水泥搅拌桩设计与施工要点分析

孙 洁

(湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

水泥搅拌桩设计与施工要点分析

孙 洁

(湖南省交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

水泥搅拌桩作为一种较好的地基加固技术，在公路软土地基处理中应用广泛。结合工程案例阐述了水泥搅拌桩的适用范围；研究分析了设计计算要点；总结了施工要点，包括桩位平面布置、工艺试桩试验、施工工艺流程；通过设计调整和施工强化，最终质量检测结果显示水泥搅拌桩处置效果可以达到预期效果。为高速公路软土地基水泥搅拌桩设计和施工提供参考。

软弱路基； 水泥搅拌桩； 设计要点； 施工要点； 处置效果

水泥搅拌桩是通过加入固化剂而达到一定强度的桩体，一般会选用水泥粉或水泥浆等进行，通过压缩空气进入软土基，利用机械作用将二者进行搅拌从而发生物理化学反应，具有一定强度的水泥搅拌桩与桩间软土共同构成复合地基，从而提高承载力。这种地基更加稳定，沉降现象大幅度减少，体现出其优势所在。近些年随着公路建设规模越来越大，软土地基路基成为工程中常遇难题，路基含水量较高，大孔隙情况多见，因此具有高压缩性，这些问题对公路稳定造成负面影响，安全性大幅度降低。为了解决这些问题就需要进行软基处理，这是整个公路建设关键所在。为了满足需求，各种软基处理技术逐渐应用在实践当中，在这其中水泥搅拌桩处理软弱路基技术值得推广。

1 工程概况

本文案例为湖南境常德至梅城段桃马联络线，设计标准为二级公路，全长9.76546km，位于长江中下游区域，周边毗邻洞庭湖等大大小小的湖泊，这就导致大部分路基符合软弱地基的实际特征，给现场施工造成了极大的麻烦。在施工过程中，要充分地考虑到软土地基承载能力对整个路基的实际影响。对该地区土层勘测报告显示主要为以下几种情况：

1) 素填土: 这类土层颜色多以灰色及深灰色为主，有部分呈现杂色，土质含水量较高，大多为粘土，会有少量碎石混杂其间，此外还会有其他硬质杂物如粗砂，堆填时约5 m。由于未进行专门夯实，土质比较松散，大多以耕土为主，在残坡积台可见到植物根系。这种土层可达到0.6～7.1 m。

2) 淤泥质土: 这种土层为深浅不一的灰色，流塑，含水量可达到饱和，大多为粘粒，成分中另一主要部分为粉粒，细腻均匀，土层中可看到已腐败动植物成分，有些地方会有粉细砂混入其中，局部还可能有细砂，呈现淤泥混砂状态，由于含有腐败有机质故可闻到臭味，土质细腻饱和因此切面光滑，无摇振反应，这类土质去除水分后强度将会大幅提高，韧性呈现低到中度不等,可达3.1～11 m。

3)粉质粘土: 这种土层颜色以灰色为主，有可能呈现褐灰、灰白状态，含水可以达到饱和状态，具有较高可塑性，成分与淤泥质土相似，大多为粘粒、粉粒，多由于洪水造成，切面光滑。这种土层厚度大约1.2～4.2 m。

4 )中砂: 同样呈现不同深浅灰色，有较浅的灰黄、灰白色，也有较深的褐灰色。密度中等，土质饱和，土层颗粒较大，60%可以超过0.025 mm，其中少量成分为泥质，大约占15%，由于粗颗粒较多呈现粗砂状态，这种土质也来自于洪水冲积，厚度可达1.2～5 m。

5)残积砂质粘性土: 颜色与成分与中砂相似，呈现饱和状态，土质较硬，多为硬塑 — 坚硬，韧性适中，来自于风化残积，由花岗岩形成，可达1.5～4.9 m。

6)强风化花岗岩: 呈现灰黄、灰白色，可以清楚观察到原来岩石结构，经风化作用呈现散体 — 碎裂结构，岩芯呈碎屑状 — 碎块状。这类岩石质地较软，硬度不同，岩芯破碎程度存在差别，揭露厚度2.5～9.0 m。

7)中风化花岗岩: 颜色较浅，多为灰白色，由中细粒组成，节理不发育，呈现块状，柱状岩芯， RQD=7090，由于质地较硬因而风化程度略低，岩体保持较完整状态，基本质量等级为Ⅲ类，经过测量该类地层可以达到1.5～7.5 m。

