3=h0D+(a2-a1)D2；
qf=rh０’+q0
r――圍護墻底以上地基各土層天然重度的加權平均值（KN/m3）；
?。抹D―圍護墻在基坑開挖面以下的入土深度（m）；
Ka――主動土壓力系數，取Ka＝tg２（π／４－φ／２）；
?。谩?phi;――滑裂面上地基土的粘聚力（kPa）和內摩擦角（弧度）的加權平均值；
h0――基坑開挖深度（m）；
h０’――最下一道支撐距地面的深度；
a1――最下一道支撐面與基坑開挖面間的水平夾角（弧度），見圖；
a2――以最下一道支撐點為圓心的滑裂面圓心角（弧度），見圖；
q――坑外地面荷載（kPa）；
MSL――隆起力矩（KN－m／m），MSL＝ （r h０’+q）D2；
KL――抗隆起穩(wěn)定性安全系數，二級基坑工程取2.0；
計算得D=10.5m，h0=17.5m，Ｃ=15.7kPa，φ=15.7º，r=18.5 KN/m3， a1 =0.2，a2=2.74， h０’=2.7m，取q=30 kPa。
qf=rh０’+q0=304 kPa；
Ka＝tg２（π／４－φ／２）=0.455；
R1=D(+qh0)+D2qf(a2-a1+sina2cosa2-sina1cosa1)-rD3(cos3a2-cos3a1)
=50696
R2=D2qf+[a2-a1-(sin2a2-sin2a1)]-rD3[sin2a2cosa2-sin2 a1cosa1+2(cosa2-cosa1)]
=45173
R3=h0D+(a2-a1)D2
=463.8
MSL＝（r h０’+q）D2
=19500 KN-m/m；
MRL=R1Katgφ+R2tgφ+R3C
=50696×0.455×0.4＋45173×0.4＋463.8×15.7
=34577.5KN-m/m；
KL=MRL/MSL=1.733＜2
小于二級基坑抗隆起穩(wěn)定系數,因此，車站端頭井部位基底須進行加固處理。標準段由于開挖較淺，經檢算無須采用加固即滿足抗隆起要求。
3.水泥土加固機理
水泥土加固基本原理是水泥與土經攪拌后發(fā)生一系列的化學反應而逐步硬化，其主要反應有：
3.1水泥的水解和水化反應
普通硅酸鹽水泥主要由氧化鈣、二氧化硅等氧化物分別組成了不同的水泥礦物：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等。用水泥加固軟土時，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發(fā)生水解和水化作用，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣等化合物。
3.2粘土顆粒與水泥水化物的作用
當水泥的各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，形成水泥石骨架；有的則與其周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應。
3.3碳酸化作用
水泥水化物中游離的氫氧化鈣能吸收水中和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化反應，生成不溶于水的碳酸鈣。
4.水泥土的特性
水泥土容重略大于軟土，含水量小于軟土。水泥土無側限抗壓強度qu一般為0.5～4.0MP，比軟土大幾十倍至數百倍。水泥土強度與土的性質、水泥摻入比、齡期等因素有關。
4.1水泥摻入比的影響
水泥摻入比是指水泥重量與被加固的軟土重量之比，水泥土的強度隨水泥摻入比的增加而增大。在實際工程中，水泥土的水泥摻入比常選用7%～15%，一般情況下不宜小于12%。
4.2齡期的影響
水泥土強度隨著齡期增長而增大，在齡期超過28天后，強度仍有明顯增加。當齡期超過3個月后，水泥土的強度增長才減緩。因此選用3個月齡期的強度作為水泥土的標準強度較為適宜。
5.實施效果
水泥土無側限抗壓強度28天為0.8 mp～0.85mp?；娱_挖及結構施工過程中對基坑坑底、地墻位移、房屋沉降、坑外水位等進行監(jiān)測，效果良好。
截止結構底板施工完畢，坑外水位下降210mm，地墻南側最大位移27mm，北側最大位移25mm；房屋沉降15.6mm～17.4mm；開挖過程中基坑始終保持干燥。
6.結論
⑴軟土地層明挖法地鐵車站一般開挖較深，開挖對基坑底部土體有一定的擾動，往往引起基底承載或隆起破壞，因此應對深基坑穩(wěn)定性進行分析，并根據分析結果采取適當的加固措施。
?、扑嗤两洈嚢韬蟀l(fā)生一系列物理化學反應，包括水泥的水解和水化作用，水泥和粘土之間的相互作用。采用水泥土攪拌樁加固技術，對土體重度r的影響較小，但可顯著增強土體粘聚力c，有效提高被動土區(qū)地基承載能力和抗隆起，這是水泥土加固地鐵深基坑地基的根本原因。
?、遣捎盟嗤翑嚢璺庸誊浲良夹g攪拌時無振動、無噪音和無污染，最大限度利用了原土；可根據施工要求采用多種結構形式諸如柱狀、壁狀、塊狀等，相比其他加固方式節(jié)約成本。
