水泥搅拌桩在软土路基处理中应用研究

林和信

(福建省地质工程勘察院 福建福州 350002)

0 引言

在深厚软土地基上修筑城市道路，软基加固是其中的关键技术之一[1-2]。水泥土搅拌桩作为公路工程软土路基处理的重要方法之一，具有重要的应用价值。水泥土搅拌桩法形成的水泥土加固体，可作为竖向承载的复合地基，软土路基土体参数选用与设计参数选取，对软土路基设计质量有着决定性的影响。复合地基处理方法作为一种常见的地基处理方法，已经在软土地区得到了广泛的应用。尤其在沿海深厚软土地区。

对水泥土搅拌桩在软土路基施工中的应用进行研究，主要是为了能够了解水泥土搅拌桩的原理构成情况，以及其在软土路基施工过程中的具体应用和相关质量控制，从而达到在软土路基施工过程中应用水泥土搅拌桩的目的。通过提高水泥土搅拌桩的应用水平，促进其在软土路基施工中的发展。

1 水泥搅拌桩加固机理

水泥土搅拌桩施工中所用的主要材料，是水泥浆液或者其他胶凝性质的固化剂材料。其原理，主要是在搅拌过程中，要使用特定的搅拌机械，对水泥浆液或其他胶凝性质的相应材料与软土路基进行强制性、均匀地搅拌。固化剂材料与软土进行融合，会在一定程度上产生相应的物理化学反应；利用二者间的融合反应，可以提高软土路基的稳定性、强度和韧度[3-4]。在水泥土搅拌桩的构成过程中，软土路基的强化程度与固化剂材料的掺入有关，并且依据固化剂材料掺入时的状态情况，分为水泥浆液搅拌方式和水泥粉干式喷射搅拌方式。

2 工程简介

2.1 工程概况

福州市某临江道路，拟设计双向四车道，设计标准为城市主干道、城市次干路，设计行车速度20km/h～40km/h，道路路基设计标准轴载BZZ-100，道路路面结构拟采用路基稳定层、沥青砼路面结构组合，道路排水采用接入管道。

场地沿线分布较深厚软土层且其顶部多为薄层填土，设计考虑道路软基处理。

2.2 地层情况

场地位于闽江下游，临近入海口，场地属冲海积、淤积平原地貌单元。根据工程勘察，查明场地由地面自上而下分布的主要岩土层有素填土、粘土、淤泥、淤泥夹砂、细砂夹淤泥和中砂，各岩土层的主要物理力学指标如表1所示。典型钻孔剖面图如图1所示。主要岩土体描述如下：

素填土①：黄色，稍湿，松散-稍密，局部混淤泥质土，土质不均，混少量粘性土。

粘土②(中液限土)：灰黄、灰褐色，可塑状态为主，湿～饱和。湿土无摇震反应、韧性中等、干强度中等，切面较光滑，手搓有砂感。

淤泥③(高液限土)：深灰、灰黑色，流塑状态，饱和。湿土摇震反应慢、韧性中等、干强度中等，切面光滑，含少量腐烂植物根系，污手，具有臭味。地基土平均Bm=-0.66，地基土干湿类型属过湿。有机质含量占1.89%～4.07%。

淤泥夹砂④(高液限土)：深灰色，饱和，软-流塑，稍有光泽，摇振反应弱，韧性中等，干强度中等，该层具水平层理，层理间夹粉细砂。地基土平均Bm=-0.79，地基土干湿类型属过湿。有机质含量占1.65%～3.83%。

细砂夹淤泥⑤：深灰色，松散-中密，饱和，以长石、石英颗粒为主，呈次棱角状，该层具水平层理，分选性中等，中粗粒含量约占30%～40%，细粒含量约占40%～50%，粉粘粒含量约占5%～15%，局部因淤泥夹层粘粒含量较高，分布不均。

中砂⑥：灰白色，中密-密实，饱和，以长石、石英中粗砂为主，粒径大于0.25mm达到50%以上，颗粒多呈棱角状，分选性一般。级配稍好，粘粒含量约占5%～15%，该层分布于整个场地。

表1 场地主要岩土体物理力学指标

图1 典型钻孔剖面图

3 水泥搅拌桩设计

该试验段场地中上部土层极差，软土厚度不均匀，局部存在深厚软土，地基承载力低，属软弱地基，不能满足路基承载力和变形的要求。对路段内的一般路段采用水泥土搅拌桩(湿喷)进行地基处理，桩按正三角形布置，桩间距1.80m、桩径为0.50m/0.80m、设计平均桩长14m。使处理后的复合地基承载力、工后沉降满足要求。

