水泥土加固體在提高基坑被動區(qū)水平抗力作用

2022.07.26水泥土加固體在提高基坑被動區(qū)水平抗力作用中的應用現(xiàn)狀技術中心胡磊

目錄一、基本概念二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景三、基坑水泥土應用相關規(guī)定四、國內外最新進展五、小結一、基本概念水泥土是指以水泥作為固化劑對軟弱土進行加固后的復合土體。常見實施方法主要有：攪拌樁(如雙軸、三軸等)、高壓旋噴樁(雙管法、三管法、RJP、MJS)、注漿法(鋼花管、袖閥管等)、以及TRD(等厚度水泥土攪拌連續(xù)墻)等。三軸攪拌樁設備旋噴樁設備TRD設備一、基本概念高壓旋噴樁參數(shù)加固原理深層攪拌樁：通過單軸/多軸攪拌機械，就地將軟土和水泥固化劑強制攪拌，形成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強度的水泥加固土，處理深度20~30m。高壓旋噴樁：通過高速噴射流用切割土體并使水泥與土攪拌混合，形成水泥土體加固的做法，處理深度20~40m。注漿法：通常意義上的注漿指的在地面/地下利用鋼花管/袖閥管進行注漿，根據適用地層不同包括滲透注漿、劈裂注漿，處理深度一般30m以內。TRD工法：一種利用鋸鏈式切割箱連續(xù)施工等厚度水泥土地下連續(xù)墻的技術，處理深度30~80m。注：常規(guī)高壓旋噴樁噴漿壓力一般不超過25MPa;

目前MJS/RJP新工藝均為超高壓，噴漿壓力可達到40MPa以上。二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景應用背景基坑項目場地存在軟土地層分布時，在基坑圍護結構設計計算過程中通常遇到兩個問題：（1）圍護結構水平位移過大；（2）被動區(qū)土體水平抗力不足。圍護結構水平位移，限值根據基坑深度、基坑安全等級，及周邊環(huán)境復雜程度等共同確定，國內通常采用的圍護結構水平位移限值在(0.2~0.8)%H（H為基坑深度）及30~80mm范圍，根據各地地方要求確定。由于場地工程軟土不良地質、基坑圍護設計選型不當、現(xiàn)場施工不規(guī)范多種因素，基坑事故頻發(fā)。2020年7月11日四川陽光100工地項目基坑坍塌2019年6月8日南寧綠地工地基坑坍塌二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景變形標準國標、地方標準對基坑變形有不同的控制標準。監(jiān)測預警值一般為控制值的70~80%?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測技術標準》（GB50497-2019）二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景變形標準湖北地標《基坑工程技術規(guī)程》（DB42T159-2012）上海地標《基坑工程技術標準》（DGTJ08-61-2018）二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景變形標準廣東地標《建筑基坑工程技術規(guī)程》（DBJT15-20-2016）二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景基坑被動區(qū)加固原理針對基坑軟土不良地質問題，可能產生的基坑大變形及水平抗力不足，一種通常采取的可靠方法是進行被動區(qū)加固（通常為水泥土加固體），通過加固提高坑內土體抵抗變形的能力。圍護結構（樁/墻）計算方法主要為豎向彈性地基梁法（m法、k法），其基本原理是將支護結構視作豎向放置的彈性地基梁，坑內嵌固段土層等效為受壓彈簧，滿足結構靜力平衡條件及變形協(xié)調條件?！督ㄖ又ёo技術規(guī)程》（JGJ120-2012）擋土構件計算模式二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景基坑被動區(qū)加固原理（豎向彈性地基梁m法）(根據被動區(qū)土體變形得到的抗力)(按被動土壓力得到的抗力上限)基坑支護結構計算，m值直接影響到地層彈簧剛度，從而影響到支擋結構水平向受力及變形，因此m值取值是核心問題！二、水泥土在基坑被動區(qū)中的應用背景基坑被動區(qū)加固原理（豎向彈性地基梁m法）(根據被動區(qū)土體變形得到的抗力)(按被動土壓力得到的抗力上限/安全系數(shù))湖北地標《基坑工程技術規(guī)程》（DB42T159-2012）對被動區(qū)安全系數(shù)作出了具體規(guī)定：三、水泥土應用相關規(guī)定相關規(guī)范國內各行業(yè)、各地區(qū)目前針對水泥土等加固體都有不同的規(guī)定，本次針對一些常見的規(guī)范相關規(guī)范進行了梳理，主要有以下規(guī)范：1)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）2)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB50330-2013）3)《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》（TB10025-2019）4)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）5)《基坑工程技術標準》（DGTJ08-61-2018）上海地標6)《基坑工程技術規(guī)程》（DB42T159-2012）湖北地標7)《型鋼水泥土攪拌墻技術規(guī)程》（JGJT199-2010）8)《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30-2015）9)《水運工程地基設計規(guī)范》（JTS147-2017）三、水泥土應用相關規(guī)定1)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008）(注：該處地面相當于基坑坑底地面)三、水泥土應用相關規(guī)定2)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB50330-2013）三、水泥土應用相關規(guī)定3)《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》（TB10025-2019）(下滑力)(樁前抗力)(滑面以上H1)(滑面以下H2)三、水泥土應用相關規(guī)定4)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2012）7.3.1水泥土攪拌樁復合地基處理應符合下列規(guī)定:1當?shù)鼗恋奶烊缓啃∮?0%(黃土含水量小于25%)時不宜采用粉體攪拌法。5增強體的水泥摻量不應小于12%，塊狀加固時水泥摻量不應小于加固天然土質量的7%;濕法的水泥漿水灰比可取0.5~0.6。7.3.3水泥土攪拌樁復合地基設計應符合下列規(guī)定:1攪拌樁的長度，干法的加固深度不宜大于15m，濕法加固深度不宜大于20m。（受設備高度限制，一般不大于30m）2復合地基的承載力特征值，應通過現(xiàn)場單樁或多樁復合地基靜載荷試驗確定。條文說明：水泥摻量大于10%時，水泥土強度可達0.3~2MPa，以28d為基準，加固體抗壓強度與時間關系：fcu7=(0.47~0.63)fcu28，fcu90=(1.43~1.80)fcu287.4.2旋噴樁加固體強度和直徑，應通過現(xiàn)場試驗確定。7.4.8旋噴樁施工應符合下列規(guī)定:2單管法、雙管法高壓水泥漿和三管法高壓水的壓力應大于20MPa，流量應大于30L/min，氣流壓力宜大于0.7MPa，提升速度宜為0.1m/min~0.2m/min。

