水泥搅拌桩在控制软土路基沉降处治中的应用

蔡英龙

(广东冠粤路桥有限公司，广东 广州 511400)

1 引 言

近年来随着我国公路行业行驶车辆载荷增大和交通量的快速增长，对路基的承载能力要求越来越高。由于路基修建地层的复杂，天然路基的承载能力往往不能满足设计承载力要求，必须对路基进行加固[1]处理。软土路基由于其天然含水率高，软土路基沉降概率和沉降量受行车荷载作用变形更明显。水泥搅拌桩由于其施工效率高、控制沉降效果好、成桩强度高等特点常被用于软土路基加固。本文依托湛江某公路软土路基工程，对水泥搅拌桩强度的影响因素和加固机理进行了总结，重点对施工的工序、关键性控制技术要点以及成桩质量检测进行了分析研究。

2 水泥搅拌桩加固机理及强度影响因素分析

2.1 水泥搅拌桩加固作用机理

水泥搅拌桩的作用原理[2]就是在软土设计地层中构建混凝土结构，利用深层搅拌设备将水泥砂浆和原有地层中的砂土或黏土进行搅拌，待混凝土凝结后形成桩基础，桩基础结构因为具有良好的强度和整体性，从而提升和改善整个软土地层的承载力。在软土地层中进行水泥搅拌桩加固的主要作用体现在以下几个方面：(1)为软土路基提供了集中应力承载点，防止路基出现较大沉降。水泥混凝土桩的强度和刚度要远胜于桩基周围土体，水泥混凝土桩植入软土层能明显提升地基的承载力，将路基填筑荷载和复合地基集中应力作用绝大多数传递到水泥混凝土桩上，减小周围地层承载压力，有效控制了软土路基的沉降；(2)加固路基下垫层。水泥混凝土桩在施作完成后与周围土体形成了一个高强度复合地基，取代了原来的路基垫层，提升了路基整体承载力；(3)提升了路基的抗剪能力。在软土地层中施加混凝土桩相当于在软土中植入刚性基础，起到了加筋作用，提升了路基下垫层的抗剪能力，对控制路基水平位移有重要作用。

2.2 水泥搅拌桩强度影响因素分析

影响水泥搅拌桩强度[3]的主要因素包括含水率、原状土掺入比、水泥强度等级等。

图1为不同含水率条件(其他条件均相同)下标准养护28 d水泥混凝土桩的无侧限抗压强度图。当水泥灰与原状土掺入比例(以下简称配土比)小于300%时，含水率高的搅拌桩强度要明显低于含水率低的搅拌桩强度，且搅拌桩强度随配土比的增大而缓慢减小。当配土比处于100%～200%，混凝土桩的无侧限抗压强度明显减小，在进行水泥混凝土桩施工时要控制桩的含水率处在20%～25%。

图1 水泥搅拌桩含水率对桩强度的影响

图2为不同原状土掺入比对水泥搅拌桩强度的影响图。从图中可以看出当原状土掺入比从600%减小至200%时，水泥搅拌桩强度也随之增长，当原状土掺入比例大于400%时，水泥搅拌桩强度增长并不明显，这是因为水泥含量太少导致水泥固化效果差，对桩的强度影响能力有限。当原状土掺入比在200%～400%时，水泥搅拌桩强度随着原状土掺入量的减少，强度增长明显，水泥固化反应速度明显加快；当原状土入比例小于200%后，水泥搅拌桩的侧限抗压强度增长速率增大。考虑每根桩的工程单价，在进行水泥搅拌桩设计原状土比例时，可将原状土掺入比控制在300%～400%之间，以较低的材料成本达到增强水泥搅拌桩强度的目的。

