水泥土搅拌桩在市政工程中的应用及其检测方法探讨

2023-07-02缪勤荣苏邑设计集团有限公司

珠江水运 2023年11期

缪勤荣苏邑设计集团有限公司

水泥土搅拌桩作为一种成熟的地基处理方法，在我国市政工程建设中得到广泛应用，但面对水泥土搅拌桩的不同功能要求，现有规范和标准对水泥土搅拌桩的设计及检测方法规定不完整，难以指导实际工程应用。本文旨在从水泥土搅拌桩作用机理角度，并结合实际工程应用经验，探索各类市政工程中水泥土搅拌桩设计和施工要点，并从水泥土搅拌桩的应用功能出发，提出不同工程应用时水泥土检测方法。

1.水泥土搅拌桩的发展

水泥土搅拌桩作为一种应用最广的软土地基处理方案，上世纪二战后由美国最先开发使用，50年代日本从美国引进这种工法，广泛应用于防波堤、码头岸壁及高速公路高填方下的深厚层软土地基加固。我国于1977年开始室内试验及施工机械的研究，并于70年末开始在工程上的应用，距今已有40多年。

图1 水泥土搅拌桩施工流程

图2 提高地基承载力应用示意图

图3 减少地基沉降应用示意图

图4 支护或止水应用示意图

水泥土搅拌桩施工方式分为干法与湿法，干法即通常讲的粉喷桩，通过高压空气将干水泥粉末喷入土体搅拌形成，该方法对土体含水量有要求，如土体含水量低于30%，则可能导致水泥水化不充分，影响桩体强度，不宜采用干法施工。实际工程中湿法施工用的较多，也即通常讲的深搅桩，预先含合适的水灰比拌好水泥浆，将水泥浆喷入土中，搅拌形成加固桩体。湿法施工桩体质量较易控制，实际施工中较多采用。湿法加固深度不宜大于20米，干法加固深度不宜大于15米。

水泥搅拌桩的作用机理是基于水泥在土中的水化和水解作用，形成硬质骨架，水泥与土搅拌后形成的桩体可以提高原状土体强度、压缩模量，降低渗透系数。根据相关资料，在淤泥质土中，水泥掺入比为15%的水泥土搅拌桩90天强度可达1.2～2.5MPa，压缩模量可提高至60～100Mpa，渗透系数降低至原状土的数千分之一。

2.水泥土搅拌桩在市政工程中的应用

2.1 加固原状土，提高地基承载力

水泥搅拌桩利用水泥加固土体，形成半刚性水泥土桩，由于掺入水泥后，土体力学特性得到了大幅增强，最主要表现在水泥土搅拌桩强度上，因此水泥土搅拌桩在工程上早期应用的工程多为地基处理工程。

基于水泥土桩的半刚性的性质，水泥土桩可以与桩间原状土形成变形协调，发挥原状土的承载能力，共同承担上部结构荷载，构成复合地基，极大提高地基承载力。这一特性的应用常见于构筑物地基处理，如重力式墩台基础、过水箱涵基础、路基挡土墙基础、河道驳岸基础等工程的地基加固。

2.2 加固原状土，减小地基沉降量

根据相关文献，水泥土搅拌桩的压缩模量范围为60～100MPa，基于复合地基桩、土变形协调原理，《深层搅拌法技术规范》（DLT 5425-2009）规定，处理后的复合地基压缩模量与水泥土搅拌桩面积置换率呈正相关，复合地基压缩模量根据原状土的压缩模量和搅拌桩体的压缩模量按桩、土面积占比加权平均，原状地基土经水泥土搅拌桩加固后，压缩模量提高数倍，可极大的减小处理段地基沉降量。这一特性的应用常见于高填方路堤地基处理、软土层深厚路段地基处理、桥头填方地基处理、对沉降敏感的构筑物地基处理等。

2.3 加固原状土，提高土体抗剪强度和抗渗性能。

水泥土搅拌桩可提供较高的抗剪能力和抗渗能力，工程中常有以下几种应用方式：①连续施打形成重力式水泥土挡墙，作为基坑支护；②根据基坑开挖深度的增加，还可在水泥土搅拌桩内插型钢形成SMW工法桩，或与钢筋混凝土灌注桩或预应力混凝土管桩等刚性桩组合应用，提高结构支挡能力，适应深基坑施工；③基坑底部满堂施打，作为坑底止水措施；④施打在河道堤坝下方，作为止水帷幕，阻断河水渗流。

