水泥搅拌桩处理软基变形及影响因素研究

曹 杰

（中冶成都勘察研究总院有限公司，成都 610023）

1 研究背景

水泥搅拌桩是一种将水泥作为固化剂的主剂，利用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， 使软土硬结而提高地基强度。20世纪70年代，开始用水泥搅拌桩加固软土地基，至今已有40多年的历史。它是通过特制的深层搅拌机，将软土和水泥（固化剂）强制搅拌，并利用水泥和软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使土体固结，形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩。

国内外众多学者对水泥搅拌桩处理软土地基做了一系列研究。主要通过实验、理论和数值分析等方法。 余敦猛［1］基于某实际工程，通过数值模拟手段建立三维数值模型进行研究， 分析了水泥搅拌桩处理地基的效果，并对相关敏感参数的影响进行探讨。何开胜等［2］通过实际工程施工，对水泥搅拌桩处理高黏性软土进行研究，总结了高黏性软土中水泥搅拌桩的施工工艺和检测评估方法。 郑刚等［3］通过试验研究了水泥土强度，对多种影响因素进行了分析，主要包含：水泥掺合比、矿物成分、土样含水量、龄期、图中pH值、外掺剂、水泥标号、温度等，结果显示随着强度的变化，水泥土变形特性也显著变化。 付艳斌等［4］基于地铁隧道工程，研究了水泥搅拌桩加固挤土效应，同时应用在该地铁工程， 为相关工程施工提供宝贵经验。 大量的研究表明［5-7］，水泥土搅拌桩工程应用具有较大优越性， 但其在实际工程中成桩质量难以保证、处理深度难以测估、成桩质量影响因素较多。 上述问题的研究始终处于理论和模型试验的阶段，尤其是对于软土地基， 地基处理后复杂的沉降过程和较大的沉降量关乎工程的寿命周期， 缺乏长期的实际监测以反馈设计优化。同时，对于水泥土搅拌桩处置效果目前的研究多是集中在桩身几何尺寸上，而对于桩-土体系的相关关系并未有深入探讨和分析，从而影响水泥土搅拌桩处置后地基承载力和变形的合理验算。

本文依托某市政大道项目， 通过对监测数据分析并结合数值模拟的方法研究了水泥土搅拌桩处理地基的沉降变形规律。

2 研究区工程地质概况

2.1 工程概况

该市政道路总长约3910.347m。 道路起于规划海湾大道，向北分别于张横18路、秀张路及张横10路平交，终点位于规划泉东大道，与泉东大道平交；海城大道（原第四纵路）（张纬四路～张纬六路）段道路长2703.317m，道路起于规划张纬六路，与张纬六路平交，并分别与湖滨南路（张青公路）、张横4路、张经8路、张经7路等规划道路平交，终点与张纬四路平交。规划道路红线宽度60m，设计速度为60km/h。 道路规划横断面为四幅路型式， 主路采用双向八车道标准，如图1。

图1 海城大道施工照片

2.2 地形地貌及地层岩性

区内地貌分布不均匀，洛阳镇地貌以台地为主，土壤以红壤为主，上层浅薄、质地多沙，保水性能差，东南部海洋淤积，地层碱性黏土，亚黏土土层深厚。东园镇地貌较复杂，丘陵、台地间杂，台地为主，土壤有赤红壤，潮土等土类。百崎乡境内属沿海丘陵地带，最高为东部鹰歌山，最低为五一旱田，部分为滩地。 境内除围垦外，以丘陵的剥蚀台地为主，分布有花岗岩残丘。 由于气候炎热，山石风化强烈，植物覆盖稀疏，水土流失严重，岩石裸露石蛋地形，水源较缺。张坂镇三面环山，一面临海，东西长7km，南部宽5km，背山面水，座北朝南，属典型海湾河谷盆地。地势自西北向东南倾斜。区内东西北三面环山，山形起伏跌宕，南面向海，海阔天空。

表1 岩土体物理力学参数

3 路基填筑及地基处理方案

路堤边坡高度均小于10m时， 采用直线型边坡，坡率取1∶1.5。路基过水（鱼）塘时，采用M7.5浆砌片石护坡防护，坡率1∶1.75。 填方路基优先选用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料。

对于软土厚度大于3m的路段， 采用水泥搅拌桩处理。 水泥搅拌桩直径0.5m。 间距1.1～1.3m，桩平面上呈正三角方形布置（布置区域边线与构造物基础轮廓线平行）。 考虑到地基场地的弱腐蚀环境，水泥搅拌桩的水泥建议采用42.5号普通硅酸盐水泥，水灰比一般采用0.45～0.55。 为有效排除地表水及预压时地基渗出水， 有助于应力扩散， 在路堤基底铺设50cm 厚碎石垫层。 同时铺设土工格栅，提高路基稳定性及减小不均匀沉降，纵、横向每延米极限拉伸强度≥50kN/m， 纵、 横向标称抗拉强度下的伸长率≤13%，2%伸长率时的拉伸力≥17.5kN/m，5%伸长率时的拉伸力≥35kN/m。

本文分析时以K0+550断面为例， 该断面的典型剖面如图2。 填筑高度5m，该断面水泥搅拌桩深度为6m，穿透土层为素填土（层厚0.4m），粉质黏土（层厚2.1m）、淤泥（层厚2.8m）和粉质黏土（层厚1.2m）。 水泥搅拌桩28d无侧限抗压强度qu为0.9MPa，水泥搅拌桩桩径为0.5m，基坑位置处桩间距为1.1m，桩土面积置换率m=0.187。