图2 原状土入比对桩强度的影响

图3为不同水泥强度等级在相同条件下养护的水泥搅拌桩无侧限抗压强度图。当搅拌桩养护时间为28 d时，32.5级水泥搅拌桩的强度随原状土掺入比的减小呈线形增长；42.5级水泥搅拌桩随原状土掺入比的减小，其增长趋势先增后缓，当掺入比处在350%～450%时，其增长趋势呈线形分布，当掺入比小于300%时，其增长速率明显减缓。在实际施工时，可通过增加水泥搅拌桩水泥的等级来提高桩的强度，可以减小水泥用量，更适合对流动土层进行加固。

图3 养护28 d不同水泥强度等级搅拌桩强度对比

3 工程简介

3.1 工程概况

本项目线路主道位于湛江市遂溪县遂溪大道建设项目，采用双向八车道一级公路兼城市主干路标准，路基设计宽度80 m，设计时速40 km/h。根据选线区软土勘查报告和周边现场施工环境等条件，拟建场地属于冲击地貌，对于淤泥层厚度超过3 m的软土路基采用换填法处理；对于淤泥层厚度超过3 m的软土路基采用水泥搅拌桩加固处理；对于河道沟渠等地区采用抛石挤淤法进行路基处理。本线路里程K0+000～K3+500段场地土类型为中软土。建筑场地类别为Ⅲ类，设计特征周期值为0.45 s。建筑场地划分为对建筑抗震不利地段。

3.2 地层情况

拟建场地穿越的地貌主要有冲击海滨平原、山前冲洪积平原、剥蚀残丘等。根据现场勘查报告，场地自上而下主要分布的地层为人工填土、第四系全新统冲积层及第四系下更新统湛江组海陆交互相沉积层，具体分布情况见表1。

表1 场地区地层主要岩土力学指标

4 水泥搅拌桩加固设计

4.1 水泥搅拌桩制备要求

水泥搅拌桩主要原料为普通硅酸盐水泥，其强度等级为P.0.425级。水泥性能必须满足《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》GB175-19999的规定，对于存储时间超过3个月的水泥需要重新进行取样检验，检测结果满足性能要求方可继续使用。

水泥搅拌桩的混凝土在拌合需尽量使用饮用水，对于非饮用水拌合时，其硫酸盐(三氧化硫)含量和含盐(氯化钠)量分别不能超过2 700 mg/L和5 000 mg/L，其pH值不得小于4。

水泥搅拌桩桩顶垫层的原理粒径不超过20 mm，选用级配良好的碎石或砂砾，垫层材料不得还有腐殖植物、垃圾等杂质。

4.2 水泥搅拌桩试桩要求

试桩时，机械搅拌混凝土与软土越均匀，搅动次数越多，形成的水泥桩的整体强度和刚度越大。当搅拌时间过长时，施工效率也会下降。因此，需要在正式施工前进行试桩试验，确定搅拌桩的搅拌速度、二灰掺入比例、水泥用量、二次搅拌深度等。本项目根据设计要求选择5根试桩，选用水泥的等级为P42.5级普通硅酸盐水泥，按照水泥掺入量分别为10%、13%、15%、16%、17%进行试桩。待水泥搅拌桩在相同条件下养护28 d后，取每根桩的桩芯进行强度检测。根据试验结果对正式水泥搅拌桩施工进行指导参考，结合桩芯强度报告，决定本工程应用5次搅拌2次喷浆的施工工艺；水泥掺量为15%，掺入粉煤灰比例为14%，水泥水灰比为0.48。

水泥搅拌桩加固软土路基设计要求：水泥搅拌桩采用正三角形布置，桩间距为1.2 m，桩径为0.5 m，桩端进入粉质黏土层2.0 m，其桩长为剔除软桩头后的有效柱长，桩顶设置500 mm厚砂砾垫层，垫层宽处最外侧桩1.0 m，砂砾垫层地面高为搅拌桩柱顶设计标高。砂垫层层间设置钢塑复合双向土工格栅，并用U型钉固定，土工格栅每延米抗拉屈服力≥60 kN/m屈服伸长率<3%，2%伸长率时的拉伯力≥50 kN/m，焊点剥离力≥30 N。本次设计的水泥搅拌桩(湿法)水泥采用P0.425普通硅酸盐水泥，水泥含量为15%，每米水泥用量不少于60 kg，水灰比0.45～0.55，水泥土28天抗压强度≥1.0 MPa，复合地基承载力标准值≥120 kPa。