3.1 工程试桩目的

通过试桩确定水泥品种与强度等级、水泥掺入量及水灰比，取得搅拌桩水泥土的重度、相对密度、无侧限强度、抗剪强度和变形模量等指标以及钻进转速、提升速度和喷浆压力及单桩承载力特征值、复合地基承载力值等施工数据，为工程施工提供工艺流程、机械设备及相应的施工参数等，为类似地质条件下软土地基处理提供设计参考依据。

3.2 试桩方法

水泥搅拌桩采用钉型双向水泥土搅拌桩设备施工，其中，扩大头部分采用四搅两喷施工工艺，即施工时两次下钻只搅拌不喷浆、两次提升边搅拌边喷浆，下钻速度0.5～1.1m/min，提升速度1.3～1.5m/min；桩体部分采用两搅一喷施工工艺，即下钻时搅拌不喷浆、提升时边搅拌边喷浆，下钻速度1.1～1.3m/min，提升速度1.3～1.5m/min。根据设计要求及相关配合比试验结果确定水灰比，合适的水灰比制备出的水泥浆液流动性好，便于泵送、喷搅。针对该工程软土的性质，结合工程施工经验，水泥采用普通硅酸盐水泥。

图2 在线实时监控

试验段应用搅拌桩施工在线监控系统和自动化在线制浆系统(图2)进行实时监控，可以实时查看桩机的施工情况，并且能够以报表的形式自行记录每一根搅拌桩成桩的桩长、水泥用量、垂直度、成桩时间以及电流值的变化，给准确采集试验工艺参数提供了保障。本系统制浆效率高，计量精准，性能稳定，制备出浆液比重稳定，能够充分保证施工的连续性与稳定性。具体试验指标如表2所示。

表2 钉型双向水泥土搅拌桩技术参数表

注：不同的水泥掺入量均采用两搅一喷与四搅两喷两种工艺，每种工艺成桩3根。

3.3 试桩成果分析

试验桩达到凝期后进行桩身取芯、芯岩抗压强度检测试验及桩身竖向抗压静载试验等。

根据复合桩基钻孔取芯成果表明，加固的效果受不同土层中淤泥中含砂量变化影响显著；充分搅拌后强度较高，局部强度较低，由于试验段部分区域砂的含量较大，因而水泥掺入量影响不明显。

表3为钉型双向水泥土搅拌桩抗压试验和单桩静载荷试验成果表，图3为水泥掺入量与抗压强度及单桩竖向极限承载力关系曲线。

表3 钉型双向水泥土搅拌桩试验成果表

图3 水泥掺入量与抗压强度关系曲线

表3和图3的试验成果表明，固定的水灰比，复合桩的抗压强度与单桩竖向极限承载力随着水泥的掺入量的增加而提高，同时，四搅两喷比两搅一喷施工工艺使水泥与淤泥产生的水泥土更充分、更均匀，其抗压强度代表值更高，尤其在水泥掺入量从14%增加到16%，采用四搅两喷工艺其水泥土抗压强度有明显的提高。

4 结语

通过在线监控系统和自动化在线制浆系统，采用不同的施工工艺、不同的水泥掺入量等试验方法对软土地基采用水泥土搅拌桩进行加固处理，试验结果表明：

(1)复合桩的抗压强度随着水泥的掺入量的增加而提高。

(2)单桩竖向极限承载力随着水泥的掺入量的增加而提高。

(3)采用使水泥与淤泥产生更充分、更均匀水泥土的施工工艺，其抗压强度代表值更高。

(4)根据工程设计要求，28d龄期单桩竖向抗压静载荷极限承载力应≥180kN，桩体无侧限抗压强度Qu≥1.2MPa。试验场地属冲海积、淤积平原地貌单元，临近入海口，分布较厚层的软土层，其特点含水量、孔隙比大，灵敏度高，压缩性大，试验段部分区域砂的含量较大，因而水泥掺入量影响不明显。考虑到该项目地基不均匀程度较大，为了确保施工质量，认为地基处理水泥搅拌桩的水泥掺量以18%为宜，桩径φ500mm，桩间距选用1.8m，施工可采用钉型双向搅拌的两搅一喷工艺，这样即可满足工程设计要求。

(5)水泥搅拌桩具体的施工工艺及水泥掺入量等指标，要根据场地的工程地质条件来确定；施工应结合场地含水层地下水的径流对施工造成的影响，同时还应考虑冲海积、淤积平原软土中含有的有机质、硫酸盐等对搅拌桩成桩质量造成的影响，以保证施工成桩质量。