4水泥漿液水灰比宜為0.8~1.2。注：近年來利用超高壓水泵(大于50MPa)和超高壓水泥漿泵(大于35MPa)，輔以低壓空氣，大大提高了旋噴樁的處理能力。在軟土中的切割直徑可超過2.0m，注漿體的強度可達5.0MPa，有效加固深度可達60m。第9.1.7條：圍護墻豎向彈性地基梁法。14.2.6坑內被動區(qū)的土體加固應滿足以下要求：寬度不宜小于基坑開挖深度的0.4倍，并不宜小于4m；深度不宜小于3m。三、水泥土應用相關規(guī)定5)《基坑工程技術標準》（DGTJ08-61-2018）上海地標(Z≤3~5m)(坑底3~5m)三、水泥土應用相關規(guī)定5)《基坑工程技術標準》（DGTJ08-61-2018）上海地標

水泥土重力式擋墻：整體穩(wěn)定驗算水泥土參數(shù)：三、水泥土應用相關規(guī)定5)《基坑工程技術標準》（DGTJ08-61-2018）上海地標復合式土釘墻：整體穩(wěn)定驗算需要計入水泥土攪拌樁作用：水泥土抗剪強度與無側限強度關系(條文說明9.4.8)：三、水泥土應用相關規(guī)定6)《基坑工程技術規(guī)程》（DB42T159-2012）湖北地標m值估算方法同《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-2012），但引入地區(qū)土層經驗系數(shù)。三、水泥土應用相關規(guī)定6)《基坑工程技術規(guī)程》（DB42T159-2012）湖北地標重力式水泥土擋墻：抗剪強度與無側限強度關系：三、水泥土應用相關規(guī)定6)《基坑工程技術規(guī)程》（DB42T159-2012）湖北地標被動區(qū)加固構造要求：加固體強度參數(shù)(條文說明6.13.1)：被動區(qū)加固土層的抗剪強度參數(shù)應根據采用的加固方法、施工工藝以及土質的具體性質，可按c=（60~80）kPa，φ=0