图2 K0+500断面

4 路基沉降变形规律

软土路基的沉降问题一直以来都是土力学中的重要课题，地基（路基）在上部荷载（附加荷载）作用下，地基土层要产生压缩变形从而引起建筑物沉降。路堤在填筑过程中，在路中、左右路肩位置埋设了沉降标用以观测在公路路基填筑过程中的沉降变形。沉降标底座为50cm×50cm×3cm的钢板， 测杆为1根φ30mm的钢管， 采用TopconGTS311型全站仪（精度2mm+2PPm）。首先将钢筋打入软基，直至基岩。然后将沉降板贯穿于钢筋，沉降板座落于软基表面，钢管外套PVC塑料管。 当软基产生沉降时，沉降板随之沉降，而钢筋是固定不动的，由此测量出的钢管相对于钢筋的位移则为软基的沉降量。 埋设完成后的现场照片如图3。

图3 沉降标埋设完成后现场照片

自埋设后开始监测直至填筑完成，在此过程中路堤每填筑1层（30cm）监测1次。 在施工填筑期，路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于1.0cm； 坡脚水平位移速率每昼夜不大于0.5cm。 观测结果应结合沉降和位移发展趋势进行综合分析。 沉降变形曲线如图4。

图4 实测沉降变形量

从图4可见， 地基沉降量不仅与填筑高度有关，与填筑的时间也密切相关。 随着填筑高度的增加沉降逐渐增大最终的累计变形量为65mm。 因该路段填筑高度较低（仅4m），结合该路段的处置措施，在前100d即完成了路堤的填筑工作，可见在填筑期，软土地基随着施工填土而沉降变形迅速， 沉降速率保持在1～1.5mm/d，主要是由于路堤施工前期土体处于近似弹性状态，以瞬时沉降为主，沉降变形随时间、荷载近似为线性增加。 随着静压期时间的增加固结沉降产生，固结期沉降速率为0～0.5mm/d。 而固结沉降与时间效应有关，是一个长期及缓慢的过程。

5 桩土接触面摩擦系数对水泥土搅拌桩加固效果影响分析

采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟来探讨桩-土接触面的摩擦系数对水泥土搅拌桩加固效果的影响。所见模型如图5，模型长50m，宽50m，高50m。搅拌桩直径1.0m，桩长10m。 计算中模型边界条件的如下： 底部边界设定x，y和z3个方向的位移约束；侧向边界设定为仅可以有z向位移；顶部边界为自由边界。

图5 地基-水泥搅拌桩模型示意图

岩土体物理力学参数如表1，其中，水泥桩采用C35混凝土材料， 混凝土材料的弹性模量为35GPa，泊松比为0.24，重度22kN/m3。

模拟时， 考虑桩土接触面摩擦系数分别为0.2，0.3，0.5，0.7，0.9， 计算桩身附加应力随深度的变化。图6为桩顶荷载为400kPa时不同摩擦系数对桩身附加应力的分布情况。 由图6可知，在考虑水泥土搅拌桩加固地基的情况下， 水泥搅拌桩的附加应力随着桩体深度的增加而增加，但在深度到达一定值后，则随着深度的增加而减小。在不同荷载下，由于土的压缩变形模量远低于桩体的压缩变形模量， 桩周土体的竖向变形大于桩的沉降， 这会导致桩体负摩阻力的产生，从而让桩身轴应力不断增加。 深度再增加，由于土体的竖向变形相对减小， 桩土变形会到达一个中性点，在该点处桩体和周围土体的变形相等，此时轴应力达到最大。然后沿着深度方向再加深，土体的竖向变形更小，变得小于桩体的沉降，桩侧正摩阻力产生使得桩体的轴力沿逐渐减小，最后归零。当摩擦系数为0.2时，桩的中性点在2.0m左右位置处，桩身应力最大为2.8MPa；当摩擦系数为0.9时，桩的中性点在3.0m左右处且最大应力达到3.68MPa， 由此可见，不同的摩擦系数，会影响桩身应力的发展，摩擦系数为0.9时中性点深度是0.2时的1.2倍，中性点位置会随着摩擦系数的增大而下移。 所以水泥土搅拌桩加固软土地基应力计算时考虑桩侧摩擦系数影响是必要的。

图6 不同接触面摩擦系数桩体深度与桩身附加应力关系

6 结语

本文依托某市政大道项目， 以水泥土搅拌桩处理的K0+550断面为例， 通过埋设的沉降板监测数据研究路堤施工过程中软土地基的沉降变形特征，并结合ABAQUS有限元软件初步探讨桩土接触面摩擦系数对水泥土搅拌桩加固效果影响。研究结果表明：

（1）水泥土搅拌桩加固软土地基，其地基沉降量不仅与填筑高度有关，与填筑的时间也密切相关。在填筑期，软土地基随着施工填土而沉降变形迅速，两者近似线性增大，变形以瞬时沉降为主，而静压期沉降以固结沉降为主。 第一个阶段较第二个阶段沉降速率高2～3倍。 从最终沉降量来看，水泥土搅拌桩加固效果较好。

（2）对于土砂混合型软土地基，其桩土交界处的的抗剪切强度不仅仅与黏土颗粒的黏聚力有关，又与砂土粗颗粒的摩阻力相关。不同的摩擦系数，会影响桩身应力的发展，当摩擦系数为0.9时中性点深度是0.2时的1.2倍，中性点位置会随着摩擦系数的增大而下移。 所以水泥土搅拌桩加固软土地基计算时考虑桩侧摩擦系数影响是必要的。