根据报告显示地层状况可以确定各部分地基承载力情况，将各天然地基基本状况用表1进行表示。了解各土层性质，所有指标见表2。

表1 地基承载力容许值土质类别容许承载力f/kPa土质类别容许承载力f/kPa淤泥质土45砂质粘土层220粉质粘性土130强风化层花冈岩400中砂层200中风化层花岗岩2000

表2 各土层性质指标参数岩土类别天然含水量W/%天然重度γ/(kN·m-3)天然孔隙比e液性指数IL淤泥质土47.5816.711.341.13粉粘性土24.5119.010.810.21残积砂质粘性土22.6228.110.870.31压缩系数压缩模量/MPa直接快剪固结快剪C/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)1.122.178.928.4612.377.700.316.1122.1116.6128.5120.600.335.8917.2424.4117.6319.5

从该地地质报告及各地层多项指标对工程地质条件基本了解，表层软土层主要为淤泥质土，这种土质具有很好流塑性，呈现饱和状态。路基基础下层部分为中砂及残积砂质粘性土，这些土层相对较好。软土地基深度范围较大，测量可以达到4～10 m，大多分布于一般路段(K2+215～K3+234)。

2 道路软基处理方案选择

1) 水泥搅拌桩法是处理正常固结软地基一种有效方式，可用于淤泥与淤泥质土类地基加固，另外对于粉土、粘性土等不稳定软地基也具有提高稳定性作用，素填土和无流动地下水的饱和松散砂土类地基这种方法同样有效。但不是所有天然软地基都适合此类方法，如果pH值小于4，含水量相对较少、低于30%的地基土使用会受到限制。除此之外对于土层可塑性要求较高，若塑性指数超过25选用该种方法则要慎重。对于存在腐蚀性地下水或较多有机物土层也需通过测试来确定是否应用该种方法进行加固。由于水泥搅拌桩法应用时需要机械进行强制搅拌，而存在碎石等大块物质搅拌会受到影响，施工速度有可能因此变慢，在实际应用中要充分考虑这种因素，可事先清除杂物提高速度。

2) 本项目所处路段地基以含水较多淤泥质土为主，因此承载率相对较低，不能够满足设计要求，路面使用将会受到影响，必须对软基进行处理之后才能够铺筑路基。设计之前首先需要了解该地段土层情况并根据实际探测结果分析。淤泥质土是该段天然软地基主要成分，这种土质含水量较高，在该处分布深度较广，勘测结果显示可以达到4～10 m。在施工过程中需要综合考虑这些情况，根据经验具体情况具体处理。

3) 本项目工程期限有严格限制，因此在处理软基时不可过度耗费时间，必须在现在工期要求范围内完成，保证地基固结沉降，在稳定性上满足要求。进行工期估算时需要考虑具体实际情况、结合以往经验完成。对于上述几种方案优劣势进行对比，其中花费工期较长的塑料排水板法不能够满足现实需要，另外袋装砂井法耗时较多也被排除，经过筛选得到以下4个方案，其中包括水泥搅拌桩法，另外3种为PHC管桩、强夯置换法、CFG桩。

4) 通过造价估算对这4个方案进行初选，比较结果见表3， CFG桩、PHC管桩工程造价不具有优势，而强夯置换法不适合处理含水量高的淤泥质土，因此最终选定采用水泥搅拌桩方案。

表3 初选软基处理方案比较处理方案优势造价/(元·m-2)CFG桩工期短、工艺操作性好、便于质量控制200PHC管桩工期短、渗透力强、质量检测方便300水泥搅拌桩经济性明显,工期易掌控170强夯置换工艺性成熟,施工方法简单130

3 水泥搅拌桩设计要点分析

3.1 选取最不利断面

最不利断面选择对软基处理至关重要，这需要进行综合考虑，首先路基填土高度是考虑的重要因素，一般会选择较大高度部分；其次软土地基厚度也是一方面，大多会选择厚度较高位置。对于目前所掌握工程资料进行综合分析确定最不利验算断面，桩号K2+360处成为最终选择，该处路基高度及地基厚度分别为6.608 m和10.2 m，取钻孔36土样作为设计资料完成水泥搅拌桩设计计算，表4显示钻孔资料，表5为土工试验报告。钻孔处土样e—P关系曲线见图1。

