CN105735236A - 一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，步骤包括：一、对施工现场地质勘测，确定土层划分信息；二、确定厚淤泥层加固方法，即采用水泥搅拌桩与CFG桩相结合的方法隔离加固淤泥土；三、确定地下连续墙槽壁两侧的最小加固宽度；四、水泥搅拌桩和CFG桩加固地下连续墙槽壁两侧的厚淤泥。本发明通过计算地下连续墙槽壁两侧厚淤泥的最小加固宽度保证成槽施工时槽壁的稳定性；采用水泥搅拌桩和CFG桩相结合的方法加固厚淤泥土，克服了现有技术中存在的施工工期长、造价高、甚至不能加固的缺点和不足，实现了厚淤泥土的高效加固施工。

Description

一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法

技术领域

本发明涉及一种地下建筑工程技术领域中的施工方法，具体地，涉及一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法。

背景技术

全国各大城市正在大规模地建设城市地下铁道以及各种地下空间。这些地下空间构筑物需要通过基坑开挖来建造，基坑开挖时需要用地下连续墙作为挡土与挡水的临时结构。由于各城市所处的地质条件和周围环境的不同，需要在各种地质条件下修筑地下连续墙。地下连续墙施工工艺已在我国天然沉积砂性土、粘性土等软土地层中得到了广泛应用。但在我国沿海地区，淤泥土分布广泛、埋深浅且层厚大。淤泥土是在静水或缓慢的流水环境中沉积，经物理、化学和生物化学作用形成的，未固结的软弱细粒或极细粒土，其特征为高含水量、高孔隙比、高压缩性、低强度。在这种厚淤泥土中进行地下连续墙成槽施工，传统成槽机难于抓挖淤泥土成槽，造成施工成槽困难、槽壁失稳、施工效率低、工期长的不利局面。针对上述难点，为保证地下连续墙成槽施工顺利进行，迫切需要一种加固地下连续墙槽壁两侧的厚淤泥土的安全施工方法。

传统处理淤泥土的方法包括换填法、排水固结法、压密灌浆法等。换填法适用于浅埋淤泥土加固，对层厚较大的淤泥土或者无法完全挖除进行换填，或者可以换填但成本高、工期长。排水固结法可分为真空预压、强夯、真空联合预压堆载，该方法适用于层厚为4～8m的淤泥土加固，对于厚度超过10m的淤泥层，采用该方法易产生堆载或强夯时间过长、造价高、甚至不能处理深部淤泥土的难题。压密灌浆法是通过钻孔在土中灌入极浓的浆液，在注浆点使土体压密，并在注浆管端部附近形成“浆泡”，采用该方法加固的土体密度不匀均、力学性质不统一，难以保证后续成槽施工过程中槽壁的稳定性。经对现有文献的检索发现一项相关专利的申请，发明专利“[申请号为201110254239.8]，发明名称：抛石挤淤也逐渐成为一种淤泥软土地基的加固技术”。该专利自述为：“通过向淤泥中抛填开山料的整式挤淤方式，将较大块径的单块体抛入淤泥中，并用振动碾逐层加载，使较大块径的单块体在淤泥中形成骨架，然后在骨架上部及间隙采用大小级配良好，透水不透泥的爆破开山料进行整式压载挤淤置换。”该专利所述的淤泥软土地基处理方法对4～5m的浅埋深淤泥层是有效的，而对于厚度超过10m的淤泥层，上述专利提出的方法难以挖出置换深部淤泥土，且由于淤泥土含水饱和、流塑性极大、侧滑或上涌现象严重，上述方法易造成土体倾覆、塌陷等工程事故，难以确保工程质量和施工工期。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，通过计算地下连续墙槽壁两侧厚淤泥的最小加固宽度保证成槽施工时槽壁的稳定性；采用水泥搅拌桩和CFG桩相结合的方法加固厚淤泥土，克服了现有技术中存在的施工工期长、造价高、甚至不能加固的缺点和不足，实现了厚淤泥土的高效加固施工。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、对施工现场地质勘测，确定土层划分信息；通过钻孔取芯确定厚淤泥层的长度、宽度、标高和层厚；根据地下连续墙的设计图确定厚淤泥层影响地下连续墙成槽施工的区段长度；所述的厚淤泥层是指：层厚不小于10m的淤泥层；

第二步、确定厚淤泥层加固方法

为防止地下连续墙成槽过程中淤泥土流动过大、滑移和倾覆，对厚度超过10m的淤泥土，确定采用将影响地下连续墙成槽施工的淤泥土与周围土体隔离的方法加固，并采用水泥搅拌桩与CFG桩相结合的方法隔离加固淤泥土；

