论公路软基段治理水泥搅拌桩的质量检测评定

2022-08-10朱飞雄

交通科技与管理 2022年15期

关键词：完整性公路工程承载力

朱飞雄

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州贵阳 550001）

0 引言

水泥搅拌桩常见于公路工程，为道路软基处治常见措施[1]。由于其隐蔽性强，若软基处理不彻底，施工中容易出现质量问题，如路基沉降、裂缝与车辙等，严重影响道路质量，需加强质量检测评定，确保水泥搅拌桩施工质量[2]。

1 水泥搅拌桩施工技术原理

水泥搅拌桩施工技术原理是将水泥作为固化剂，将其与软土充分搅拌，提高软土的黏性，使其硬化后形成强度更高、结构更稳定的加固土体。这种加固土体可以增加软土地基的结构强度、弹性模量，最终提高公路工程建设质量[3]。水泥搅拌桩中水泥与土反应机理见图1。

图1 水泥与土反应机理

公路软基段治理可采用智能化水泥搅拌桩施工设备进行施工，具体施工流程包括：1）场地整平、清除场内杂物；2）智能化水泥搅拌桩设备移动至桩位，利用智能控制系统，校正钻杆垂直度；3）开机，连接服务器，根据地质资料数据及设计指标，输入各施工参数；4）打开钻机，钻进喷浆，智能程序自动注浆，达设计桩长后，原地持续喷浆搅拌30 s；5）提升，复搅；6）喷浆达桩顶设计标高，停止喷气，提升钻头离开地面20 cm，成桩；7）移机至另一根桩体，循环以上施工工序[4]。水泥搅拌桩施工工艺见图2。

图2 水泥搅拌桩施工工艺示意

2 检测项目的选定

（1）基于公路软基施工相关规范，水泥搅拌桩施工质量应满足表1所列的检测要求。

表1 水泥搅拌桩质量检验要求

（2）根据表1可知，施工质量检测要求主要包括水泥搅拌桩的结构强度、结构完整性、长度，其中水泥搅拌桩的结构强度检测项目包括水泥搅拌桩强度、桩承载力。

（3）公路软基施工规范中明确规定了水泥搅拌桩长度及结构强度要求，但未明确给出水泥搅拌桩结构完整性要求。工程实践中搅拌不充分的情况下，水泥搅拌桩的承载力检测数据往往偏差很大。

（4）按照公路软基处治中的水泥搅拌桩常规设计，布设厚50 cm的褥垫层，桩轴力最大值在桩顶以下2~4倍桩径范围内出现，在桩以下7 m处的轴力极小（图3）。

图3 桩身应力变化曲线

（5）为保证水泥搅拌桩的结构完整性及搅拌充分，考虑到其承载力主要和桩顶以下7 m区域有关，应尽量增加桩顶以下2~4倍桩径范围的桩结构强度，从而有效增加水泥搅拌桩的承载力[5]。

（6）桩身应力变化情况如图3所示，水泥搅拌桩无侧限抗压强度检测情况明确，桩荷载主要与其结构强度及水泥桩是否充分搅拌有关。不同土体的渗透性不同，即使添加等量水泥，搅拌后得到的水泥土强度、桩身结构强度差异明显。根据工程实践经验可知，水泥、砂、粉土搅拌混合后可以得到较高强度的土体，可满足公路软基处治水泥搅拌桩结构强度要求。

（7）进行抗压强度试验时，如无法采集样本，可通过原标贯方法评价施工质量。该方法实现难度低，可大范围多测点检测，得到的质量检测评定结果可靠准确。

（8）检测水泥搅拌桩承载力时，按照相关规范同步检测单桩、复合地基的承载力[6]。如无法全面掌握工程现场情况，需先通过单桩荷载试验确定单桩的承载力特征值，而相较于单桩承载力，复合地基承载力能够更准确地衡量水泥搅拌站施工质量。因此，可基于单桩承载力检测评定，在确保桩结构完整性、结构强度满足要求的情况下，基于复合地基承载力来检测评定软基处治效果。

