浮筒式水泥搅拌加固软土地基的工后沉降分析

徐 悦 童晓榕 周文欢

（厦门路桥百城建设投资有限公司，福建 厦门 361000）

软土具有含水率高、压缩性高和承载力低的特点，在软土地基中直接修建公路工程，在长期车辆周期荷载作用下不可避免地产生大沉降变形，给道路的使用性能和行车安全造成影响[1]。控制软土路基的工后沉降，提高地基的承载力是公路工程建设面临的问题之一[2]。在现有的软土地基处理工法中有不同加固机理的处理工艺，例如竖向排水法、强夯法以及CFG 桩法等。这些工法的施工原理、施工成本和施工周期各不相同，因此在实际工程中选择科学合理的软土地基加固工艺显得尤为重要。当软土地基的承载力小于60kPa 时，一般的软土地基机械设备进场存在困难，在水泥搅拌桩基础上发展出的浮筒式水泥搅拌桩能够很好地适应这种特殊地质条件[3]。该文结合实际工程，使用浮筒式水泥搅拌桩对软土地基进行处理，并运用现场实测的方法对软土地基加固效果进行测试，研究成果可以应用于超软土长距离的公路工程地基加固。

1 工程概况

厦门新机场莲河片区沙美路（翔安南路-滨海旅游路段）工程项目道路等级为城市主干路，道路设计起点为翔安南路，沿设计终点为滨海公园大道（滨海旅游路），道路长约2.810km（K0+000～K2+810.394），实施范围K0+030.344～K2+760.741。项目设计速度为60km/h，道路标准断面红线宽43m。

场地内各层岩土的物理力学指标及技术参数见表1。从表中可以看出，各土层的力学强度指标存在明显的差异，土层承载力特征值按照③层吹填淤泥、④-a 层淤泥、④-b 层粗砂、⑤-a 层粉质黏土、⑤-b 层粗砂、⑦层残积砂质黏性土的顺序不断增加。其中，③层吹填淤泥、④-a 层淤泥的力学强度软弱，黏聚力和内摩擦角指标较小，③层吹填淤泥和④-a 层淤泥的黏聚力分别为10.0kPa、18kPa，内摩擦角分别为5.0°和3.2°，具有高压缩性、高含水率的特点，在天然状态下土层流塑状，在开挖或者扰动条件下，土层极易产生坍塌、回淤等现象，灵敏度较高，力学性能较差，机械设备难于进场。经过论证和验算，需要采取必要的工程措施对③层吹填淤泥和④-a 层淤泥进行软基处理，以满足道路长期沉降的控制要求。

表1 场地内各层岩土的物理力学指标及技术参数

浮筒式搅拌桩施作范围为桩号K1+700～K2+760.741，共145429m。由于场区的表层土③层吹填淤泥，其地基承载力特征值小于60kPa，不满足传统的深层搅拌桩机械设备进场要求，而浮筒式搅拌桩施工设备不受此限制。考虑场区软土的力学特性，浮筒式搅拌桩采用P·O42.5 普通硅酸盐水泥作为胶凝剂，并适当加入一定程度的粉煤灰以降低工程造价，粉煤灰掺量大小为加固土体质量的18%，水灰比0.7，桩直径为800mm，桩实钻长度5.5m～10m，空钻长度1.2m～3m，间距1.8m，梅花形布置。

2 浮筒式水泥搅拌桩地基处理施工工艺及控制参数

浮筒式水泥搅拌桩地基的加固机理是在软土中喷搅固化剂普通硅酸盐水泥，水泥与软土、水发生一系列的物理化学反应，水泥颗粒与软土充分结合。首先，为水解和水化反应，水泥表面的氧化物与软土中的水生成氢氧化钙、含水硅酸钙等物质，使软土中的自由水大幅度降低。其次，软土中的黏土矿物与水泥水化硬凝，形成稳定的结晶化合物，如公式（1）、公式（2）所示，结晶化合物结构相对致密，黏土中的颗粒带有负电荷，会吸附水泥中的Na+与K+矿物，粒子交换和团粒化运动形成胶体微粒。另外，水化反应生成的氢氧化钙与空气中的二氧化碳发生碳酸化作用形成碳酸钙沉淀物，沉淀物的稳定性好，且可以增加水泥土的强度[4]。如图1 所示，浮筒式水泥搅拌桩的施工顺序为设备定位→下钻喷浆搅拌→提升搅拌→下钻喷浆搅拌→提升复搅→移位。具体的施工控制如下。浮筒式水泥搅拌桩施工工艺如图2 所示。在施工前，应根据不同的地质情况设置试验段，其目的是为了保证处理路段的路基整体承载力、沉降等[5]。施工前必须采集工点最软弱土层试样进行室内配比试验，确定合适的配合比、水泥掺量、水灰比以及施工参数等，如公式（1）和公式（2）所示。

