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三排樁支護(hù)下高深岸坡工程穩(wěn)定性分析

文檔作者：胡志1，劉乃盛1，金宇2 文檔來源： 1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 2．安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月13日
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20
施工技術(shù)
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
2017年3月上
第46卷第5期
DOI：10．7672／s舒s2017050020
三排樁支護(hù)下高深岸坡工程穩(wěn)定性分析
胡志1，劉乃盛1，金宇2
(1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2．安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，安徽合肥230051)
[摘要]對(duì)高層建筑密集的市區(qū)航道工程進(jìn)行擴(kuò)寬整治，需嚴(yán)格控制其岸坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，保證河道邊坡穩(wěn)定，
以保障工程施工及周邊環(huán)境安全。結(jié)合采用三排鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的某運(yùn)河岸坡退建工程，研究開挖過程中岸
坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，并分析阻滑樁和水泥攪拌樁的施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)定系數(shù)、滑動(dòng)面形狀與位置的影響。在此
基礎(chǔ)上提出適合高深岸坡工程的經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案。
[關(guān)鍵詞]高邊坡；鉆孔灌注樁；三排樁；支護(hù)；穩(wěn)定性；施工技術(shù)
[中圖分類號(hào)]TU472 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A [文章編號(hào)]1002—8498(2017)05-0020—05
Study on the Stability of Deep Slope with Three-row Piles Supporting
Hu Zhil，Liu Naishen91，Jin Yu2
(1．School of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2．Anhui Provincial Post＆
_s^瑤)ping Construction Investment Co．，Ltd．，Hefei，Anhui 23005 1，China)
Abstract：When broadening and regulating canal of dense urban high-rise buildings，it’S very necessary
to control morph of slope supporting structure strictly and ensure the stability of slope to guarantee safety
and stability of improvement project and the surrounding tall buildings．Combined with retreat
construction engineering of canal slope which is supported by three—row anti·slide piles，the dynamic
change regularity of canal slope stability when the excavation is analyzed．It is also studied that how the
construction quality of anti-slide piles and cement mixing piles affects the dam slope stability and the
shape and location of sliding surface．On this basis，an economy and reasonable three-row piles
supporting proposal for the construction is advised．
Key words：deep slope；bored piles；three-row piles；supports；slope stability；construction
0 引言
隨著軟土地區(qū)城市建筑密度的增加，岸坡工程
周圍通常存在高層建筑群，岸坡的開挖過程受到嚴(yán)
格的環(huán)境制約。如何評(píng)價(jià)與保證岸坡的穩(wěn)定性、控
制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、減少對(duì)周圍環(huán)境的影響，已成
為岸坡工程設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)。1-5]。多排樁支護(hù)結(jié)