第三步、确定地下连续墙槽壁两侧的最小加固宽度

地下连续墙槽壁两侧土体的最小加固宽度B_min满足以下公式：

$B_{min}=\sqrt{\frac{2\×(1.4E_a{b}_a+E_w{b}_w)}{\mathrm{\ρ}Sg\×{10}^{-3}}}$

其中：E_a为主动土压力合力；b_a为主动土压力合力至淤泥层底的距离；E_w为水压力合力；b_w为水压力合力至淤泥层底的距离；ρ为混凝土密度，取2430kg/m³；S是根据厚淤泥层厚而预估的桩长；g为重力加速度；

第四步、水泥搅拌桩和CFG桩加固地下连续墙槽壁两侧的厚淤泥

1)确定水泥搅拌桩的施工参数；

2)水泥搅拌桩加固：

在第一步确定的厚淤泥层影响地下连续墙成槽施工的区段，于地下连续墙槽壁两侧各施打两排平行于槽壁的水泥搅拌桩，且水泥搅拌桩的中心线与地下连续墙槽壁的最小距离为水泥搅拌桩的桩径的一半；

3)确定CFG桩的施工参数；

4)CFG桩加固：

在地下连续墙槽壁两侧各施打多排平行于槽壁的CFG桩，且CFG桩位于水泥搅拌桩远离槽壁的一侧。

优选地，第一步中，所述的土层划分是指：采用冲击钻探法确定施工场地周围地表以下1.5倍地下连续墙深度范围内的土层埋藏厚度及深度，得到施工场地周围土层划分信息。

优选地，第二步中，所述的水泥搅拌桩，是利用水泥为固化剂的主剂，通过搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，以达到土体加固目的。

优选地，第二步中，所述的CFG桩，是水泥粉煤灰碎石桩(CementFly-ashGravel)，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌合，用成桩机械制成的具有强度的可变桩。

优选地，第三步中：

所述的地下连续墙槽壁两侧土体的最小加固宽度B_min公式中：

主动土压力合力E_a满足以下公式：

$E_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{ai},$

主动土压力合力至淤泥层底的距离b_a满足以下公式：

$b_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\[h_i(K_{ai}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{i-1}{h}_{i-1}-2c_i\sqrt{K_{ai}})\×(\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_j+\frac{h_i}{2})+\frac{{\mathrm{\γ}}_i{h_i}^2{K}_{ai}}{2}\×(\underset{j=i+1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_j+\frac{h_i}{3})\]}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{E}_{ai}},$

水压力合力E_w满足以下公式：

$E_w=\frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_w{(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i-h_w)}^2,$

水压力合力至淤泥层底的距离b_w满足以下公式：

$b_w=\frac{1}{2}(\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{h}_i-h_w),$

其中：i为自上至下的土体层数；j为第i+1层土体层数；n为淤泥土的层数；γ_i为第i层土体的重度，地下水位以上取天然重度，地下水位以下取浮重度；γ_w为水重度，取10kN/m³；_γi-1为第i-1层土体的重度，地下水位以上取天然重度，地下水位以下取浮重度；c_i为第i层土体的有效粘聚力；h_i为第i层土体的层厚；h_i-1为第i-1层土体的层厚；h_j为第i+1层土体的层厚；h_w为地下水位与地表面的距离；E_ai为第i层土体的主动土压力合力；K_ai为第i层土体的主动土压力系数。

更优选地，所述的第i层土体的主动土压力合力E_ai满足以下公式：

$E_{ai}=(K_{ai}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\γ}}_{i-1}{h}_{i-1}-2c_i\sqrt{K_{ai}})h_i+\frac{{\mathrm{\γ}}_i{h_i}^2{K}_{ai}}{2}.$

更优选地，所述的第i层土体的主动土压力系数K_ai满足以下公式：

其中，为第i层土体的内摩擦角。

优选地，第四步的1)中，所述的水泥搅拌桩的施工参数包括：水泥搅拌桩的类型、桩径、桩长、中心间距、水灰比，其中：根据现场试验确定水泥搅拌桩的桩径；根据厚淤泥层的厚度确定水泥搅拌桩的桩长；根据水泥搅拌桩的桩径确定水泥搅拌桩的中心间距；根据室内试验确定水泥搅拌桩的水灰比。

更优选地，所述的水泥搅拌桩的类型为单轴水泥搅拌桩。

更优选地，所述的水泥搅拌桩的桩径为450mm～600mm，根据现场试验确定。

更优选地，所述的现场试验是指：在施工现场通过搅拌机施打4～6根水泥搅拌桩，采用卷尺测量其成桩直径，取平均，所得数值即为水泥搅拌桩的桩径。

更优选地，所述的水泥搅拌桩的桩长为地表至淤泥层底下1m～4m的距离。

更优选地，所述的水泥搅拌桩的中心间距包括排内及排间中心间距，且均满足以下公式：

b＝0.9(1.5d+0.5)，

其中，d为水泥搅拌桩的桩径。

更优选地，所述的水泥搅拌桩的水灰比W/C满足以下公式：

$\frac{W}{C}=\frac{Af}{f_{cu}-ABf},$

其中：f为水泥强度；A、B为待定系数，由室内试验回归分析确定；f_cu为水泥搅拌桩桩体混合料试块标准养护28d的无侧限抗压强度。

更优选地，所述的f_cu满足以下公式：

$f_{cu}=\frac{0.45\×(q_s{\mathrm{\πl}}^2+0.25{\mathrm{\α\πd}}^2{q}_p)}{{\mathrm{\πd}}^2},$

