刘 武
(中南冶勘资源环境工程有限公司，湖北 武汉 430035)
我国许多重要城市位于沿江、沿湖、沿海地区，城市建设过程中面临着软土地基问题，且软土地基工程呈现出逐年递增的趋势[1]。目前，水泥土搅拌桩利用物理化学反应提高软土地基的强度，已经成为一种有效的软土地基处理方式[2]。水泥土搅拌桩可以有效利用原土，与其他软土地基处理方法相比，具有加固深度大、操作简单方便、造价低等优势，其在软土地基基坑施工中得到了广泛的应用[3]。大量学者在水泥土搅拌桩方面开展了大量的研究工作。其中，有采用水泥土搅拌加固了了降雨入渗条件下的黄土路基，分析了加固后黄土路基的承载能力[4]；
以广东肇花高速公路软土地基水泥搅拌桩处理工程为研究背景，分析了3个现场的路基桩土沉降、压缩和分层沉降等情况[5]；
分析了水泥土搅拌桩的受力特征和破坏模式[6]；
结合实际工程中水泥土搅拌桩的分布规律和现场试验，分析了水泥土强度和水泥土搅拌桩成桩质量的主要影响因素[7]。上述研究表明水泥土搅拌桩可以有效改善软土地基。本文以春申湖路快速化改造工程5号节点基坑为研究背景，在开展水泥土密度、无侧限抗压强度、弹性模量、抗剪强度等物理力学性能测试的基础上，建立了水泥土加固技术在实际工程中应用的数值计算模型，分析了基坑土体及周边隧道的位移变化规律，为春申湖路快速化改造工程5号节点基坑提供了理论指导。
苏州春申湖路快速化改造工程上跨轨道交通4号线，其5号节点基坑表土层含有大量的淤泥和杂填土，为了保证基坑安全，需在基坑开挖前对软土进行加固。因此，需确定淤泥和杂填土中的水泥掺量。根据以往经验，设计了如表1所示5组水泥掺量和水灰比水泥土试验。
表1 水泥土中水泥掺量和水灰比Tab.1 Cement content and water-cement ratio in soil-cement
试验制备及密度、无侧限抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角测试均依据(JGJ/T 233—2011)《水泥土配合比设计规程》。
2.1 密度
不同水泥掺量下，淤泥和杂填土的密度变化曲线如图1所示。
从图1可以看出，不掺加水泥时，原状淤泥土和杂填土的密度分别为1 560、1 800 kg/m3。随着水泥掺量由18%逐渐递增至42%时，淤泥土的密度由1 618 kg/m3呈近线性增至1 701 kg/m3；
而杂填土的密度则由1 870 kg/m3呈近线性增至1 975 kg/m3。即，水泥掺量每增加10%，淤泥土和杂填土的密度将分别提高34.6、43.8 kg/m3，原因在于水泥浆掺入后能够同土颗粒一起固化并填充在一部分土孔隙内，从而提高土体的密度。
图1 加固土密度随水泥掺量的变化曲线Fig.1 Change curves of soil density with cement content
2.2 无侧限抗压强度
淤泥和杂填土无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线，结果如图2所示。
图2 加固土无侧限抗压强度随水泥掺量的变化曲线Fig.2 Chang curves of unconfined compressive strength of reinforced soil with cement content
从图2可以看出，当水泥掺量分别为18%、24%、30%、36%以及42%时，淤泥土抗压强度分别为0.87 、1.03、1.22、1.35和1.69 MPa；
杂填土抗压强度则分别为1.01、1.13、1.28、1.52和1.84 MPa。这说明随着水泥掺量的提高，淤泥土和杂填土的抗压强度也将逐渐提高，原因在于，水泥的活性物质能够与土中游离水发生化学反应而生成氢氧化钙、铁酸钙等硬性物质，并与土颗粒在空间上形成独特的泥土结构，从而提高了土体的抗压性能。
