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摘要：在砂层或流塑状淤泥质等软弱土层进行地下连续墙施工时，单纯的泥浆护壁往往不能满足地下连续墙槽壁的稳定性。利用双层水泥搅拌桩加固虽然可以保证槽壁的稳定性，但没有充分利用搅拌桩的抗压的力学性能。本文依托深圳地铁市政工程项目，提出了利用格构式搅拌桩加固地下连续墙的方法，并基于库伦土压力的滑动体模型，对地下连续墙槽壁进行了稳定性分析，最后通过对双层搅拌桩和格构式搅拌桩加固地下连续墙槽壁进行对比，得出利用格构式搅拌桩加固地下连续墙更能增大槽壁稳定安全系数、充分利用材料性能，改善不良土层，降低槽边沉降，对类似工程具有指导意义。
关键词：格构式搅拌桩；地下连续墙；槽壁
0引言
随着城市建设的发展，地下空间的规模越来越大。大量城市建筑物、地铁在临江或沿海地区建设，而这些地区往往存在深厚的砂层或流塑状淤泥质土，对基坑的安全施工要求较高。地下连续墙由于墙体刚度大、整体性好、抗渗能力强、支护结构变形小等特点，被广泛应用于临江或临海地区的深基坑工程。地下连续墙施工过程中如何保持槽壁稳定性、防止槽孔塌方是控制墙体施工质量的关键。在深厚的砂层或流塑状软土层中进行成槽开挖，单纯地采用泥浆护壁并不能防止槽孔坍塌，往往在地连墙成槽前采用水泥搅拌桩拌桩对槽壁进行加固处理。现行国家行业标准建筑基坑支护技术规程既没有提出计算方法，也没有提出加固后槽壁稳定性判定标准。深圳市地方标准深圳市基坑支护技术规范虽然提出了泥浆护壁地连墙槽壁稳定性安全系数计算方法和稳定性判定标准，但没有提出搅拌桩加固情况下地下连续墙槽壁稳定性安全系数计算方法，以及在格构式搅拌桩加固地层之后的稳定性计算方法。
针对实际工程的需要，本文首先分析了槽壁失稳机制及形态，总结了各种槽壁抗失稳加固措施的优缺点，提出了用格构式搅拌桩加固地下连续墙槽壁的方法。最后，提出了槽壁在格构式搅拌桩加固条件下槽壁稳定性安全系数计算方法和加固后槽壁稳定性判定标准。
1地下连续墙槽壁失稳原因分析
（1）泥浆密度及浓度不够
在泥浆液面静水压力，（泥浆液面高于地下水面的条件下），泥浆中的水分会向槽壁土颗粒中渗透，而膨润土颗粒会沉积在槽壁表面，使槽壁形成泥皮，保护了槽壁。在静水压力条件下，克服槽内的水压力和土压力，使槽壁保持稳定不坍塌。但如果泥浆重度及浓度不够，平衡不了槽内的水压力和土压力，起不到护壁的作用就会造成槽壁塌方。
（2）钻进速度过快或钻头碰撞槽孔壁
在软弱地质土层中施工时，如果没有注意到控制进尺的速度，钻进的速度过快或空转过久，对土体扰动过大，槽壁不能自稳，很容易造成塌方。
（3）地下水位过高或孔内出现承压水
地下水位过高或存在承压水的情况下，根据朗肯土压力极限平衡的破坏模型，槽壁外侧所受到的滑动力过大，槽壁不能自稳，亦会造成槽壁塌方。
（4）槽段长度过长
如果施工队伍施工水平不够而槽段施工长度过长，完成一个槽段所需时间太长，使得先钻好的孔位因搁置时间过长，泥浆沉淀起不到护壁的作用而引起塌孔。
（5）地面附加荷载过大
施工时，地面附加荷载过大，根据应力扩散的原理，会给槽壁附加一个水平方向的集中力，导致槽壁塌方。
2地下连续墙槽壁失稳机理
2.1时间效应
由于开挖卸荷引起的地基土体超静孔隙水压力随时间的消散会导致槽壁周围地基土体的位移持续发展，降低开挖的稳定性。渗透性高的砂土与粘性土相比，时间效应更短暂。因此，在深厚砂层中成槽开挖，应尽量减少施工时间，以保证槽孔的稳定性。
2.2整体失稳
尽管地下连续墙的成槽开挖深度通常都大于 20m，但槽壁失稳往往发生在表层土或深度在5～15m内的浅层土中，在导墙正下方的土体可以观察到有鼓出现象，失稳破坏面在地表平面上会沿整个槽长展布，基本呈椭圆形或矩形。P.Oblozinsky等通过槽壁的二维和三维弹塑性有限元对比分析发现：平面应变条件下深层土体的稳定性最差，三维条件下在接近地表面位置土体的稳定性最差。地连墙槽壁经水泥土搅拌桩加固处理后，由于搅拌桩的抗剪强度或加固宽度不足，搅拌桩发生错动剪切破坏，槽壁易发生整体失稳。
2.3局部失稳
在有软弱夹层的地基土中进行成槽开挖时，当槽段内泥浆液面波动过大或液面标高急剧下降，槽壁会产生局部失稳，从而引起超挖现象，导致后续灌注混凝土的充盈系数增大，增加施工成本和难度。除了受土体的剪切强度影响外，泥浆护壁开挖的局部稳定性还受泥浆向槽壁周围地基土入渗的影响。在槽壁泥皮形成前，泥浆向槽壁周围地基的渗入将产生渗透力，以维持开挖面即槽壁的局部稳定。
3地下连续墙槽壁失稳破坏模型建立
假定土体为各向同性的均质体滑动面为一倾斜平面，滑动面与水平面成 θ 角；地下水位离地表高度为Zw，泥浆液面距地表高度为Zs，且Zs＜Zw；q为地面均布荷载；γs为泥浆重度；d为搅拌桩的加固宽度。
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图1槽壁稳定分析计算模型