其中：q_s为水泥搅拌桩桩周土的平均摩擦力，淤泥取5～8kPa；q_p为桩端地基土未经修正的承载力特征值；α为水泥搅拌桩桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4～0.6；d为水泥搅拌桩直径；l为水泥搅拌桩桩长；

更优选地，所述的室内试验回归分析是指：在施工现场通过压入法采取淤泥土，采用不同的水灰比制作水泥搅拌桩桩体混合料试块，试块尺寸为150mm×150mm×150mm，在标准养护28d后，测水泥搅拌桩桩体混合料试块的单轴无限测压强度f_cu与水泥强度f的比值，通过回归分析确定该比值与水灰比之间的线性关系，即可得到待定系数A和B。

优选地，第四步的3)中，所述的CFG桩的施工参数包括：CFG桩的桩径、桩长、中心间距、最小排数n_min、水灰比、粉灰比，其中：根据厚淤泥层的厚度确定CFG桩的桩长；根据CFG桩的直径确定CFG桩的中心间距；根据最小加固宽度B_min确定CFG桩的最小排数n_min；根据室内试验确定CFG桩的水灰比，再结合CFG桩的塌落度确定CFG桩的粉灰比。

更优选地，所述的CFG桩的桩径为400mm。

更优选地，所述的CFG桩的桩长为地表至淤泥层底下3m～5m的距离。

更优选地，所述的CFG桩的中心间距包括：CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距、CFG桩的排内中心间距，以及CFG桩的排间中心间距；其中：

CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距与1)中水泥搅拌桩的中心间距b相同；

CFG桩的排内中心间距b₁满足以下公式：

$b_1=\left\{\begin{array}{cc}0.9\×(1.5d_1+0.5)& \left(a\right)\\ 2.7\×(1.5d_1+0.5)& \left(b\right)\end{array}\right.$

式中：公式(a)适用于距离槽壁最近的单排CFG桩，公式(b)适用于其他排CFG桩，d₁为CFG桩的直径；

CFG桩其他排的排间中心间距与公式(b)相同。

更优选地，所述的CFG桩的最小排数n_min满足以下公式：

$n_{min}=\frac{B_{\min }-2\×b}{2.7\×(1.5d_1+0.5)}+1.$

更优选地，所述的CFG桩的水灰比W₁/C₁满足以下公式：

$\frac{W_1}{C_1}=\frac{Gf}{f_{cucfg}-GEf},$

其中：f为水泥强度；G、E为待定系数，由室内试验回归分析确定；f_cucfg为CFG桩桩体混合料试块标准养护28d的无侧限抗压强度。

更优选地，所述的f_cucfg满足以下公式：

$f_{cucfg}=\frac{1.5\×(q_{sc}{{\mathrm{\πl}}_c}^2+0.25{\mathrm{\α}}_c{{\mathrm{\πd}}_1}^2{q}_{pc})}{{{\mathrm{\πd}}_1}^2}$

其中：q_sc为CFG桩桩周土的平均摩擦力，淤泥取5～8kPa；q_pc为CFG桩桩端地基土未经修正的承载力特征值；αc为CFG桩桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4～0.6；d₁为CFG桩桩直径；l_c为CFG桩桩长；

更优选地，所述的室内试验回归分析是指：采用不同的水灰比制作CFG桩桩体混合料试块，试块尺寸为150mm×150mm×150mm，在标准养护28d后，测得CFG桩桩体混合料试块的单轴无限测压强度f_cucfg与水泥强度f的比值，采用回归分析确定该比值与水灰比之间的线性关系，即可得到待定系数G和E。

更优选地，所述的CFG桩的粉灰比与水灰比、塌落度有关，当塌落度为3cm时，CFG桩的粉灰比F/C₁满足以下公式：

$\frac{F}{C_1}=1.27\×(\frac{W_1}{C_1}-0.187).$

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明方法克服了现有技术在地下连续墙槽壁两侧厚淤泥加固中施工工期长、造价高、甚至不能加固的缺点和不足，实现了槽壁两侧厚淤泥土的高效加固施工。采用本发明方法加固厚淤泥具有强度高、刚度大、成本低、施工效率高等特点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的厚淤泥层与车站基坑位置关系平面图；

