低含水率粉质壤土中搅拌桩施工方案试验研究

摘 要：为解决中国北方地区低含水率粉质壤土中水泥土搅拌桩施工过程中钻头钻进搅拌困难的实际问题，以河北省白沟河治理工程（涿州段）东茨排水涵闸闸基水泥土搅拌桩地基处理工程为背景，开展预浸水法和较高水灰比法两种施工方案的可行性现场试验研究，通过对现场施工速度和水泥土抗压强度等参数的实测，对比分析了2种方案在该场地条件下的可行性。结果表明，预浸水法和较高水灰比法在低含水率粉质壤土中均具有工程适用性，但较高水灰比法在施工效率和施工效果等方面均优于预浸水法，且在粉质壤土条件下，采用较高水灰比法施工时，同时满足施工质量和经济性的最优水灰比为1. 5。该研究成果为低含水率粉质壤土中水泥土搅拌桩施工方案选择提供了新的思路，也为类似条件下的水泥土搅拌桩施工提供了可靠的施工技术参数。

关键词：低含水率粉质壤土；水泥土搅拌桩；施工方案优化；最优水灰比

中图分类号：TV522 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）09-0093-08

水泥土搅拌桩法以水泥为固化剂，在与土颗粒混合后形成固化土，与天然土相比具有较高的结构性强度［1］，不仅在解决水利工程中地基承载力不足、堤坝渗漏等工程问题时效果良好［2-5］，在中国多个工程领域地基加固中也得到了广泛应用［6-10］。根据场地土层的含水率不同，可以采用湿法和干法两种施工方法。当地基土的天然含水率小于30%时不宜采用干法施工［11］。在中国北方地区，对于绝大多数水利水电工程项目来说其施工期均处于旱季，地下水位埋深相对较大。因此，地基土含水率相对较低，土质相对坚硬，抗剪强度较高，导致水泥土搅拌桩施工过程中在施工速度和成桩质量两个方面均存在突出问题。在施工速度方面，由于土质坚硬，直接导致搅拌钻头下钻困难，钻头叶片变形严重甚至卡钻的情况时有发生，从而严重降低施工效率，影响施工工期；在成桩质量方面，由于土体含水率较低，搅拌后水泥土在后期取芯过程发现夹泥较为严重，均匀性较差，影响水泥土强度的发挥。对于采用水泥土搅拌桩处理地基土时出现的相关问题的研究，多数国内外学者研究重点主要包括基于室内试验研究水泥土搅拌桩复合地基承载力和沉降特性分析［12］；利用数值模拟方法通过模型来分析水泥土搅拌桩承载性状［13-15］；以及水泥土搅拌桩与其他形式桩体组合处理地基的质量评估和质量评价方法等［16-17］方面的研究，而对于低含水率粉质壤土条件下水泥土搅拌桩施工方案改进和关键施工技术参数的研究相对较少。因此，针对该内容开展试验研究具有重要工程实际意义。

为解决以上实际施工问题，本文结合河北省白沟河（涿州段）治理工程东茨排水涵闸闸基水泥土搅拌桩地基处理工程，对预浸水法和较高水灰比法2种施工方案进行现场探索性试验研究，重点分析2种施工方案中水灰比对施工速度和水泥土强度的影响。通过试验结果评价2种施工方案的工程适用性，并结合实际工程分析低含水率粉质壤土地基条件下的水泥土搅拌桩优选施工方案，同时分析满足施工效率和水泥土质量的最优水灰比取值范围。

1 工程概况

白沟河治理工程（涿州段）主要是针对河流左右有两岸的排水涵闸进行的拆除重建。由于该段两岸村庄地势低洼，在强降水过程中容易出现洪涝灾害，在河流两岸均修建有排水涵闸，其主要作用是在两岸村庄出现内涝时，将洪水排入白沟河。现存排水涵闸自投入使用至今已有近60 a，其钢筋混凝土结构已出现局部损坏，设备不能正常使用，涵闸也出现严重堵塞，其防洪功能基本丧失，需拆除重建。该治理工程共涉及刘园子、塔西郭、双柳树、二龙坑和东茨5个涵闸工程，地基土存在问题主要是承载力和抗液化能力不能满足要求，因此采用水泥土搅拌桩复合地基进行处理，提高承载力和抗液化能力。具体试验研究场地位于白沟河左堤东茨排水涵闸穿堤涵洞靠近上游位置。根据勘察报告成果，该场地主要地基土层以粉质壤土为主，稍湿，坚硬到硬塑状态，取样实测土体粒径0. 075～0. 050mm粉粒平均含量为36. 4%，0. 05～0. 01 mm粉粒平均含量为38. 5%，0. 010～0. 005 mm粉粒平均含量为8%，0. 005 mm 以下黏粒平均含量为14. 9%，因此，土层中粉粒含量所占比重较大。设计采用水泥土搅拌桩对地基进行处理，施工方式为单轴搅拌。

