深层水泥搅拌桩的水泥掺量原位试验研究

贺立 余辉 何文润 张建球

摘要：深层水泥搅拌桩法作为一种原位加固法，能最大限度地利用原状土的承载力或其他力学性能。文章通过原位实验，确定最优水泥掺入量。试验结果表明：地基含水量可能是水泥搅拌桩的水泥掺量的重要影响因素之一，在地基含水量较高时，适当提高水泥掺量，可增加地基的密实性，提高复合地基的承载力。

关键词：深层水泥搅拌桩;复合地基;原位试验;地基承载力

0 引言

我国在进行大规模沿海工程建设时，也面临大量的工程问题。软土地基工程性质特殊，其特点一般有流变性、触变性、透水性低、压缩性高和抗剪强度低等，在荷载作用下，有着缓慢的排水固结、较差的地基穩定性和沉降难以控制等现象。在软土地基上修路基时，如果不进行地基处理，则可能会发生过量沉降或路堤失稳等问题，最终导致路基不能正常使用或被破坏[1]。

深层水泥搅拌桩与天然地基形成深层水泥搅拌桩复合地基，桩体和地基共同承担荷载，达到有效地提高地基承载力和改善地基变形的效果[2]，该方法可用于处理淤泥、淤泥质土、粉土、砂土等饱和黏土。当处理泥炭土或有机质含量较高的黏土时，应该通过试验确定其的适用性[3]。

本文依据北海铁山港进港大道软基加固工程，通过现场原位试验、现场检测方法，研究沿海软基条件下水泥土加固体的工程性能，以及主要影响因素（水泥掺入量）对深层水泥搅拌桩复合地基加固效果的影响。这对于深层水泥搅拌桩复合地基加固技术的推广和应用有十分重要的意义。

1 工程概况

北海铁山港1#～4#泊位进港大道工程位于北海市铁山港工业区，根据提供的勘察资料揭示，该道路沿线场地内的岩土种类地质状况如下：

（1）素填土①1及冲填土①2性质不均，强度较低，具高压缩性，工程性能一般，经处理后可作为路基持力层。

（2）淤泥质砂②1，呈流塑状，承载力极低，不得作为路基持力层。

（3）中砂②2层，呈松散-稍密状，一般位于水位以下，稍密状中砂具一定承载力，可作为路基持力层。

（4）黏土③1层，呈软可塑状，且埋深较深，承载力一般，不宜作为路基持力层。

（5）中（粗）砂③2层，承载力较高，可直接作为路基持力层。

在施工前应对地基进行原位试验，以确定水泥搅拌桩的适用性，并根据原位试验结果确定最佳的水泥掺量。

进港大道道路位于港口吹填区，道路设计标高为7.75m，最高潮水位为4.85m。道路的填挖方高度很小，由于场地仅是初步平整，其填土较厚且固结时间短，不满足道路规范对其路基持力层的要求，所以必须对场地地基进行加固处理。

施工后对复合地基的加固效果进行检测，采用复合地基荷载试验检查地基加固处理效果，根据设计要求，其复合地基承载力要求≥140kPa。

2 原位试验

本实验采用复合地基载荷试验法检测水泥搅拌桩试验桩复合地基承载力，分别在2标段、3标段进行原位试验，深层搅拌处理软土路基示意图如图1所示。每个标段均测试4种不同水泥掺量的水泥土搅拌桩，目的是判断水泥搅拌桩试验桩复合地基承载力是否满足设计要求，为确定工程桩最佳水泥掺量提供依据。

复合地基载荷试验的承压板采用方形，试验承压板面积为2m2，承压板的中心与增强体中心必须保持一致，且与荷载的作用点重合。

水泥搅拌桩桩径为600mm，梅花形布桩，桩间距为1.5m，桩的长度根据软土层厚度确定，桩端应穿过软土层，并嵌入持力层≥0.5m，持力层取砂层。设计要求复合地基承载力≥140kPa。

进港大道2#标段靠近陆域，全长740m，道路宽45m。为确定水泥搅拌桩的最佳水泥掺量，分别以四种水泥掺入比（12%、14%、16%、18%）进行原位试验。

进港大道3#标段靠近海域，全长1000m，道路宽45m。为确定水泥搅拌桩的最佳水泥掺量，分别以四种水泥掺入比（12%、15%、18%、20%）进行原位试验。

3 结果分析

3.1 最优水泥掺入比

进港大道2#标段共完成复合地基载荷试验检测4个点（水泥掺量为12%、14%、16%、18%），试验承压板面积为2m2，拟最大试验承载力为280kPa，分10级进行分级加载试验。进港大道3#标段共完成复合地基载荷试验检测4个点（水泥掺量为12%、15%、18%、20%），试验承压板面积为2m2，拟最大试验承载力为280kPa，分10级进行分级加载试验。