图2为本发明一优选实施例的局部厚淤泥层水泥搅拌桩加固后的剖面图；

图3为本发明一优选实施例的地下连续墙槽壁两侧淤泥加固后的平面图；

图4为本发明一优选实施例的地下连续墙槽壁两侧淤泥加固后的A-A剖面详图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施例以某车站基坑为例，车站设计起点里程为DK79+338.678，终点里程为DK79+653.678。该车站采用明挖法施工，其围护结构采用地下连续墙加内支撑的围护结构形式，地下连续墙墙厚为800mm。车站基坑长约315m，深约16.8～18.7m，宽约21.3～37.8m。根据勘察资料，该车站场地岩土层可划分为：素填土、淤泥、粉质粘土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩以及中风化混合花岗岩，且施工场地按设计要求平整硬化后标高为4.56m，该场地的地下水位位于地表以下1m处。

本实施例提供一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，具体实施方式如下：

第一步，施工现场地质勘测，具体的：

本实施例采用冲击钻探法，确定车站基坑的土层自上而下为：

素填土，层厚为1m，内摩擦角为30°，有效粘聚力为0kPa，天然重度为20kN/m³；

淤泥，层厚为1.6～16.8m，内摩擦角为2.46°，有效粘聚力为4.48kPa，天然重度为16kN/m³，承载力基本值40kPa；

粉质粘土，层厚为1.1～21.60m，内摩擦角为19.18°，有效粘聚力为29.29kPa，天然重度为19kN/m³，承载力基本值180kPa；

全风化花岗岩，层厚为10.8～35.5m，内摩擦角为21.36°，有效粘聚力为5.61kPa，天然重度为19kN/m³，承载力基本值250kPa；

强风化花岗岩，层厚为0.3～22.5m，承载力基本值400kPa；

中风化花岗岩，层厚为3.1～3.8m，承载力基本值600kPa。

采用钻孔取芯探测车站基坑周围地表以下30m深度范围的淤泥，如图2所示，钻孔1、钻孔2及钻孔3在淤泥层的层顶标高分别为7.86m、6.93m、5.19m，层底标高分别为-7.14m、-7.07m、-7.07m，层厚分别为15m、14m、12.26m，探测结果表明该部分淤泥为厚淤泥土，影响地下连续墙成槽施工的厚淤泥土的厚度约为12m。该厚淤泥主要位于车站基坑场地西侧，如图1所示，其起点里程为DK79+470，终点里程为DK79+548，总长度约78m，最大宽度约为63.59m，其中位于基坑内外的宽度分别为14.97m、48.62m。根据地下连续墙的设计图确定厚淤泥层影响地下连续墙成槽施工的区段长度为65.67m，共计11幅(WW24～WW34)地下连续墙，如图3所示。

第二步，确定厚淤泥层的加固方法，具体的：

通过第一步的钻孔取芯已探明厚度超过10m的厚淤泥的基本信息，为防止地下连续墙成槽过程中厚淤泥土流动过大、滑移和倾覆，确定采用将影响地下连续墙成槽施工的淤泥土与周围土体隔离的方法加固。由于CFG桩强度高、刚度大但在淤泥中易紧缩，而水泥搅拌桩不易在淤泥紧缩，因此确定采用水泥搅拌桩与CFG桩相结合的方法隔离加固淤泥土。

第三步，确定地下连续墙槽壁两侧的最小加固宽度，

根据地下连续墙槽壁两侧土体的最小加固宽度B_min满足公式：

$B_{min}=\sqrt{\frac{2\×(1.4E_a{b}_a+E_w{b}_w)}{\mathrm{\ρ}Sg\×{10}^{-3}}}$

得到B_min为6.2m；具体通过如下步骤获得：

素填土的主动土压力系数为：

淤泥土的主动土压力系数为：

素填土的主动土压力合力为：

$E_{a1}=0+\frac{20\×1^2\×0.33}{2}=3.3kN/m$

淤泥土的主动土压力合力为：

$\begin{array}{c}{E}_{a2}=(0.92\×20\×1-2\×4.48\×\sqrt{0.92})\×12+\frac{(16-10)\×{12}^2\×0.92}{2}\\ =515.11kN/m\end{array}$

主动土压力合力为：

E_a＝3.3+515.11＝518.41kN/m

主动土压力合力至淤泥层底部的距离为：

$\begin{array}{c}{b}_a=\frac{\frac{20\×1\×0.33}{2}\×(12+\frac{1}{3})+1\×(0.92\×20\×1)\×\frac{12}{2}+\frac{(16-10)\×{12}^2\×0.92}{2}\×\frac{12}{3}}{3.3+515.11}\\ =3.6m\end{array}$