破坏体所受的力包括：楔形体自重W；地面超载Q；槽内泥浆压力与地下水压力的合力ΔP；滑动面上的抗剪力T；滑动面上的法向反力N；搅拌桩的抗剪力Tc 等。为了简化计算，泥浆的液面高度取mH，地下水位的液面高度取nH。
锲形体的自重为：
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（1）
破坏面内的地面超载为：
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（2）
泥浆与地下水压力的合力为：
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（3）
假定楔形体滑动破坏时，搅拌桩为平面剪切破坏，则搅拌桩的抗剪力为：
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（4）
滑动面的法向反力为：
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（5）
滑动面的土的抗剪力为：
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（6）
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：考虑到格构式桩加固之后土体抗剪强度增大系数，取1.4
根据滑裂面上的静力平衡原理，可得：
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（7）
假定滑动面为直线，滑动面与水平面的夹角θ按塑性极限破坏理论为45o+φ/2，带入公式可得：
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（8）
4格构式搅拌桩加固地下连续墙槽壁措施
在土层条件较好的地方进行地下连续墙槽壁施工时，一般采用泥浆进行护壁，但是在深厚的砂层或流塑状软土层中进行成槽开挖，采用泥浆护壁并不能防止槽孔坍塌，往往在地连墙成槽前采用水泥搅拌桩拌桩对槽壁进行加固处理。在目前的工程中，运用双层水泥搅拌桩加固地连墙槽壁居多，但在这种加固形势下，只是单纯地利用水泥搅拌桩的抗剪强度抵抗侧向土压力。而土体的强度并没有得到有效提高，如果槽边地面附加荷载过大，会导致槽边地表沉降过大，从而影响临近建筑物。因此，为使施工方便，施工机械及材料在槽边有效运作，减小槽边地表沉降，充分利用水泥搅拌桩的抗压强度，改善软弱土体的强度，在利用水泥搅拌桩加固地下连续墙槽壁时，不单纯地使用双排加固，而在地层加固坑外紧贴槽壁加固搅拌桩外侧横向一定范围内采用单轴搅拌桩密排格构式加固。
5 格构式水泥搅拌桩的加固机理
水泥搅拌桩是一种介于刚性桩与散体材料桩之间的桩型，它作为复合地基中的竖向增强体，在软土中主要呈现了桩体的作用，桩分担了大部分外荷载。由于水泥土桩抗压强度较低，当荷载较小时桩身发生变形，但仍遵循刚性桩应力传递规律，当承受荷载较大时，桩身上部变形加大，往下桩身应力与桩间土摩阻力逐渐衰减，桩通过桩侧阻力将荷载传到深层土中，在桩和土共同承担外荷载的过程中，土中高应力区增加，从而提高了地基的承载力，复合地基对软弱下卧层来说具有垫层的扩散作用，减小传到下卧层顶面的应力，同时减小了下卧层的变形。
深层搅拌桩复合地基加固体的作用主要表现在以下几个方面：
（1）桩体的作用
由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础下等量变形时，地基中应力按材料的模量进行分配。因此，桩体上产生应力集中的现象。大部分荷载将由桩体承担，桩间土上应力减少。这样就使得复合地基的承载力较原地基有所提高，沉降量有所减少。随着桩体刚度增加，其桩体作用发挥得更为明显。
（2）加固体垫层作用
桩与桩间土复合形成的复合地基，在加固深度范围内形成复合层，它可起到类似垫层的换土、均匀地基应力和起到应力扩散角等作用。在桩体没有贯穿整个软弱土层的地基中，垫层的作用大为明显。
（3）桩间土挤密作用
在成桩过程中，由于振动、排土、材料吸水、搅拌等作用，都对桩间土起到一定的密实作用。
（4）加速固结作用
搅拌桩虽然透水性降低，但是地基固结不但与地基土的透水性质有关，而且与地基土的变形有关。从土的固结系数
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可以反映出来。虽然水泥土桩会降低土的渗透系数k，但它同样会减小地基的压缩系数
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，而且通过后者的减小幅度要较前者大。因此使加固后的固结系数
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，大于加固前原地基土的固结系数，所以同样可起到加速固结的作用。而且由于桩侧摩阻力的作用，使得荷载均匀分布在桩间土各层之间，加速了桩间土的固结作用。