表4 孔号36地质情况地层序号分层区间厚度/m岩土类别名称各土层类特性①2.4素填土层类灰色、杂色;主要为粘性土;呈湿—饱和状态;有少许硬质物,例如碎石、粗砂等②8.0淤泥质土层类灰色—深灰色;主要是粉粒土;呈饱和流塑状态,土质干强度高,韧性中等,土质均匀③1.9粉粘性土层灰色及褐灰色;主要为粘粒及粉粒;呈饱和可塑状态;切面状态光滑,成因为洪积④3.1中砂层灰白及褐灰色;含60%颗粒物,15%的成份为泥质;呈饱和中密状态;粗颗粒局部含量较高,洪积成因

表5 孔号36土工试验报告土样编号取样深度/m天然含水量/W/%天然重度γ/(kN·m-3)天然孔隙比e36-1 3～3.2 42.916.31.30736-2 5～5.2 46.516.71.30936-3 7～7.2 41.616.91.21436-4 9～9.2 40.516.61.23636-511～11.222.519.10.734液性指数IL压缩系数压缩模量/MPa直接快剪C/kPaφ/(°)1.081.042.2579.21.141.062.2189.21.080.962.34107.81.082.221.02710.40.090.286.432218.5

图1 不同土样的e — P关系曲线图

3.2 最不利断面验算

1) 依据相关公路工程设计规范，建立如图2所示，关于软土地基最不利断面的计算图示。为使道路路基具备更强的整体稳定性，故通过反压护道的方式对路基横断面两侧进行处理，同时铺设厚度为50 cm的砂垫层在水泥搅拌桩顶端。

图2 最不利断面计算图示(单位： m)

2)初步选择最不利断面验算的各项参数，见表6～表11。

表6 路堤设计参数设计高度值(路堤土层+路面结构层)/m设计顶宽/m边坡坡度6.60832.001/1.5

表7 路堤设计分层参数分层类别层厚度值/m重度值/(kN·m-3)内摩擦角/(°)内聚力值/kPa路堤土层5.88917.030.020.0路面结构层0.72123.035.022.0砂垫层0.5020.035.00.00

表8 施工荷载加载级数序号开始时间结束时间填土高度/m010第6个月5.87902第7个月第8个月0.24003第32个月第33个月0.441 注:工后沉降时间:180月(基准期);荷载级数:03。

表10 水泥搅拌桩参数选取布置形式布置间距值/m桩长值/m桩土应力比桩直径/m桩抗剪强度值/kPa等边三角形1.5011.004.000.5035.00

表11 施工超载分布值超载序号定位距离/m分布宽度/m超载值/kPa010.004.002.50024.0011.0012.760315.002.000.000417.0011.0012.760528.004.002.50

将上述参数输入理正岩土工程计算分析软件进行验算，并对验算结果进行分析。通过对计算结果的分析发现，结果中关于水泥搅拌复合地基的承载力参数符合施工要求，在工后使用期15 a内，复合地基出现27 cm沉降，这一数值低于一般路段50 cm的的容许工后沉降值，同时也低于一般构造物(如通道、涵洞等)基础30 cm容许工后沉降值，符合标准要求，由此说明在本次工程施工过程中对软土路段地基使用水泥搅拌桩进行处理后，所获得的复合地基可以获得较为理想的效果。

4 水泥搅拌桩施工要点分析

4.1 桩位平面布置

水泥搅拌桩的桩位平面布置情况，如图3所示。使用直径为0.5 m的水泥搅拌桩，桩间距为1.5 m，呈等边三角形进行布置。

图3 桩位平面布置(单位： cm)

4.2 工艺试桩试验

通过分析工程地质勘察报告发现，此次工程施工区域内的软土地基的含水率在30%到50%这一分布区间内，故对地基进行处理时可通过湿喷法进行操作。初选使用强度等级为42.5级，且水灰比在0.45到0.55之间的普通硅酸盐水泥进行处理，但为确保桩体满足设计需要，需要进行3次试桩试验后方可开展大面积施工作业，如表12所示，为前2次试验结果。