構(gòu)是一種空間組合類圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由前后多排鋼筋混
凝土樁以及樁頂?shù)膭傂赃B系梁組成，沿岸坡的剖面
方向形成多排圍護(hù)的空間結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)利用
前后多排樁對(duì)土壓力分布的有效分擔(dān)，使支護(hù)結(jié)構(gòu)
的入土深度、樁身的內(nèi)力分布更為合理，其變形也
能得到很好控制，在場(chǎng)地受限和環(huán)境受制約等的巖
土及地下工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用∞。1。
目前，在雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論以及影響
[作者簡(jiǎn)介]胡志，碩士研究生，E—mail：younger hzl993@163．corn
[收稿15t期]2016-01-08；[修訂13期]2016-05-16
因素等方面已經(jīng)取得一些成果和進(jìn)展。8。1“，為雙排
樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在岸坡支護(hù)工程中的合理應(yīng)用奠定了
良好基礎(chǔ)；而三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)理
論方面的研究幾乎是一片空白，嚴(yán)重制約三排樁在
實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合某運(yùn)河岸坡退
建工程，對(duì)三排樁結(jié)構(gòu)在高深岸坡支護(hù)工程中的支
護(hù)效果、開挖過程中的岸坡穩(wěn)定性，以及不同灌注
樁和水泥攪拌樁施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響等
進(jìn)行了分析與研究；以豐富三排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究
成果、保障依托工程的安全與穩(wěn)定，并為類似工程
的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和參考。
l 工程概況
某運(yùn)河為省際內(nèi)河航運(yùn)通道，對(duì)地區(qū)間水路運(yùn)
輸條件具有重要意義，因河段斷面較窄，為滿足限
制性III級(jí)航道寬度要求，對(duì)河道進(jìn)行擴(kuò)挖與整治，
并對(duì)南岸防洪墻采取退建，因此產(chǎn)生河岸高邊坡的
穩(wěn)定性問題。該運(yùn)河上跨多條重要橋梁，防洪墻退
萬方數(shù)據(jù)
胡志等：三排樁支護(hù)下高深岸坡工程穩(wěn)定性分析
最
最
圖1 K0+480斷面施工
Fig．1 Construction section KO+480
建距最近一處高層建筑僅約15m，壩坡的穩(wěn)定性直
接影響周邊環(huán)境的安全。根據(jù)其地質(zhì)勘察報(bào)告以
及整治方案，選取其中地質(zhì)條件較差、與高層建筑
群鄰近的K0+480斷面進(jìn)行計(jì)算分析。防洪墻底
板位于淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土上，墻前河道邊坡為淤泥
質(zhì)土。該段地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，采用三排鉆孔灌注阻滑
樁和水泥攪拌樁組合加固堤坡及堤基，灌注樁持力
層為中風(fēng)化安山巖。規(guī)范要求正常運(yùn)用條件下邊
坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1．30，基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)監(jiān)
測(cè)。斷面施工如圖1所示。
2計(jì)算參數(shù)
2．1土層參數(shù)
根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，合理簡(jiǎn)化土層建立計(jì)算模
型，采用施工圖設(shè)計(jì)的土層參數(shù)，各土層的力學(xué)參
數(shù)如表1所示。
表1各土層力學(xué)參數(shù)
Table 1 Mechanical parameters of each soil layer
2．2灌注樁參數(shù)
樁頂標(biāo)高為地面下2．6m，樁長(zhǎng)28m，人土深度
20．1m。考慮到樁底進(jìn)入巖層，可將進(jìn)入巖層部分
按固端考慮，人土深度14．4m。前排樁徑1．2m，樁
間距1．49m；后兩排樁徑1．2m，間距2．4m；連梁厚
1．5m。前中排樁間距4m，中后排樁間距3．8m。彈
性模量均按照C30混凝土計(jì)算(E=30 000MPa)，通
過樁土間的面積計(jì)算樁的等效剛度。
EA。q=(E。0il。A。0il+Epil。。A pil。)／s
考慮到混凝土的彈性模量遠(yuǎn)大于黏性土的彈
性模量，所以采用近似計(jì)算：
A。。=apile／s，，。。=]pile／s s為樁間距)
前排樁：
Aeq_‰^=籌-0．76m2
，eq“Pil少=篆-0．07m4
中后排樁：
Acq刊叫少=籌_0．47m2
，eq-，pIle／s=篆．0．04m4
連梁：
Aeq-bh_1．5m2，eq-獸_0．28m4
2．3水泥攪拌樁參數(shù)