水压力合力为：

$E_w=\frac{1}{2}\×10\×{(1+12-1)}^2=720kN/m$

水压力合力至淤泥层底部的距离为：

$b_w=\frac{1}{2}(1+12-1)=6m$

从而得到地下连续墙槽壁两侧土体的最小加固宽度B_min为：

$B_{min}=\sqrt{\frac{2\×(1.4\×518.41\×3.6+720\×6)}{2430\×15\×10\×{10}^{-3}}}=6.2m.$

第四步，水泥搅拌桩和CFG桩加固地下连续墙槽壁两侧的厚淤泥，具体的：

1)确定水泥搅拌桩的施工参数；

本实施例中，所述水泥搅拌桩的类型为单轴水泥搅拌桩，通过现场试验确定水泥搅拌桩的桩径为600mm、桩长为15m(进入淤泥层下3m)、中心间距为1.26m。该水泥搅拌桩的制作采用的是水泥强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5，水泥用量为150kg/m，淤泥用量为993kg/m，水用量为75kg/m；所述单轴水泥搅拌桩通过如下步骤制作：

采用型号为GPT-9000A的拓普康全站仪定位桩孔；单轴水泥搅拌机就位，保持其平稳，不发生倾斜、位移；开启单轴水泥搅拌机，单轴水泥搅拌机的搅拌轴转速为60r/min、电动机功率为50kW、最大扭矩为1500Kgm、搅拌叶片外径为50cm、灰浆泵送浆压力为0.5Mpa；待搅拌深度达到15m时，关闭单轴水泥搅拌机，单轴水泥搅拌桩的制作完成。

本实施例中，所述水泥搅拌桩的中心间距b满足以下公式：

b＝0.9(1.5d+0.5)，

式中d为水泥搅拌桩的桩径，d＝600mm；

从而得到b：

b＝0.9(1.5×0.6+0.5)＝1.26m。

本实施例中，所述水泥搅拌桩的配制水灰比W/C为0.5，其通过如下步骤获得：

水泥搅拌桩的配制水灰比W/C满足以下公式：

$\frac{W}{C}=\frac{Af}{f_{cu}-ABf},$

式中：f为水泥强度，为42.5；A、B为待定系数，通过室内试验回归分析得到A为0.5，B为-1.92；f_cu为水泥搅拌桩桩体混合料试块(边长150mm)标准养护28d的无侧限抗压强度，其满足以下公式：

$f_{cu}=\frac{0.45\×(q_s{\mathrm{\πl}}^2+0.25{\mathrm{\α\πd}}^2{q}_p)}{{\mathrm{\πd}}^2},$

式中：q_s为水泥搅拌桩桩周土的平均摩擦力，本实施例取6kPa；q_p为水泥搅拌桩桩端地基土未经修正的承载力特征值，本实施例取180kPa；α为水泥搅拌桩桩端天然地基土的承载力折减系数，本实施例取0.5；水泥搅拌桩的桩径d＝600mm；水泥搅拌桩的桩长l＝15m；

得到f_cu：

$\begin{array}{c}{f}_{cu}=\frac{0.45\×(6\×\mathrm{\π}\×{15}^2+0.25\×0.5\×\mathrm{\π}\×{0.6}^2\×180)}{\mathrm{\π}\×{0.6}^2}\×{10}^{-3}\\ =1.70Mpa\end{array}$

从而得到水泥搅拌桩的配制水灰比W/C：

$\frac{W}{C}=\frac{0.5\×42.5}{1.70-0.5\×(-1.92)\×42.5}=\mathrm{0.5.}$

2)水泥搅拌桩加固，具体的：

在第一步确定的厚淤泥层影响地下连续墙成槽施工的11幅(WW24-WW34)地下连续墙区段，采用型号为GPT-9000A的拓普康全站仪定位槽壁两侧两排水泥搅拌桩的中心线，在距离地下连续墙槽壁两侧0.30m及1.56m处采用单轴搅拌机各施打两排水泥搅拌桩，如图2、3和4所示。

3)确定CFG桩的施工参数

本实施例中，所述CFG桩的直径为400mm、桩长为15m(进入淤泥层下3m)，CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距为1.26m，靠近槽壁的单排CFG桩的排内中心间距为0.99m，其他排CFG桩的中心间距为2.97m，CFG桩的排间中心间距为2.97m，最小排数为3。CFG桩制作采用的是强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥、水灰比为0.88，粉灰比为0.88、水泥用量为250kg/m³、水用量为220kg/m³、粉煤灰用量为220kg/m³，石屑用量521kg/m³、碎石1059kg/m³，无外加剂。本实施例中CFG桩的制作通过如下过程完成：

采用型号为GPT-9000A的拓普康全站仪定位桩孔；长螺旋钻机就位，保持其平稳，不发生倾斜、位移，对好桩位；开动长螺旋钻机钻孔，带钻孔深度为15m时，拔出钻杆；通过80拖式泵泵送混合料，当钻杆充满混合料后开始拔管，不得先提管后泵料，且成桩的提拔速度宜控制在2～3m/min，至此CFG桩制作完成。