2.3 弹性模量
不同水泥掺量下淤泥和杂填土的弹性模量分布曲线如图3所示。
图3 加固土弹性模量随水泥掺量的变化曲线Fig.3 The elastic modulus variation curves of reinforced soil with cement content
从图3可以看出，随着水泥掺量的提高，淤泥和杂填土的弹性模量呈近线性式增长。当水泥掺量分别为18%、24%、30%、36%和42%时，淤泥土的弹性模量分别为508、784、957、1 279和1 445 MPa；
杂填土的弹性模量分别为634、841、1 125、1 346和1 520 MPa。这说明，水泥掺量每增加10%，淤泥土和杂填土的密度将分别提高390.4 MPa和369.2 MPa。
2.4 粘聚力
图4所示为淤泥和杂填土粘聚力随水泥掺量的变化曲线。
图4 加固土粘聚力随水泥掺量的变化曲线Fig.4 Chang curves of cohesion of reinforced soil with cement content
从图4可以看出，不掺加水泥时，淤泥和杂填土的粘聚力分别为5.0、25.1 kPa。当水泥掺量分别为18%、24%、30%、36%和42%时，淤泥土的粘聚力分别增至205、259、289、321和374 kPa，比未掺加前提高了200～369 kPa；
而杂填土的粘聚力分别增至238、276、331、369和428 kPa，比未掺加前提高了213～ 403 kPa。由此可见，水泥的掺入极大提高了原状淤泥土和杂填土的粘聚力，提高了它的抗剪性能。
2.5 内摩擦角
图5所示为淤泥和杂填土内摩擦角随水泥掺量的变化曲线。
图5 加固土内摩擦角随水泥掺量的变化曲线Fig.5 Change curves of internal friction angle of reinforced soil with cement content
从图5可以看出，不掺加水泥时，淤泥和杂填土的内摩擦角分别为10.1°和16.2°。当水泥掺量分别为18%、24%、30%、36%和42%时，淤泥土的内摩擦角分别增至28.6°、30.1°、32.0°、32.9°和34.7°，比未掺加前提高了将近18.5° ～ 23.6°；
而杂填土的内摩擦角分别增至31.8°、32.2°、33.5°、34.4°和35.6°，比未掺加前提高了将近15.6° ～ 19.4°。这说明水泥的掺入大大增加了原状淤泥土和杂填土的内摩擦角，有利于其在高剪应力作用下保持自身的稳定。
苏州春申湖路快速化改造工程5号节点基坑上跨苏州轨道交通4号线姚祥站至活力岛站区间隧道，基坑开挖长度约36.5 m、深度约6.2 m，支护形式采用Φ850@600型钢水泥土搅拌墙。基坑开挖影响范围内土层而下分别为淤泥、杂填土、素填土、淤泥质黏土、粉质黏土、粉土、粉质黏土、粉土夹粉质黏土，各土层物理力学参数如表2所示。
表2 5号节点基坑周边土体的物理力学参数Tab.2 Physical and mechanical parameters of the soil around the No.5 joint foundation pit
为减小基坑开挖对轨道交通4号线的影响，基坑地基采用3轴水泥土搅拌桩以及MJS工法进行组合加固，加固位置如图6所示。对于区间隧道上方及其两侧1.5 m范围内，采用MJS工法加固，竖向自原状地面至区间隧道顶1.5 m，平面上加固至基坑外侧5 m。对于区间隧道外侧1.5 ～ 4.5 m，采用3轴水泥土搅拌桩加固，竖向自地面加固至区间隧道底；
平面上加固至基坑外侧5 m；
2部分加固共同形成门式加固。3轴搅拌桩施工技术参数为3轴幅间搭接250 mm，桩长8.79～ 21.2 m，P·O42.5级普通硅酸盐水泥掺量20%，28 d抗压强度不小于1.0 MPa；