3.水泥土搅拌桩设计和施工要点

相关研究表明，水泥土搅拌桩成桩质量与地基土土质、地基土含水量、水泥标号、水泥掺量、搅拌均匀度、养护周期关系密切，在设计和施工过程中应注意以下几点：

（1）砂性土加固效果好于粘性土，粘土加固效果好于粉质黏土及淤泥质粉质黏土。

（2）水泥土搅拌桩强度随地基土含水量的增加而降低。因此水泥土搅拌桩在一些流砂地质、饱和软粘土中加固效果一般。

（3）PO.42.5水泥搅拌桩强度比采用PO.32.5水泥搅拌桩强度高30%～50%，实际工程中一般使用PO.425水泥作为固化剂。

（4）水泥土搅拌桩强度随水泥掺量增加而提高，研究表明，在水泥掺量小于5%时，水泥与土的反应过弱，水泥土固化程度低，强度离散性也较大，故在水泥土搅拌法的实际施工中，水泥掺量应大于5%。经大量研究数据回归分析，水泥土搅拌桩的抗压强度与水泥掺量呈幂函数关系，其表示式为：

其中qu1和qu2为相应水泥掺量α1和α2的水泥土搅拌桩抗压强度，本式成立的水泥掺量范围为10%～20%。

（5）具体设计时应根据实际情况选择合适的水泥掺量：

1）对于满堂加固地基，相当于复合地基置换率为1，水泥土的强度即为地基土强度，因此这种情况下可适当降低水泥掺量，一般可控制在7%～12%。

2）对于单桩增强体加固，综合考虑地基土质、置换率等情况确定水泥掺量，一般可取12%～20%。含水量大的软粘土，水泥掺量取大值，砂土、粉土中可取小值；置换率大时，桩间距小，需考虑群桩影响，桩周摩阻力不能完全发挥作用，单桩承载力较小，对桩身强度要求较小，水泥掺量可取小值；置换率小时，桩间距大，水泥搅拌桩周摩阻力完全发挥作用，这时水泥掺量可取大值。

3）用于基坑支护挡墙或用于SMW工法桩时，对水泥搅拌桩桩身抗剪强度及抗渗性要求较高，水泥掺量不宜小于20%。

4）对于主要承受竖向荷载的水泥土搅拌桩，由桩顶向下，桩侧摩阻力越来越大，桩身轴力逐步降低，设计中可采用变掺量设计，对于长度10米以下短桩，可分两部分设计水泥掺量，桩身上部水泥掺量略高于桩身下部。对于长度超过10米的长桩，可分三段设计水泥掺量，在总掺量不变的情况下，桩身上部1/3桩长范围内，水泥掺量可适当增加，桩身下部1/3桩长范围内，水泥掺量可适当减少。

（6）水泥土搅拌桩强度随龄期增长而增长，数据分析表明，水泥土强度在28天龄期后，强度仍有大幅增加，90d龄期强度相对于28d强度仍可增加约40%～80%，180d强度约为90d强度1.25倍。考虑工期，并为节约工程造价，承受竖向荷载的水泥土搅拌桩可取90d龄期强度作为设计强度，承受水平荷载的水泥土搅拌桩宜取28d龄期强度作为设计强度。实际工程中可根据28d强度，推求90d强度，根据《地基处理手册（2008版）》（浙江大学龚晓南），经大量研究数据回归分析，水泥土搅拌桩的抗压强度与龄期之间呈幂函数关系，其表达式为：

其中qu1和qu2为相应龄期T1和T2的水泥土搅拌桩抗压强度，本式成立的龄期范围为15～90d。

（7）采用桩身强度作为设计指标时，设计文件中应明确桩身抗压强度的设计值，作为验收检测依据，桩身上部、中部、下部各部位的抗压强度设计值根据受力特点可略有区别，下部可低于上部。