本实施例中，所述CFG桩的中心间距包括：CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距、CFG桩排内及排间中心间距，其中：

(1)CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距与水泥搅拌桩的中心间距b相同，即为1.26m；

(2)CFG桩的排内中心间距b₁满足以下公式：

$b_1=\left\{\begin{array}{cc}0.9\×(1.5d_1+0.5)& \left(a\right)\\ 2.7\×(1.5d_1+0.5)& \left(b\right)\end{array}\right.$

其中：公式(a)适用于靠近槽壁的单排CFG桩，公式(b)适用于其他排CFG桩，d₁为CFG桩的直径，为400mm；

由公式(a)得到，距离槽壁最近的单排CFG桩的排内中心间距为：

b₁＝0.9×(1.5×0.4+0.5)＝0.99m；

由公式(b)得到，其他排CFG桩的排内中心间距为：

b₁＝2.7×(1.5×0.4+0.5)＝2.97m。

(3)CFG桩其他排的排间中心间距与公式(b)相同，即为2.97m。

本实施例中，所述CFG桩的最小排数n_min满足以下公式：

$n_{min}=\frac{B_{min}-2\×b}{2.7\×(1.5d_1+0.5)}+1$

式中：地下连续墙槽壁两侧的最小加固宽度B_min为6.2m，b为1.26m，CFG桩的直径d₁为400mm，

从而得到n_min：

$n_{min}=\frac{6.2-2\×1.26}{2.7\×(1.5\×0.4+0.5)}+1=2.24,$

即最小排数取为3排。

本实施例中，所述CFG桩的配制水灰比为0.88，其通过如下步骤获得：

CFG桩的配制水灰比W₁/C₁满足以下公式：

$\frac{W_1}{C_1}=\frac{Gf}{f_{cucfg}-GEf},$

式中：f为水泥强度，为42.5；G、E为待定系数，通过室内试验回归分析得到G为0.61、E为-0.65；f_cucfg为CFG桩桩体混合料试块(边长150mm)标准养护28d的无侧限抗压强度，其满足以下公式：

$f_{cucfg}=\frac{1.5\×(q_{sc}{{\mathrm{\πl}}_c}^2+0.25{\mathrm{\α}}_c{{\mathrm{\πd}}_1}^2{q}_{pc})}{{{\mathrm{\πd}}_1}^2},$

式中：q_sc为CFG桩桩周土的平均摩擦力，本实施例取6kPa；q_pc为CFG桩桩端地基土未经修正的承载力特征值；α_c为CFG桩桩端天然地基土的承载力折减系数，本实施例取0.5；CFG桩的直径d₁＝400mm；CFG桩的桩长l_c＝15m；

得到：

$\begin{array}{c}{f}_{cucfg}=\frac{1.5\×(6\×\mathrm{\π}\×{15}^2+0.25\×0.5\×\mathrm{\π}\×{0.4}^2\×180)}{\mathrm{\π}\×{0.4}^2}\×{10}^{-3}\\ =12.69Mpa\end{array}.$

从而得到CFG桩的配制水灰比W₁/C₁：

$\frac{W_1}{C_1}=\frac{0.61\×42.5}{12.69-0.61\×(-0.65)\×42.5}=\mathrm{0.88.}$

本实施例中，所述CFG桩的配制粉灰比为0.88(塌落度为3cm)，其通过如下步骤获得：

CFG桩的粉灰比与水灰比、塌落度有关，当塌落度为3cm时，CFG桩的粉灰比F/C₁满足以下公式：

$\frac{F}{C_1}=1.27\×(\frac{W}{C_1}-0.187)$

式中W₁/C₁通过上述计算得到为0.88，从而得到CFG桩的粉灰比F/C₁：

$\frac{F}{C_1}=1.27\×(0.88-0.187)=\mathrm{0.88.}$

4)CFG桩加固，具体的：

采用型号为GPT-9000A的拓普康全站仪定位三排CFG桩的中心线，在距离地下连续墙槽壁两侧2.82m、5.79m、8.76m处采用长螺旋钻机各施打三排CFG桩，如图3和4所示。

本实施例所述方法，克服了现有技术在地下连续墙槽壁两侧厚淤泥加固中施工工期长、造价高、甚至不能加固的缺点和不足，实现了槽壁两侧厚淤泥土的高效加固施工。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步，对施工现场地质勘测，确定土层划分信息；通过钻孔取芯确定厚淤泥层的长度、宽度、标高和层厚；根据地下连续墙的设计图确定厚淤泥层影响地下连续墙成槽施工的区段长度；所述的厚淤泥层是指：层厚不小于10m的淤泥层；