图1 软土地区浮筒式搅拌法施工工艺流程

图2 浮筒式水泥搅拌桩施工工艺图

为了确定合适的水泥搅拌桩配合比，在室内试验中制备6 中不同水泥掺入比，分别为8%、10%、12%、14%、16%和18%，并分别测定各个水泥掺入比试样7d、28d、90d 和180d 的无侧限抗压强度，室内试验测试结果如图4和表2 所示。

表2 不同水泥掺入比条件下水泥土试样的无侧限抗压强度

从图3 中可以看出，在同一水泥掺入比条件下，随着养护时间增加，水泥土试样无侧限抗压强度呈现不断增加的趋势，且增长速率分成明显的2 段，当试样养护时间小于90d 时，水泥土试样无侧限抗压强度增长较快，试样养护时间大于90d 后，水泥土试样无侧限抗压强度增长速度降低。在同一养护时间条件下，随着水泥掺入比增加，水泥土试样无侧限抗压强度不断增加。综合考虑工程的施工工期，为了获得较高的早期强度，确定选用水泥掺入比为18%。

为了确定合适的水泥搅拌桩配合比，在室内试验中制备6 中不同水灰比试样，水灰比分别为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0，并分别测定各个水泥掺入比试样7d、28d、90d 和180d 的无侧限抗压强度，室内试验测试结果如图4所示。

图4 不同水灰比和养护时间条件下水泥土试样的无侧限抗压强度曲线

从图4 中可以看出，在同一养护时间条件下，随着水泥土水灰比增加，试样无侧限抗压呈现幂指数降低的趋势，当水灰比小于0.70 时，试样无测限抗压强度下降较快，而水灰比大于0.7 后，试样无侧限抗压强度趋于收敛；在同一水灰比条件下，随着养护时间增加，试样无侧限抗抗压强度不断增加。综合考虑经济和工期因素，确定水灰比为0.7。

3 浮筒式水泥搅拌桩施工载荷试验现场测试

为验证浮筒式水泥搅拌桩的软土地基加固效果，在里程K2+000.000、K2+100.000、K2+200.000 路基中心选取具有3 个具有代表性的监测点进行载荷试验，加载荷载范围从0kPa～320kPa，荷载增加等级为40kPa，累积加载时间360min。测试结果如图5 所示。

图5 软土路基不同里程位置处载荷试验荷载-沉降曲线

从图5 中可以看出，在不同里程处软土路基的载荷曲线的变化规律一致，数值相近，表明采用浮筒式水泥搅拌桩对工程的软土路基加固效果均匀，从图5 中可知，里程K2+000.000、K2+100.000、K2+200.000 的地基承载力值均为180kPa，最大累积沉降量分别为14.99mm、13.49mm和14.17mm，最大回弹量分别为10.45mm、9.29mm 和9.65mm，回弹率分别为69.71%、68.86%和68.09%，满足软土路基的承载力和沉降变形要求，路基地基处理效果良好。

4 结论

该文以厦门新机场莲河片区沙美路（翔安南路-滨海旅游路段）工程项目为研究背景，运用浮筒式水泥搅拌桩对软土地基进行处理，采用室内试验的方法确定水泥掺入比和水灰比，并运用现场载荷试验测试浮筒式水泥搅拌桩的地基处理效果，得到以下3 个结论：1）在水泥掺入比相同的条件下，随着养护时间增加，水泥土试样无侧限抗压强度呈不断增加的趋势，且增长速率分成明显的2 段；在养护时间相同的条件下，随着水泥掺入比增加，水泥土试样无侧限抗压强度不断增加。2）在养护时间相同的条件下，随着水泥土水灰比增加，试样无侧限抗压呈现幂指数降低的趋势，当水灰比小于0.70 时，试样无测限抗压强度下降得较快，当水灰比大于0.7 时，试样无侧限抗压强度趋于收敛；在水灰比相同的条件下，随着养护时间增加，试样无侧限抗抗压强度不断增加。3）载荷试验表明，在不同里程处软土路基的载荷曲线的变化规律一致，数值相近，表明采用浮筒式水泥搅拌桩对工程的软土路基加固效果均匀，处理后地基承载力值为180kPa，最大累积沉降量为14.99mm，回弹率分别为69.71%，满足软土路基的承载力和沉降变形要求，路基地基处理效果良好。