MJS工法技术参数为桩径2 400 mm，桩间距1 700 mm，搭接700 mm，桩长8.8～9.1 m，桩底距轨道交通4号线盾构顶大于等于1.5 m，P·O42.5级普通硅酸盐水泥掺量40%，28 d抗压强度不小于1.5 MPa。
图6 5号节点基坑水泥土加固示意图Fig.6 Schematic diagram of cement-soil reinforcement of No.5 joint foundation pit
根据上述工程情况，采用FLAC 3D建立5号节点基坑开挖数值模拟模型，具体如图7所示。该模型长×宽×高为85.0 m×76.8 m×35.0 m，包括轨道交通4号线、5号节点基坑围护结构、地基加固区几大部分。模型边界条件定义为底面固定、四周法向约束，顶面自由。4号线盾构隧道衬砌采用Shell单元进行模拟，其弹性模量、泊松比和厚度分别设为31.5 GPa、0.25和0.35 m；
基坑围护结构型钢水泥土搅拌墙采用实体单元进行模拟，其弹性模量和泊松比分别设为5.0 GPa和0.30；
混凝土支撑和钢支撑采用Beam单元进行模拟，弹性模量分别设为30、210 GPa，泊松比分别设为0.20、0.30。3轴搅拌桩以及MJS加固区土体的力学参数选用图1～图5相应水泥掺量的数据。
图7 5号节点基坑开挖数值模拟模型Fig.7 Numerical simulation model of No.5 joint foundation pit excavation
当5号节点基坑开挖完成后，表3给出了是否对地基进行加固条件下基坑以及轨道交通4号线支护结构以及周边土体的最大位移值。
表3 5号节点基坑以及邻近轨道交通4号线支护结构与周边土体的最大位移Tab.3 Maximum displacement of the supporting structure and surrounding soil of the foundation pit of No.5 node and the adjacent rail transit Line 4
由表3可知，地基土体未加固条件下5号节点基坑开挖完成后，基底最大隆起值达到10.39 mm，导致位于基坑下方的4号线的盾构隧道管片衬砌发生整体上浮，其最大竖向、水平位移分别为5.58、2.24 mm；
竖向、横向收敛位移分别为2.45、1.98 mm。这势必引起位于管片衬砌内部的轨道发生较大的变形而威胁列车行进安全。当采用3轴水泥土搅拌桩以及MJS工法对地基土体进行组合加固后，5号节点基坑开挖完成后，基底最大隆起值减小至2.16 mm，比未加固前减小了79.2%，4号线盾构隧道管片衬砌最大竖向位移和水平位移则分别减小至1.13、0.71 mm，比未加固前分别减小了79.7%和68.3%；
这与实际监测到基底最大隆起为1.96 mm、4号线最大竖向位移和水平位移分别为0.95、0.87 mm相符。由此可见，水泥土加固技术在苏州国际快速物流通道二期工程5号节点基坑工程中的应用极大减小了基坑本身以及邻近基坑的轨道交通4号线支护结构的变形，确保了基坑以及邻近隧道的安全。
(1)水泥掺量每增加10%，淤泥土和杂填土的密度将分别提高34.6、43.8 kg/m3，无侧限抗压强度将分别提高0.342、0.346 MPa，弹性模量则分别提高390.4、369.2 MPa；
(2)水泥掺量从18%增至42%时，淤泥土和杂填土的粘聚力将分别比未掺加前提高200～ 369 kPa和213～ 403 kPa；
内摩擦角则分别比未掺加前提高18.5°～23.6°和15.6°～ 19.4°；
(3)采用3轴水泥土搅拌桩以及MJS工法对地基土体进行组合加固后，5号节点基坑开挖完成后，基底最大隆起值减小至2.16 mm，比未加固前减小了79.2%；
4号线盾构隧道管片衬砌最大竖向位移和水平位移则分别减小至1.13、0.71 mm，比未加固前减小了79.7%和68.3%。