第二步，确定厚淤泥层加固方法；

为防止地下连续墙成槽过程中淤泥土流动过大、滑移和倾覆，对厚度超过10m的淤泥土，确定采用将影响地下连续墙成槽施工的淤泥土与周围土体隔离的方法加固；由于CFG桩强度高、刚度大但在淤泥中易紧缩，而水泥搅拌桩不易在淤泥紧缩，因此确定采用水泥搅拌桩与CFG桩相结合的方法隔离加固淤泥土；

第三步、确定地下连续墙槽壁两侧的最小加固宽度；

地下连续墙槽壁两侧土体的最小加固宽度B_min满足以下公式：

$B_{min}=\sqrt{\frac{2\×(1.4E_a{b}_a+E_w{b}_w)}{\mathrm{\ρ}Sg\×{10}^{-3}}}$

其中：E_a为主动土压力合力；b_a为主动土压力合力至淤泥层底的距离；E_w为水压力合力；b_w为水压力合力至淤泥层底的距离；ρ为混凝土密度，取2430kg/m³；S是根据厚淤泥层厚而预估的桩长；g为重力加速度；

第四步、水泥搅拌桩和CFG桩加固地下连续墙槽壁两侧的厚淤泥

1)确定水泥搅拌桩的施工参数；

2)水泥搅拌桩加固：

在第一步确定的厚淤泥层影响地下连续墙成槽施工的区段，于地下连续墙槽壁两侧各施打两排平行于槽壁的水泥搅拌桩，且水泥搅拌桩的中心线与地下连续墙槽壁的最小距离为水泥搅拌桩的桩径的一半；

3)确定CFG桩的施工参数；

4)CFG桩加固：

在地下连续墙槽壁两侧各施打多排平行于槽壁的CFG桩，且CFG桩位于水泥搅拌桩远离槽壁的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，第一步中，所述的土层划分是指：采用冲击钻探法确定施工场地周围地表以下1.5倍地下连续墙深度范围内的土层埋藏厚度及深度，得到施工场地周围土层划分信息。

3.根据权利要求1所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，第三步中：

所述的地下连续墙槽壁两侧土体的最小加固宽度B_min公式中：

主动土压力合力E_a满足以下公式：

$E_a=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{ai},$

主动土压力合力至淤泥层底的距离b_a满足以下公式：

$b_a=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\[h_i(K_{ai}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{i-1}{h}_{i-1}-2c_i\sqrt{K_{ai}})\×(\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j+\frac{h_i}{2})+\frac{{\mathrm{\γ}}_i{h_i}^2{K}_{ai}}{2}\×(\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_j+\frac{h_i}{2})\]}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{ai}},$

水压力合力E_w满足以下公式：

$E_w=\frac{1}{2}{\mathrm{\γ}}_w{(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i-h_w)}^2,$

水压力合力至淤泥层底的距离b_w满足以下公式：

$b_w=\frac{1}{2}(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_i-h_w),$

其中：i为自上至下的土体层数；j为第i+1层土体层数；n为淤泥土的层数；γ_i为第i层土体的重度，地下水位以上取天然重度，地下水位以下取浮重度；γ_w为水重度，取10kN/m³；γ_i-1为第i-1层土体的重度，地下水位以上取天然重度，地下水位以下取浮重度；c_i为第i层土体的有效粘聚力；h_i为第i层土体的层厚；h_i-1为第i-1层土体的层厚；h_j为第i+1层土体的层厚；h_w为地下水位与地表面的距离；E_ai为第i层土体的主动土压力合力；K_ai为第i层土体的主动土压力系数。

4.根据权利要求3所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，所述的第i层土体的主动土压力合力E_ai满足以下公式：

$E_{ai}=(K_{ai}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{i-1}{h}_{i-1}-2c_i\sqrt{K_{ai}})h_i+\frac{{\mathrm{\γ}}_i{h_i}^2{K}_{ai}}{2};$

所述的第i层土体的主动土压力系数K_ai满足以下公式：

其中，为第i层土体的内摩擦角。

5.根据权利要求1所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，第四步的1)中，所述的水泥搅拌桩的施工参数包括：水泥搅拌桩的类型、桩径、桩长、中心间距、水灰比，其中：根据现场试验确定水泥搅拌桩的桩径；根据厚淤泥层的厚度确定水泥搅拌桩的桩长；根据水泥搅拌桩的桩径确定水泥搅拌桩的中心间距；根据室内试验确定水泥搅拌桩的水灰比。

6.根据权利要求5所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，所述的水泥搅拌桩的类型为单轴水泥搅拌桩；

所述的水泥搅拌桩的桩径为450mm～600mm，根据现场试验确定；其中现场试验是指：在施工现场通过搅拌机施打4～6根水泥搅拌桩，采用卷尺测量其成桩直径，取平均，所得数值即为水泥搅拌桩的桩径；