水泥攪拌樁對(duì)岸坡土體進(jìn)行加固，加固后的土
體按照Priebe(1978)提出的復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指標(biāo)
進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算方法如下：
cp。=∞cp+(1一∞)c。
tan妒p。=cotan(pp+(1一(cJ)tan(pp。
萬方數(shù)據(jù)
22 施工技1：
式中：c。為水泥黏土樁的黏聚力(kPa)；C。為樁土間
的黏聚力(kPa)；妒。為水泥黏土樁的內(nèi)摩擦角(。)；
c。。為水泥黏土樁復(fù)合地基的黏聚力(kPa)。
因岸坡長(zhǎng)期在水下工作環(huán)境復(fù)雜，考慮水對(duì)土
體軟化效應(yīng)，對(duì)計(jì)算后的參數(shù)進(jìn)行0．80的折減。土
層加固后具體參數(shù)如表2所示。
表2加固土層參數(shù)
Table 2 Mechanical parameters of reinforced soil
3 開挖過程中的岸坡穩(wěn)定性分析
邊坡穩(wěn)定性分析方法很多，常用的有極限平衡
法和有限元分析法。極限平衡法是將有滑動(dòng)趨勢(shì)
范圍內(nèi)的邊坡土體沿某一滑動(dòng)面切成若干豎條或
斜條，在分析條塊受力的基礎(chǔ)上建立整個(gè)滑動(dòng)土體
的力或力矩平衡方程，并以此為基礎(chǔ)確定邊坡的穩(wěn)
定安全系數(shù)；目前用有限元法進(jìn)行土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性
分析可以分為兩類：一類是用有限元分析求出邊坡
內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變，再通過優(yōu)化搜索找到最小安全系
數(shù)滑動(dòng)面的方法；另一類則是強(qiáng)度折減法，即對(duì)巖
土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，邊坡剛好達(dá)到臨界破壞
狀態(tài)時(shí)的折減系數(shù)則為安全系數(shù)值。
本文采用了極限平衡法與有限單元強(qiáng)度折減
法對(duì)各施工過程中岸坡的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。
極限平衡法計(jì)算采用功能強(qiáng)大的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性
巖土分析軟件GEO．SLOPE，該程序能對(duì)復(fù)雜的土層
和滑動(dòng)面形狀進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，并以圖形化形
式直觀地表現(xiàn)最危險(xiǎn)滑動(dòng)面、對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)中心的位
置和相應(yīng)的安全系數(shù)。有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算采
用的是功能強(qiáng)大的通用巖土有限元計(jì)算軟件
PLAXIS 2D，該軟件界面友好、操作便捷，包含多種
常用的土體本構(gòu)模型(如Mohr．Coulomb模型)，適合
巖土及地下工程問題的分析研究，已廣泛應(yīng)用于各
種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析。
安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖2所示，極限平衡法計(jì)
算得到滑面位置與形狀如圖3所示，得出以下結(jié)論。
1)兩種方法得到的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果十分接
近，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；自然岸坡的安全系
數(shù)<1．0，安全系數(shù)偏小。其原因在于，土層設(shè)計(jì)參
數(shù)考慮各種偶然工況、地質(zhì)變異系數(shù)、荷載分項(xiàng)系
數(shù)等，以涵蓋各種可能的不利工況，采用設(shè)計(jì)參數(shù)
進(jìn)行自然岸坡穩(wěn)定性分析得到的安全系數(shù)會(huì)偏于
安全。在進(jìn)行原防護(hù)堤拆除及岸坡卸載施工時(shí)，仍
需密切注意其施工作業(yè)面邊坡的局部穩(wěn)定性，高度
8『一極限平衡法
6l—有限元折減法
圖2各施工步岸坡穩(wěn)定性系數(shù)
Fig．2 The slope stability coefficient of each
construction step
fl自然岸坡—。_■圈
c開挖l 。__圈
一i“i—oi～l
e開挖3
—▲。一硎瑚簟
““刊r?～{
。0開挖5
b旌作阻滑樁—。刪-_
剿j——簟_
f開挖4
——?1，』阿■
圖3 各施工步下滑移面的位置與形狀
Fig．3 The position and shape of the sliding surface
during each construction step
警惕和預(yù)防由此帶來的安全事故。
2)在前4步開挖過程中，滑動(dòng)面的位置均位于
灌注樁加固范圍之外，灌注樁不能對(duì)樁前岸坡提供
抗滑力；隨著岸坡開挖的進(jìn)行，岸坡坡高降低，穩(wěn)定
