地铁软土地层深基坑水泥土加固施工技术
2015-06-30
软土地层深基坑由于开挖较深，往往会引起地基承载力及基底隆起破坏，一般基底需采用加固处理。深层搅拌水泥土是加固软土地基的一种新方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械，将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理―化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的土体。
1.工程概况
上海某地铁车站为地下二层侧式站台，围护采用地下连续墙，标准段开挖深度为15.5m。连续墙趾深入第⑥层暗～绿草～黄灰绿色粉质粘土，基坑设计等级为二级基坑。
各土层主要物理力学性质指标
层序 地层名称 直剪固快峰值 平均厚度(m) 重度(KN/m3)
内聚力c/kp 内摩擦角φ（°）
①层 杂填土 1.92
②1层 粘质粉土 15 20 1.11 18.30
②3-1层 粘质粉土 10 26.5 9.41 18.20
②3-2层 砂质粉土 8 28 4.58 18.30
⑤1层 粉质粘土 18 14 8.94 17.80
⑥层 粉质粘土 38 21.5 3.91 19.40
⑦1层 砂质粉土 14 28.5 7.47 18.80
2.基坑稳定性分析
基坑稳定性分析主要考虑基底地基承载力及基底抗隆起，由于端头井开挖深度较深，以端头井为例:
2.1 基坑承载力验算
不考虑加固措施，以原状土计算:
ｒ１――坑外地表至围护墙底,各土层天然重度的加权平均值（KN/m3）
ｒ２――坑内开挖面以下至围护墙底各土层天然重度的加权平均值（KN/m3）
ho――基坑开挖深度（m）
Ｄ――围护墙在基坑开挖面以下的入土深度（m）
q――坑外地面荷载(Kpa)，取30kp
Ｎq、Ｎc――地基土的承载力系数.根据围护墙底的地基土特性计算
Ｎq＝eπtg￠tg2(45°+ Ø /2)
Ｎc＝（Ｎq－１）／tg Ø
Ｃ、Ø――分别为围护墙底地基土粘聚力(Kpa)和内摩擦角(°)
ＫＷＺ――围护墙底地基承载力安全系数.二级基坑工程取2.0
Ｎq＝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
满足二级基坑设计要求。
2.2 基坑抗隆起验算
不考虑加固措施，以原状土计算:
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――围护墙底以上地基各土层天然重度的加权平均值（KN/m3）；
Ｄ――围护墙在基坑开挖面以下的入土深度（m）；
Ka――主动土压力系数，取Ka＝tg２（π／４－φ／２）；
Ｃ、φ――滑裂面上地基土的粘聚力（kPa）和内摩擦角（弧度）的加权平均值；
h0――基坑开挖深度（m）；
h０’――最下一道支撑距地面的深度；
a1――最下一道支撑面与基坑开挖面间的水平夹角（弧度），见图；
a2――以最下一道支撑点为圆心的滑裂面圆心角（弧度），见图；
q――坑外地面荷载（kPa）；
MSL――隆起力矩（KN－m／m），MSL＝ （r h０’+q）D2；
KL――抗隆起稳定性安全系数，二级基坑工程取2.0；
计算得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
小于二级基坑抗隆起稳定系数,因此，车站端头井部位基底须进行加固处理。标准段由于开挖较浅，经检算无须采用加固即满足抗隆起要求。
3.水泥土加固机理
水泥土加固基本原理是水泥与土经搅拌后发生一系列的化学反应而逐步硬化，其主要反应有：
3.1水泥的水解和水化反应
普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化硅等氧化物分别组成了不同的水泥矿物：硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化作用，生成氢氧化钙、含水硅酸钙等化合物。
3.2粘土颗粒与水泥水化物的作用
当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨架；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应。
3.3碳酸化作用
水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙。
4.水泥土的特性
水泥土容重略大于软土，含水量小于软土。水泥土无侧限抗压强度qu一般为0.5～4.0MP，比软土大几十倍至数百倍。水泥土强度与土的性质、水泥掺入比、龄期等因素有关。
4.1水泥掺入比的影响
水泥掺入比是指水泥重量与被加固的软土重量之比，水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增大。在实际工程中，水泥土的水泥掺入比常选用7%～15%，一般情况下不宜小于12%。
4.2龄期的影响
水泥土强度随着龄期增长而增大，在龄期超过28天后，强度仍有明显增加。当龄期超过3个月后，水泥土的强度增长才减缓。因此选用3个月龄期的强度作为水泥土的标准强度较为适宜。
5.实施效果
水泥土无侧限抗压强度28天为0.8 mp～0.85mp。基坑开挖及结构施工过程中对基坑坑底、地墙位移、房屋沉降、坑外水位等进行监测，效果良好。
截止结构底板施工完毕，坑外水位下降210mm，地墙南侧最大位移27mm，北侧最大位移25mm；房屋沉降15.6mm～17.4mm；开挖过程中基坑始终保持干燥。
6.结论
⑴软土地层明挖法地铁车站一般开挖较深，开挖对基坑底部土体有一定的扰动，往往引起基底承载或隆起破坏，因此应对深基坑稳定性进行分析，并根据分析结果采取适当的加固措施。
⑵水泥土经搅拌后发生一系列物理化学反应，包括水泥的水解和水化作用，水泥和粘土之间的相互作用。采用水泥土搅拌桩加固技术，对土体重度r的影响较小，但可显著增强土体粘聚力c，有效提高被动土区地基承载能力和抗隆起，这是水泥土加固地铁深基坑地基的根本原因。
⑶采用水泥土搅拌法加固软土技术搅拌时无振动、无噪音和无污染，最大限度利用了原土；可根据施工要求采用多种结构形式诸如柱状、壁状、块状等，相比其他加固方式节约成本。