所述的水泥搅拌桩的桩长为地表至淤泥层底下1m～4m的距离；

所述的水泥搅拌桩的中心间距包括排内及排间中心间距，且均满足公式：b＝0.9(1.5d+0.5)，其中d为水泥搅拌桩的桩径；

所述的水泥搅拌桩的水灰比W/C满足公式：其中：f为水泥强度；A、B为待定系数，由室内试验回归分析确定；f_cu为水泥搅拌桩桩体混合料试块标准养护28d的无侧限抗压强度。

7.根据权利要求6所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，所述的水泥搅拌桩桩体混合料试块标准养护28d的无侧限抗压强度f_cu满足以下公式：

$f_{cu}=\frac{0.45\×(q_s{\mathrm{\πl}}^2+0.25{\mathrm{\α\πd}}^2{q}_p)}{{\mathrm{\πd}}^2},$

其中：q_s为水泥搅拌桩桩周土的平均摩擦力，淤泥取5～8kPa；q_p为桩端地基土未经修正的承载力特征值；α为水泥搅拌桩桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4～0.6；d为水泥搅拌桩直径；l为水泥搅拌桩桩长；

所述的室内试验回归分析是指：在施工现场通过压入法采取淤泥土，采用不同的水灰比制作水泥搅拌桩桩体混合料试块，试块尺寸为150mm×150mm×150mm，在标准养护28d后，测水泥搅拌桩桩体混合料试块的单轴无限测压强度f_cu与水泥强度f的比值，通过回归分析确定该比值与水灰比之间的线性关系，即可得到待定系数A和B。

8.根据权利要求1所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，第四步的3)中，所述的CFG桩的施工参数包括：CFG桩的桩径、桩长、中心间距、最小排数n_min、水灰比、粉灰比，其中：根据厚淤泥层的厚度确定CFG桩的桩长；根据CFG桩的直径确定CFG桩的中心间距；根据最小加固宽度B_min确定CFG桩的最小排数n_min；根据室内试验确定CFG桩的水灰比，再结合CFG桩的塌落度确定CFG桩的粉灰比。

9.根据权利要求8所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，所述的CFG桩的桩长为地表至淤泥层底下3m～5m的距离；

所述的CFG桩的中心间距包括：CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距、CFG桩的排内中心间距，以及CFG桩的排间中心间距；其中：

CFG桩与水泥搅拌桩的最小中心间距与1)中水泥搅拌桩的中心间距b相同；

CFG桩的排内中心间距b₁满足以下公式：

$b_1=\left\{\begin{array}{cc}0.9\×(1.5d_1+0.5)& \left(a\right)\\ 2.7\×(1.5d_1+0.5)& \left(b\right)\end{array}\right.$

式中：公式(a)适用于距离槽壁最近的单排CFG桩，公式(b)适用于其他排CFG桩，d₁为CFG桩的直径；

CFG桩其他排的排间中心间距与公式(b)相同；

所述的CFG桩的最小排数n_min满足以下公式：

$n_{min}=\frac{B_{\min }-2\×b}{2.7\×(1.5d_1+0.5)}+1;$

所述的CFG桩的水灰比W₁/C₁满足以下公式：

$\frac{W_1}{C_1}=\frac{Gf}{f_{cucfg}-GEf},$

式中：f为水泥强度；G、E为待定系数，由室内试验回归分析确定；f_cucfg为CFG桩桩体混合料试块标准养护28d的无侧限抗压强度；

所述的CFG桩的粉灰比与水灰比、塌落度有关，当塌落度为3cm时，CFG桩的粉灰比F/C₁满足以下公式：

$\frac{F}{C_1}=1.27\×(\frac{W_1}{C_1}-0.187).$

10.根据权利要求9所述的一种厚淤泥层中地下连续墙成槽施工的土体预加固方法，其特征在于，所述的CFG桩桩体混合料试块标准养护28d的无侧限抗压强度f_cucfg满足以下公式：

$f_{cucfg}=\frac{1.5\×(q_{sc}{{\mathrm{\πl}}_c}^2+0.25{\mathrm{\α}}_c{{\mathrm{\πd}}_1}^2{q}_{pc})}{{{\mathrm{\πd}}_1}^2};$

其中：q_sc为CFG桩桩周土的平均摩擦力，淤泥取5～8kPa；q_pc为CFG桩桩端地基土未经修正的承载力特征值；α_c为CFG桩桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.4～0.6；d₁为CFG桩桩直径；l_c为CFG桩桩长；

所述的室内试验回归分析是指：采用不同的水灰比制作CFG桩桩体混合料试块，试块尺寸为150mm×150mm×150mm，在标准养护28d后，测得CFG桩桩体混合料试块的单轴无限测压强度f_cucfg与水泥强度f的比值，采用回归分析确定该比值与水灰比之间的线性关系，即可得到待定系数G和E。