4.3 水泥搅拌桩制备流程及控制要点

(1)在水泥搅拌桩工作之前，准备好足够的水泥浆运送至施工现场，水泥浆的配比根据试桩检测结果确定；(2)对水泥浆输送管道进行清洗，保证管道内无水泥浆结块和管道内排水干净后方可下钻，避免水泥结块和管内积水对成桩质量造成影响；(3)在水泥搅拌机上悬挂吊锤，以便调整水泥搅拌桩的垂直度；(4)在水泥搅拌桩施工时，随时注意水泥浆比重仪数值变化和桩体每米水泥用量变化，保证成桩水泥浆水灰比符合设计要求；(5)每根桩施工首次提钻时，搅拌头要在桩底悬停30 s持续喷浆后，缓慢向上提起搅拌头，并保持持续喷浆，每根桩的喷浆时间不少于40 min，喷浆压力不小于0.4 MPa，首次下钻和提钻时要保证钻机转速处于低档位，在进行复搅时保证钻机转速处于高档位，这样有利于成桩的垂直度。

在水泥搅拌桩施工时，还有如下施工技术要点：(1)在整个施工过程中要保证搅拌桩始终处于喷浆状态，成桩必须连续进行，严禁在钻杆没有拔出桩孔之前停止喷浆，注意每根桩的喷浆时间和喷浆用量处于设计值内；(2)当搅拌桩喷浆量不足时，要及时进行复搅，复搅时的喷浆量要超过设计喷浆量。当施工受其他外界条件影响必须停止时，记录喷浆深度，在12 h内进行补喷处理，超过12 h要采取补桩处理；(3)在水泥搅拌机钻头与设计桩位进行对准时，控制二者之间的误差处在1 cm内，钻机倾斜度要小于1%，并记录钻杆初始高度、施工桩号、初始浆液流速、喷浆深度及管道压力等参数；(4)在搅拌桩钻头向下旋转钻进时，保持钻头初始转速为30 r/min，钻进速度控制在1.5 m/min，当钻头距离桩底1 m时，调整钻头钻进速度低于0.3 m/min，以减小对桩底周围土层扰动，增加水泥搅拌桩桩底的成桩强度；(5)当搅拌机工作时遇到卡管现象[5]，要缓慢减小钻头钻进速度，提出钻头，更改施工步序。当钻进土层深度较浅时，可以对上层土进行疏散，继续钻进；若钻进深度较深时卡钻，应立即停止喷浆，检查水灰比及喷浆量是否合适，或更换钻头，待钻机能正常工作后继续进行钻探；当钻进地层属于粘性较大的土层时，由于钻机的质量不能达到设计深度时，应打开加压装置或更换质量更大的钻头继续工作。

施工桩基质量控制[6]需贯穿整个施工过程，根据相关规定制定的混凝土搅拌桩检测项目及内容如表2所示。通过现场钻芯取样，检测搅拌桩的28 d抗压强度≥1.0 MPa，地基设计承载力也满足设计要求，检测结果符合设计规范要求。

表2 水泥搅拌桩质量检测项目与要求

5 结 语

在公路工程软土路基进行加固处理时，水泥混凝土搅拌桩具备强度高、工期短、施工质量稳定、施工工艺简单的特点被广泛应用于软土路基加固。本文通过对水泥混凝土桩加固路基的原理和桩基强度的影响因素进行了总结分析，并依托实际工况对水泥搅拌桩施工的工艺流程以及施工注意要点进行了水泥分析研究，为软土路基水泥混凝土灌注桩加固提高借鉴参考。