（8）采用标贯击数作为设计指标时，设计文件中应明确桩身设计标贯击数，作为验收检测依据，桩身上部、中部、下部各部位的设计标贯击数可略有区别，下部可低于上部。

（9）水泥土搅拌桩的长度，应根据上部结构对地基承载力和变形的要求确定，并应穿透软弱土层到达地基承载力相对较高的土层，当设置的搅拌桩目的为提高地基稳定性时，其桩长应超过危险滑弧以下不少于2.0m。

（10）一般来说桩头成桩质量较差，施工时应高出设计高程0.5m左右，施工结束后破除桩头。

4.水泥土搅拌桩检测方法探讨

4.1 水泥土搅拌桩常用检测方法

4.1.1 量测法（目测法）

成桩7天后，开挖浅部桩头，观察桩身水泥土搅拌均匀性，量测桩径、桩距是否满足设计要求。该方法是最基本、最常用的检测方法，通过直接观察桩体，对成桩质量可以有大致的估计。按桩基受力特点，水泥土桩桩头受力最大，桩头施工质量需严格把控，因此成桩后需要开挖观察桩头成桩效果，同时为了不影响桩基承载力，开挖深度不宜太大，一般只开挖至停浆面以下0.5m处，其下桩身施工质量如何采用其他试验进行检测。

4.1.2 轻型动力触探

在搅拌桩初凝期（成桩3天内）采用N10轻型动力触探检测上部桩身均匀性，如龄期太长，水泥土强度发展后，轻型动力触探试验难以实现。轻型动力触探常用来检测浅层地基水平向的均匀性，贯入深度一般取桩顶以下4m以内，根据水平向天然地基同深度的锤击数统计，判断天然地基在水平向的均匀性，检测结果比较宽泛，主要是供设计者做大概的判断。《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）规定轻型动力触探检测频率为1%，考虑到试验本身的误差、土质的变化、龄期的差别，通过锤击数判断桩身均匀性，结果误差较大，而且只能检测上部4m之内的桩身均匀性，其实际检测意义并不大，可被取芯试验或标贯试验代替。

4.1.3 钻芯取样

水泥土搅拌桩达到设计龄期后，通过钻取芯样检测水泥土搅拌桩桩长、桩身强度和均匀性。取芯孔要避开搅拌盲区，一般选择离桩中心2/5桩径处。根据芯样的连续性、完整性、坚硬程度、搅拌均匀度等判断桩身均匀性，根据取芯样进尺，测定桩长。选取芯样，进行无侧限抗压强度试验，测定桩身抗压强度标准值，并可根据需要在无侧限抗压强度试验时测定变形模量。一般水泥土桩设计强度采用90天龄期强度，而现场实际上很多工程无法等待90天后再进行检测，实际工程中，可测定28天龄期强度，根据28天强度推定90天龄期强度。

4.1.4 标准贯入试验

可结合水泥土桩取芯做标准贯入试验，由于取芯孔直径一般大于91mm，而标贯贯入器外径51mm，可在取芯后在取芯孔内直接进行标贯试验。通过标贯击数判断桩身硬度，估算桩身强度和压缩模量。

4.1.5 渗透试验

取芯芯样可采用变水头渗透试验测定28天龄期的水泥土渗透系数。还可采用现场抽水试验或压水试验，测定水泥土墙的渗透系数，判断止水效果。

4.1.6 载荷试验

水泥土搅拌桩达到设计龄期后，可采用单桩载荷试验检测单桩承载力，或采用复合地基载荷试验检测复合地基承载力，两种检测方法均可准确测定复合地基承载力。对于重要工程应在设计之前进行试桩，做载荷试验确定设计及施工参数，试桩可取工程桩，试验结束后作为工程桩使用。

4.1.7 低应变法

水泥土搅拌桩作为竖向增强体，具有弹性体变形特征。无侧限抗压强度为40Kpa的天然土体，经搅拌加固后其无侧限抗压强度可达2000KPa，水泥土搅拌桩与天然土体抗压强度比达50，水泥土搅拌桩与天然土体中的波速差异较大。工程中，可以利用低应变法检测水泥土搅拌桩长度及完整性。