基于上述分析可知，公路软基处治水泥搅拌桩施工质量检测评定主要参数为桩的长度、桩的结构完整性及结构强度，其中桩的结构强度包括无侧限抗压强度、标贯法检测桩身强度，并通过复合地基承载力检测评定公路软土地基强度。

3 检测频率的选定

在确保公路工程质量的同时尽量降低质量检测成本，采用最适宜的检测频率。

（1）基于市场行情，钻孔取芯试验单位成本为180元/m，荷载试验单位成本为10 000元/处，单根桩施工成本50元/m。常规检测成本，依据路基部分成本取建筑安装工程费的0.5%。假设某公路工程水泥搅拌桩长度均值为11 m，共设置8 000根桩，工程造价为750万元，桩施工质量检测成本45 000元左右，远超预算成本。

（2）根据复合地基荷载转移规律以及承载力特征值测算方法，结合钻芯取样情况，设置合理的检测频率，确保间隔300~500 m钻孔取芯检测1处，同时单个路段检测次数至少为3次，按照该检测频率，桩长11 m，供8 000根桩的检测成本在11 000~30 000元之间，相对合理。

4 评定指标的选定

公路软基处治水泥搅拌桩施工质量检测评定参数包括水泥搅拌桩的长度、结构完整性、结构强度和复合地基承载力，其中桩的长度检测要求、桩身无侧限抗压强度检测要求、复合地基承载力检测要求均已明确，而结构完整性、标贯入击数未明确规定[7]。

4.1 桩身完整性指标的选定

由于水泥搅拌桩桩顶以下7 m区域内存在最大轴力，其结构完整性需达到评定标准中规定数值的75%，其他区域的结构完整性应达到评定标准中规定数值的60%。

4.2 桩身标准贯入击数指标的选定

（1）根据公路工程施工现场情况，基于同深度相邻桩标贯入击数、抗压强度，运用经验公式明确标准贯入击数与抗压强度的关系qu=0.046N+0.06，相关度R2=0.83（图4）。

图4 标准贯入击数与抗压强度的关系

（2）标贯入击数与抗压强度的关系中，相关系数R取0.998 6时，标贯入击数与抗压强度之间为拟合统计关系：

式中，X——标准贯入击数；Y——复合地基承载力特征值。

根据相关规范设定桩身结构强度，表2为桩身结构强度与标贯入击数之间的关系。

表2 水泥土桩身强度与标贯击数的关系

（3）根据现场测量记录及钻孔取芯试验数据可知：1）标贯入击数=15时，测得水泥搅拌桩长度8.9 m，标贯入击区域为桩顶以下4.81~5.53 m区域，其取芯样本为灰黑柱体，水泥搅拌不充分，原状土为淤泥质粉砂；2）标贯入击数=19时，测得水泥搅拌桩长度11.6 m，标贯入击区域为桩顶以下10.16~10.6 m区域，其取芯样本为灰黄柱体，水泥搅拌不充分，原状土为淤泥质粉砂；3）标贯入击数=24时，测得水泥搅拌桩长度13.06 m，标贯入击区域为桩顶以下10.03~10.51 m区域，其取芯样本为灰柱体，水泥搅拌充分，成硬塑状，原状土为淤泥质土[8]。

（4）该次试验假设相邻桩成桩情况相同，标贯入击数取15~19时，桩结构完整性未达到抗压强度检测要求，可见标贯入击数不超过24时，芯样本水泥搅拌不充分，结构不完整，实测抗压强度也达不到要求。依据试验检测数据如抗压强度超过2 MPa，数据呈现显著离散性。按照规范符合地基承载力的特征值，与实际能达到结构完整及强度要求的值，存在一定的差异，须适当校正。可见，数据分析、数据计算，无法明确抗压强度、标贯入击数之间的关系，需依据工况现场试验确定[9]。