性逐步提高；樁前岸坡有可能出現(xiàn)局部滑動(dòng)現(xiàn)象，
因滑動(dòng)區(qū)屬于岸坡卸載部分，不會(huì)對(duì)竣工后的堤防
工程的安全性造成影響，但仍應(yīng)注意坡體的局部滑
動(dòng)可能造成的施工安全隱患。
3)第5步開挖后，滑動(dòng)面從樁后一直延伸到樁
前，由局部穩(wěn)定性變?yōu)榘镀鹿こ陶w穩(wěn)定性問題，
三排灌注樁提供抗滑力，水泥攪拌樁改善了土層工
程性質(zhì)，而且坡前擋土圍堰提供壓腳反壓作用，因
此岸坡穩(wěn)定性大幅提高，表明鉆孔灌注樁與水泥攪
拌樁對(duì)控制岸坡穩(wěn)定性的重要性。
4)第6步開挖后，施工結(jié)束，失去坡腳圍堰，邊
坡整體穩(wěn)定性系數(shù)下降幅度較大，施工時(shí)需密切監(jiān)
控邊坡的整體穩(wěn)定性。通過極限平衡法和有限元
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萬方數(shù)據(jù)
2017 No．5 胡志等：三排樁支護(hù)下高深岸坡工程穩(wěn)定性分析23
強(qiáng)度折減法計(jì)算得到岸坡最終安全系數(shù)為1．356和
1．355，與計(jì)算的自然岸坡穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比可知，整
個(gè)施工過程中岸坡的穩(wěn)定性可以得到保證。最終
滑動(dòng)面未通過水泥攪拌樁加固區(qū)，表明水泥攪拌樁
使岸坡滑動(dòng)面下移，提高了岸坡的整體穩(wěn)定性。
4 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響分析
河道岸坡利用多排鉆孔灌注樁，按一定間距排
列，并結(jié)合格柵式布置的水泥攪拌樁墻對(duì)河岸岸坡
進(jìn)行加固有效防止岸坡滑動(dòng)，其施工質(zhì)量對(duì)保證施
工和運(yùn)營(yíng)期岸坡安全與穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用。
4．1 阻滑樁施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響
阻滑樁的抗滑作用通過其抗剪強(qiáng)度體現(xiàn)，通過
不同程度地折減其抗剪強(qiáng)度來模擬阻滑樁的施工
質(zhì)量達(dá)標(biāo)程度。分別對(duì)前排樁、中排樁、后排樁以
及三排樁的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減，其他計(jì)算參數(shù)保持
不變，求解岸坡的安全系數(shù)如表3所示。
通過對(duì)灌注樁強(qiáng)度的折減來模擬施工質(zhì)量不
能達(dá)到設(shè)計(jì)要求對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。計(jì)算結(jié)果
表明，對(duì)三排樁分別進(jìn)行折減時(shí)岸坡的穩(wěn)定性均有
一定程度的下降；其中，前排樁施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)
定性影響最大，若不能有效保證前排樁的施工質(zhì)
量，會(huì)嚴(yán)重增大岸坡整體滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)而言，
中后排樁對(duì)岸坡的抗滑作用較為不明顯，折減一半
強(qiáng)度后岸坡安全系數(shù)并無太大降低。對(duì)三排灌注
樁同時(shí)折減結(jié)果表明，灌注樁施工質(zhì)量的不達(dá)標(biāo)會(huì)
對(duì)岸坡穩(wěn)定性有較大影響；當(dāng)三排樁抗剪強(qiáng)度同時(shí)
折減70％時(shí)，岸坡穩(wěn)定性下降為1．167，已不滿足規(guī)
范要求。因此，在樁基施工時(shí)，必須采取有效措施，
保證前、中、后3排灌注樁的施工質(zhì)量，避免樁身傾
斜甚至斷樁等質(zhì)量問題。施工結(jié)束后，應(yīng)當(dāng)按照規(guī)
范對(duì)樁基進(jìn)行低應(yīng)變檢測(cè)，檢查樁身的完整性，保
證岸坡的穩(wěn)定性。
4．2水泥攪拌樁施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響
4．2．1 水泥攪拌樁置換率對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響
水泥攪拌樁的施工質(zhì)量反映于攪拌樁加固區(qū)
土體的抗剪強(qiáng)度，即c，9值?？辜魪?qiáng)度與水泥攪拌
樁的加固效果密切相關(guān)，根據(jù)復(fù)合地基抗剪強(qiáng)度指
標(biāo)計(jì)算方法可知，加固效果表現(xiàn)在攪拌樁的面積置
換率m。采用表4中不同置換率下的土體抗剪強(qiáng)
度，岸坡滑動(dòng)面變化典型情況如圖4所示，不同置換
率下岸坡的安全系數(shù)，如圖5所示。
表4不同置換率下復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度
Table 4 Shear strength of composite soil with different
replacement rates
：一，—麓霾：，黛寨萋i ．■二：．■鋈鍪i鬻■黧鍪鋈■簍．．■．目 _■—i鎏■：鎏—攀塑堂■簍鎏Ii
iIili邈■■匿i■I■I蠢■刺■群i
圖4不同置換率下典型滑面