（5）加筋作用
半刚性桩复合地基除了可以提高地基的承载力外，还可以用来提高土体的抗剪强度，从而提高土坡的抗滑能力。
6 实例计算
6.1工程概况
会议中心站为深圳国际会展中心配套市政项目自南向北的第5座车站（终点站），车站位于和二涌以北、西海堤以东，沿东西向布置。周边现状为填埋区，场地标高2.5~6.0m。会议中心站总长438.00m、标准段宽20.1m，有效站台总长186.00m、宽11.00m，线间距为14.2m。车站轨面标高-9.32~-10.2m，底板标高-11.940m，基坑开挖深度约15.5m。车站东端为盾构始发井，西端预留盾构接收井。拟采用明挖法施工，主体围护结构拟采用1000mm地下连续墙加内支撑方案。
6.2地下连续墙槽壁加固方法
地下连续墙槽壁加固采用两侧各2排（基坑内外1m范围）直径500@500×400（纵×横）单轴搅拌桩咬合加固；车站地层加固坑外紧贴槽壁加固搅拌桩外侧横向9m，车站通长范围采用直径500@500×500单轴搅拌桩密排格构式加固；地层加固坑内为横向3排，纵向每设四道抽条加固，采用直径500@400×400单轴搅拌桩咬合式加固，具体见下图2所示。加固须穿过填土、桩底穿过<2-1>淤泥层以下1m，材料采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥用量约68kg/m，水灰比为0.7，28d龄期无侧限抗压强度应不小于0.6Mpa，水泥搅拌桩工艺流程如图3所示。
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图2搅拌桩槽壁加固平面大样图（单位m）
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图3 水泥搅拌桩工艺流程图
6.3计算结果
基坑开挖深度约为15.5m，地连墙成槽深度25m~28m，根据地勘资料稳定地下水埋深约在0.1m~4m，计算时取为2m，施工时泥浆液面距导墙约1.0m；考虑施工设备的影响，地面超载
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。场地的土层分布及其物理力学参数见表1。根据土层信息，在距离地表约14.77m的淤泥质土层易发生塌孔，下卧层为黏土层和淤泥质黏土层不存在塌孔的可能。槽壁两侧采用了单轴搅拌桩加固处理，搅拌桩的平均深度为16m，直径0. 55m。为简化计算，将上部14. 77m的土层做加权平均处理。采用直接快剪的黏聚力和内摩擦角指标。得到加权后的土体参数为
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，
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。假设滑动面与水平面的夹角达到塑性极限破坏时，其夹角
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，即50.9°。泥浆重度取为
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。搅拌桩水泥掺量为21%，搅拌桩成桩后单轴抗压强度不低于0.6MPa，搅拌桩的抗剪强度约为抗压强度的1/5 ～1/3，取抗剪强度
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。
表1 土层参数
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表2 各加固条件下安全系数
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由此可见通过搅拌桩加固的情况下，地下连续墙槽壁稳定性得到大大提高，利用格构式搅拌桩加固地连墙槽壁与仅用双层搅拌桩加固对比来看安全系数提高了13.5%。
6.4格构式水泥搅拌桩加固优点
（1）对比双层水泥搅拌桩加固，格构式水泥搅拌桩加固能从分利用搅拌桩的抗压性能，提高槽边的地基承载能力；
（2）改善软弱土层的力学性能，减小地下连续墙槽壁所受的土压力；
（3）由于其增大了槽边的地基承载能力，方便槽边机械的施工和材料的堆放；
（4）减小槽边的土层沉降，减小了对周围建筑物的影响。
7结语
本文基于库伦土压力的滑动体模型，对地下连续墙槽壁进行了稳定性分析。从结果来看，利用双层搅拌加固地下连续墙槽壁虽然大大提高了槽壁的稳定性，但桩的抗压性能没有充分利用，利用格构式搅拌桩加固，不仅可以抵抗槽壁所受的土压力，而且改善了软弱土层的力学性能，降低了槽边因施工机械运行、堆载造成的土体沉降，形成复合式地基。
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