由图2的沉降-时间对数（s-lgt）曲线、后页图4（a）的压力-沉降（p-s）曲线以及图5（a）的沉降-压力对数（s-lgp）曲线可知：2#标段道路，水泥掺量比为12%时，试验加载至210kPa时，沉降急剧增大，承压板周围土体隆起，终止试验，复合地基承载力为88～108kPa，不满足设计要求。水泥掺量为14%～18%的水泥搅拌桩，其承载力满足设计要求。但水泥掺量为14%的复合地基的最大沉降量为27.52～29.53mm，偏大。考虑到工程施工工艺水平，为保证施工质量满足设计要求，选用16%水泥掺量的水泥搅拌桩（试验桩）为2#标段工程桩的最优水泥掺量。

由图3的沉降-时间对数（s-lgt）曲线、图4（b）的压力-沉降（p-s）曲线以及图5（b）的沉降-压力对数（s-lgp）曲线可知：3#标段道路，水泥掺量比为12%和15%时，试验分别加载至196kPa和280kPa时，沉降急剧增大，终止试验。水泥掺量比为18%和20%时，压力-沉降（p-s）曲线为平缓的光滑曲线，累计总沉降量分别为19.56mm和13.25mm，复合地基承载力特征值的检测值>140kPa，满足设计要求。因此，选用18%水泥掺量为3#标段工程桩的最优水泥掺量。

当水泥掺入比相同（12%或18%）时，2#标段道路复合地基承载力特征值略大于3#标段承载力特征值;而2#标段地基沉降量显著小于3#标段地基沉降量，这可能是由于3#标段更靠近海域，同时3#标段确定的水泥搅拌桩最优水泥掺量更高。这是因为在地基含水量较高时，为保证工程质量，提高了水泥掺量，这样可以有更多的水泥参与水化反应，水化物可更好地填充土壤颗粒间的空隙，进一步增加地基密实性，从而提高复合地基的承载力[4]。

3.2 沉降量随水泥掺量的变化

在不同荷载条件下，沉降量随水泥掺量的变化规律如下页图6所示，由图6曲线变化表明：2#标段、3#标段的地基沉降量均随水泥掺量的增加而减小;当荷载接近其承载力极限时，沉降量随水泥掺量增加而减小的趋势越显著;水泥掺量越大，荷载变化对地基沉降量的影响越小。当水泥掺量为12%，荷载条件为224kPa时，由于3#标段地基已超过其承载能力极限，地基沉降（s）-水泥掺量（%）曲线出现突降。

3.3 复合地基加固效果

进港大道2#标段、3#标段工程采用深层水泥搅拌桩施工后，需分别对其复合地基的加固效果进行检测。根据设计要求，其复合地基承载力要求≥140kPa。2#标段、3#标段工程分别随机选取10个测点进行复合地基载荷试验，最大试验荷载为280kPa，检测结果分别如表1、表2所示。

根据表1、表2中的检测数据可知，进港大道2#、3#标段采用的深层水泥搅拌桩的复合地基加固效果较好，满足工程设计要求。

4 结语

本文通过对铁山港进港大道2#标段、3#标段进行原位试桩试验，分别确定了其最优水泥掺量为16%和18%。通过对比分析表明：

（1）地基含水量可能是水泥搅拌桩的水泥掺量的重要因素之一。在地基含水量较高时，适当提高水泥掺量，可有更多的水泥参与水化反应，水化物可更好地填充土壤颗粒间的空隙，进一步增加地基密实性，从而提高复合地基的承载力。

（2）在同一荷载条件下，地基沉降量随水泥掺量的增加而降低;当荷载接近其承载力极限时，沉降量随水泥掺量增加而减小的趋势越显著;水泥掺量越大，荷载变化对地基沉降量的影响越小。

（3）根據施工后的工程桩复合地基承载力进行检测的结果说明，采用深层水泥搅拌桩对地基进行加固的效果较好。通过该工程实践，可为类似工程提供参考，进一步优化设计参数。

参考文献：

[1]李彰明.软土地基加固理论、设计与施工[M]，北京：中国电力出版社，2006.

[2]李翔军.水泥搅拌桩复合地基技术研究与工程实践[D].天津：天津大学，2003.

[3]吴邵海，王智猛，褚宇光.水泥土搅拌桩处理海相沉积软土的试验研究[J].高速铁路技术，2018，9（6）：11-15.

[4]周成明.高含水量地基中深层水泥搅拌桩的水泥掺量[J].江苏水利，2006（3）：17.