選取。三、水泥土應用相關規(guī)定7)《型鋼水泥土攪拌墻技術規(guī)程》（JGJT199-2010）水泥土攪拌墻：4.2.5型鋼水泥土攪拌墻應對水泥土攪拌樁樁身局部受剪承載力進行驗算。水泥土抗剪強度標準值，可取攪拌樁28d齡期無側限抗壓強度的1/3。摻量20.0%摻量17.1%摻量14.5%三、水泥土應用相關規(guī)定8)《公路路基設計規(guī)范》（JTGD30-2015）公路路基復合地基加固體抗剪強度參數(shù)引入加固體置換率進行加權平均，獲得復合土體宏觀強度。三、水泥土應用相關規(guī)定9)《水運工程地基設計規(guī)范》（JTS147-2017）(=0.3fcu)注意：公路、水運行業(yè)強度要求均以90d齡期為基準。四、國內外最新進展近年來，水泥土以其施工期短、可加固范圍大、處理效果好等優(yōu)點廣泛應用在建筑工程、隧道與地下工程、道路地基、基坑邊坡、水運工程等軟弱地基處理，水泥土加固體主要通過攪拌樁、旋噴樁（包括MJS、RJP等新工法）及注漿等方式實現(xiàn)。李松(中國地大博士論文)針對基坑被動區(qū)裙邊加固工程，提出了基于β角理論的裙邊加固基坑被動區(qū)滑動破壞模式；研究發(fā)現(xiàn)水泥土抗剪強度參數(shù)對裙邊加固基坑被動區(qū)潛在破裂面有重要的影響，潛在破裂面形式由從加固體中穿過向從加固體底部繞過轉變時的水泥土黏聚力比和內摩擦角正切值比存在臨界值，而水泥土剛度參數(shù)（彈性模量和泊松比）對裙邊基坑被動區(qū)潛在破裂面形式影響不大，并提出了有限范圍加固體臨界寬度的概念及其求解方法。提出了裙邊加固基坑被動土壓力計算方法，基于塊體極限平衡法，回避了有限范圍加固體水泥土c1、φ1取值難以確定的問題，用于極限平衡分析是可靠的。李松提出了基于剛性樁轉動理論的裙邊加固基坑變形計算理論，推導了裙邊加固體等效m值計算解析式，該方法能夠考慮加固體寬度、加固體高度、加固體側方及下方土層性質等因素的影響，而且無需獲取水泥土的抗剪強度參數(shù)，改變工程經驗的占主導地位的現(xiàn)狀，對基坑被動區(qū)裙邊加固工程實踐具有重要的指導意義。四、國內外最新進展李建軍對不同水泥摻入比的棱柱體和立方體水泥土試塊進行了單軸抗壓試驗，并進一步結合三軸試驗、水泥土梁的彎曲試驗，討論了不同試驗手段對測定水泥土變形模量的影響，認為采用棱柱體抗壓強度測定水泥土變形模量比較簡單、合理，并得出了水泥土變形模量與抗壓強度的關系。水泥土的黏聚力c在350～550kPa之間，內摩擦角?在31.9°～37.7°之間變化。陳甦總結了水泥土的物理力學性質，水泥土破壞模式隨水泥摻入比、水泥土強度的不同而不同。通常水泥摻入比較高、水泥土強度較大時，水泥土呈脆性破壞且破壞后殘余強度很??；反之水泥土則表現(xiàn)為塑性破壞。國外工程攪拌樁大范圍應用于港口、碼頭、護坡、路基填方等工程中，機械設備不斷改進，日本8軸攪拌設備，加固直徑最大1.6m，水中加固最大深度達70m，陸地加固最大深度達50m，可穿越Cu不大于70kPa的黏性土或標貫不大于15的砂土。TakayukiSakai低水泥摻入比的情況考慮粘土和沙子的剪切固結特性，建立了能夠描述水泥處理黏土和水泥處理砂土的力學行為本構模型(SYS劍橋模型)。TuanA.Pham系統(tǒng)地研究了最佳水灰比對無側限抗壓強度的影響，結果表明水灰比調動最大強度的最佳范圍在0.75~1.25之間，最佳含水量在15%左右，且對不同水泥摻量都比較穩(wěn)定；提出了水泥混合土強度分析的新指標—組合體積比(thecombinedvolumeratio)。五、小結水泥土廣泛應用于不同行業(yè)、不同用途的軟土加固中，國標、行業(yè)標準、地方標準均對水泥