参照表12中2次试桩的试验结果，基于节省工期和降低工程造价的考虑，在确保不影响施工质量的前提下，以上述2次试验为基础，改良优化本次施工中水泥搅拌桩的施工工艺。经多方研究，并对可行性进行论证，最终确定了第3次试桩的施工方案： ①再试验14根水灰比为0.5的水泥搅拌桩，同时将减水剂类型以木质素减水剂替换原本的三乙醇胺减水剂，将减水剂含量控制在0.6%左右； ②以3喷4搅(即除第1次下钻外，其余几次下钻均喷浆)替换原本4喷4搅的施工工艺； ③结合施工机械的实际性能，要求“下2-上1-下2-上2”，(其中1、2均为机械档位)，同时水泥搅拌桩需钻入持力层不低于0.5 m；根据改良后的施工工艺进行第3次试验，除能获得良好的成桩效果，地基承载力等参数均可达到设计要求外，同时也可以使工期和工程造价获得有效地节省，故而此次改良后的施工工艺能够用于大面积施工。

表12 试桩试验记录类别控制水灰比桩号外加剂种类外加剂掺量/%水泥品牌实水泥用量/kg水泥等级工艺要求桩长度/m水泥用量均值/(kg·m-1)搅拌及喷浆时长/min成桩效果0.553649木质素(减水剂)0.549利民牌90042.56喷+6搅9.3091.3935成桩36480.561140010.70126.1639成桩试验一0.503760木质素(减水剂)0.601利民牌105042.56喷+6搅9.40106.3724.5成桩37610.6039509.1087.9325成桩0.503885木质素(减水剂)0.34利民牌95042.56喷+6搅9.1083.3525成桩38860.349509.1087.8925未成桩试验二0.553951三乙醇胺减水剂1.00利民牌75042.54喷+4搅9.1077.0124成桩39521.007759.1079.6922成桩

4.3 施工工艺流程及施工质量控制

1) 根据上述3次试桩试验所得数据，并结合项目设计文件对初选参数进行优化后，展开正式施工作业，具体施工流程如图4所示。施工过程中，使用2档进行搅拌下沉，使用1档进行提升。

图4 3喷4搅施工工艺流程

2) 工程质量控制：水泥用量的多少受到水灰比以及喷浆量的直接影响，而水泥搅拌桩的成桩质量的优劣以及桩体强度的高低均从很大程度上受到水泥用量的影响，因此在水泥搅拌桩的施工过程中，水灰比以及喷浆量是有效管控工程质量的重点。在对水灰比进行控制时，可使用泥浆比重计对水泥浆的比重进行现场测定，并参照水灰比与水泥浆比重二者间的关系，对测定结果进行分析，以此达到对水灰比的控制目的；除此以外可以通过流量计达到控制喷浆量的目的。

5 施工效果检验

1) 施工效果检验工作首先需对水泥搅拌桩的成桩质量进行检测。在成桩7 d后，选取总桩数5%的水泥搅拌桩为样本进行检测，对样本桩头进行浅部开挖，开挖深度应不少于以停浆面为基准向下0.5 m。开挖后，对桩体的直径以及成桩均匀程度进行检测。通过分析检测结果发现，本次施工所制的水泥搅拌桩桩径以及成桩质量均符合设计和使用的各项指标。

2) 对水泥搅拌桩成桩质量检测完成后，还需在其成桩28 d后对复合地基的载荷进行试验检测。选择总桩数50%的水泥搅拌桩作为检测样本，使用1.396 m×1.396 m的承压板开展试验。通过分析试验所得数据，此次试验中各检测点的复合地基承载力特征值均高于10 kPa，符合设计和使用的各项指标。由此可见，此次施工的施工效果良好，达到了项目的设计要求。

6 结论

本文以实际案例为支撑，提出了水泥搅拌桩设计与施工需要重视的要点。采用水泥搅拌桩的方案对施工区域内的软土地基进行处理，需通过设计验算及工艺性试桩试验，得出合理的施工参数，才能进一步展开大面积软地基施工。本案例项目最终通过各项质量检验结果分析得出，使用水泥搅拌桩对软土地基进行处理的方案，符合相关质量标准。结果显示水泥搅拌桩处置效果良好，达到设计使用要求，为同类型公路工程软土地基处理，提供了技术参考和经验借鉴。

[1] 陶林.高速公路软土路基的处理方法[J].黑龙江交通科技,2015(10).

[2] 孟芹,孙祺华,张翊波,等.强夯法用于巨粒混合土高填方路基的试验研究[J].公路交通技术,2015(2).

[3] 韦生根.红层软岩填方路基压实措施的试验与分析[J].公路交通技术,2014(1).

[4] 高海燕.公路软土路基处理技术的应用分析[J].黑龙江科学,2014(1).

2016-11-16

孙洁( 1985-) ，女，工程师，主要从事公路与市政道路设计。

1008-844X(2017)01-0058-05

U 416.1

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