Fig．4 Typical slip plan with different replacement ratio
籟
垛
剁
悄
l 0
0 9
0．8
O．7
0 0．05 0．1 0．15 O．2 025 0．3 0．35
置換率
圖5不同置換率下岸坡安全系數(shù)
Fig．5 Safety factor of the slope with different
replacement ratio
分析結(jié)果表明，當(dāng)未采用攪拌樁加固岸坡時(shí)，
麗e
萬方數(shù)據(jù)
24 施工技術(shù)第46卷
最危險(xiǎn)滑移面通過坡腳，不經(jīng)過阻滑樁，較可能發(fā)
生樁前的邊坡失穩(wěn)；當(dāng)置換率<5％時(shí)，滑動(dòng)面為中
心圓，此時(shí)置換率的提高可以明顯增加邊坡的穩(wěn)定
性；隨著攪拌樁的面積置換率提高，最危險(xiǎn)滑移面
逐漸下移經(jīng)過阻滑樁，岸坡較可能發(fā)生繞樁滑動(dòng)；
當(dāng)置換率提高到10％以后，安全系數(shù)保持為1．355，
滑移面已經(jīng)處于攪拌樁加固土層以下，不經(jīng)過水泥
攪拌樁的加固范圍，因此進(jìn)一步提高置換率并不能
提高邊坡的穩(wěn)定性；從岸坡穩(wěn)定性角度考慮，理論
最經(jīng)濟(jì)合理的水泥攪拌樁面積置換率約為10％，施
工圖設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)防水要求和施工工藝精度對(duì)置
換率進(jìn)行適當(dāng)修正，施工圖設(shè)計(jì)時(shí)考慮更為合理的
樁間距與分布形式，使得加固措施更為經(jīng)濟(jì)有效，
同時(shí)降低施工難度，加快樁基施工速度，從而更好
地保證施工期河岸邊坡的穩(wěn)定。
4．2．2水泥攪拌樁的深度效應(yīng)對(duì)岸坡穩(wěn)定性影響
在水泥攪拌樁的施工過程中，水泥攪拌樁的有
效長(zhǎng)度也是施工質(zhì)量控制過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。
當(dāng)置換率提高到m=10％時(shí)，邊坡的滑動(dòng)面位于攪
拌樁加固區(qū)域以下。由此，維持?jǐn)嚢铇睹娣e置換率
為m=10％，逐步加深水泥攪拌樁的加固深度，加固
深度在原深度的基礎(chǔ)上依次增加0．5，1．0，1．5，
2．0，4．0，6．0m，分析其安全系數(shù)與滑動(dòng)面位置的變
化?；嫖恢镁植糠糯蠛桶踩禂?shù)如圖6所示。結(jié)
果表明，當(dāng)水泥攪拌樁加固深度逐漸加深時(shí)，其滑
面的位置逐漸加深，并與加固區(qū)的邊緣相切，相對(duì)
應(yīng)的安全系數(shù)F。也隨之增大。因此，在水泥攪拌樁
的施工過程中宜加固至硬土層下1m以上，在攪拌
樁加固強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度前不能進(jìn)行后續(xù)施工，以
保證岸坡的施工穩(wěn)定性。
拶，
／
』I夕”一
a深度增加0，5m b深度增加1 0m c深度增加1．5m
F=1358 F=l 360 F=1 364
饕鬻麟l}／
多，
¨{j|¨
d深度增；On2．Om e深度增加4 0m
F1=l 367 F=1，389
深度增]JH6 On
F=l 416
圖6不同加固深度下的滑面位置及安全系數(shù)
Fig．6 Slip plan and safety factor with different
reinforcement depth
5 結(jié)語
結(jié)合某運(yùn)河岸坡退建工程實(shí)例，對(duì)三排鉆孔灌
注阻滑樁結(jié)合水泥攪拌樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在高深岸坡工
程中的支護(hù)效果，施工過程岸坡穩(wěn)定性變化規(guī)律以
及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響等方面
進(jìn)行分析研究，得到如下結(jié)論。
1)在整個(gè)開挖過程中，岸坡的穩(wěn)定性滿足安全
要求，采用三排鉆孔灌注阻滑樁和水泥攪拌樁組合
加固堤坡及堤基的支護(hù)方案合理安全，效果明顯。
2)三排鉆孔灌注樁尤其是前排樁的施工質(zhì)量
對(duì)岸坡的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用；在施工過程
中，須保證排樁的豎直度、混凝土強(qiáng)度與樁長(zhǎng)、樁徑
等樁基施工質(zhì)量指標(biāo)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，施工后應(yīng)進(jìn)
行質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)前排樁的施工質(zhì)量要予以格外關(guān)注。
3)使用水泥攪拌樁加固岸坡，在一定范圍內(nèi)，
面積置換率的提高能有效提高岸坡穩(wěn)定性，但對(duì)土
層力學(xué)性質(zhì)的提高作用逐漸降低。提高水泥攪拌
樁的有效加固長(zhǎng)度也可以增加邊坡的穩(wěn)定性，因此
在設(shè)計(jì)、施工過程中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際計(jì)算分析，考
慮經(jīng)濟(jì)合理的水泥攪拌樁樁間距、分布形式及樁長(zhǎng)。
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