2 试验方案

2. 1 对比试验方案的选定

从现场的工程地质条件、项目研究的可行性和研究成果的实用性出发，要解决低含水率粉质壤土地基中水泥土搅拌桩施工速度和施工质量存在的问题，通常采用的主要方案包括2个方面，一方面从钻机改进角度出发，通过提升钻机的功率和改进钻头形式来提升施工效果［18］；另一方面从改善低含水率粉质壤土的含水率出发，通过提高土体含水率，降低其抗剪强度来减小钻头在钻进搅拌过程中来自于地基土的抗扭力矩。在实际工程中，水泥土搅拌桩施工设备相对固定，在已选定施工设备的前提下，采取具体措施来提高土体含水率成为解决实际问题的首选方案。因此，考虑实际工程条件、施工设备情况和试验的可操作性，特制定以下2种具体试验方案。

a）在水泥土搅拌桩施工前对桩长范围内的土体预先浸水，增加土体的含水率，即预浸水法。在桩中心点位置设置先导孔并在孔内注水，水在自然状态下在土中的渗透使孔周围土体浸水软化，通过提高搅拌范围内土体的含水率来降低土体抗剪强度，降低钻头钻进难度，在水泥土搅拌桩施工时采用相对较小水灰比。

b）在水泥土搅拌桩施工过程中直接采用较高水灰比水泥浆进行施工，即较高水灰比法。通过超常规水灰比水泥浆进行搅拌施工，水泥浆中增加的水量可用于软化土体，降低土体抗剪强度，提升搅拌效果，其余水量用于水泥浆水化反应，确保水泥土的工程质量。

2. 2 试验研究技术路线及相关指标测定方法

针对已选定的2种试验方案，制定具体试验流程见图1。试验过程中，预浸水法主要是测定场地土层在浸水后不同水灰比条件下水泥土搅拌桩的施工速度和水泥土强度；较高水灰比法主要测试天然地基土条件下不同水灰比时水泥土搅拌桩的施工速度和水泥土强度。

水泥土搅拌桩施工速度是通过钻机上的自带控制仪记录每次下钻和提钻所用时间，从而计算每次钻进的平均施工速度。采用万能材料试验机在室内开展水泥土钻芯无侧限抗压强度测试。

2. 3 现场试桩总体实施方案

为全面评价预浸水法与较高水灰比法2种方案的工程适用性，将现场试验试桩的施工区域分为2个部分。图2所示为现场试桩平面布置，图中左侧部分为预浸水法现场试验试桩布置，共设计3根试桩，平面布置为等边三角形，桩径600 mm，试桩中心距为2. 4 m，编号为a、b、c，对应施工水灰比取较低值，分别为0. 5、0. 8和1. 0；另一部分地基土未浸水，在天然含水率条件下采用不同水灰比进行施工，试桩位置见图2右侧部分区域。试桩共10根，分为2排，试桩中心距为1. 4 m，编号为1—10号，水灰比取值分别为0. 5、0. 8、1. 0、1. 3、1. 5、1. 8、2. 0、2. 3、2. 5、2. 7。施工完毕后，在养护28 d龄期时现场试桩见图3。

由于水泥土在硬化过程中水泥浆中含水量的多少对水泥土后期强度影响较大［19-20］，因此，较高水灰比方案在现场试验时考虑了较大变化范围的水灰比取值，目的在于一方面可以用较大水灰比的试验成果评价该施工方案的可行性，详细研究水灰比持续增加对试验成果的影响，进而可以确定采用该方案的最优水灰比值范围；另一方面，水灰比为0. 5、0. 8和1. 0时与预浸水法3根试桩施工水灰比相同，测试成果同时可用于对比分析预浸水和天然地基条件下水泥土搅拌桩的施工效率与成桩质量的差异，从而评价预浸水法施工方案的可行性，同时通过试验数据分析得出该场地条件下的满足施工要求的最优水灰比取值范围。

3 现场和室内试验及试验成果分析

现场试验在工程大范围施工前开展，现场试验重点测试参数为钻机钻进速度，室内试验测试参数为水泥土钻芯的无侧限抗压强度。

3. 1 试验具体方案

3. 1. 1 预浸水法

由于现场成孔数量较少，浸水孔采用洛阳铲人工成孔，孔径为90 mm，孔深按照现场粉质壤土层的厚度取为7. 0 m。为防止孔内浸水过程中导致孔壁土体坍塌，在浸水前在孔内放入直径75 mm的PVC管，起到护壁作用。管壁人工设置透水孔，采用管内注水方式使浸水孔内保持满水状态，从实际工程工期角度考虑，浸水时间不宜过长，否则失去实际工程应用意义，本试验浸水时间为24 h。浸水试验完成后取出PVC管，在3个试验孔位置进行搅拌桩试桩的施工，水泥掺入与工程设计要求一致，取为20%。地基土浸水后含水率增加，按《深层搅拌法地基处理技术规范》DL/T 5425—2018中建议，1、2和3号试桩施工水灰比值分别取0. 5、0. 8和1. 0。

3. 1. 2 较高水灰比法

根据方案安排，试桩a、b、c完成后，在其东侧天然地基中进行不同水灰比的1—10号试桩的施工。在施工过程中严格控制水泥浆的配比和喷入量，确保水泥土桩的水泥掺入量与设计方案要求的20%水泥掺量一致。试桩施工过程中注意垂直度，防止出现桩体倾斜而导致相邻试桩之间的影OLXYRBwpWTSpFG09wDF/EaZOsL//1sIoRrrbMnzk5RU=响。

2个方案现场试验过程中重点监测试桩施工过程中每根桩的施工速度，并记录试桩完成时间。在现场条件下养护到龄期28 d。28 d龄期时对13根试桩进行取芯，到试验室进行加工后测定其无侧限抗压强度值。

3. 2 试验成果分析

3. 2. 1 预浸水后地基土中水泥土搅拌桩施工速度的变化规律

在3个先导孔预浸水达到24 h后采用同一台钻机对3个试验点分别进行试桩施工，施工过程中记录每钻进1 m所用时间，换算出每米深度范围内钻头钻进平均速度，得出3根试桩施工钻进速度随钻进深度之间的关系曲线见图4。

从图4中曲线变化规律可知，总体上来看，地基浸水的3根试桩的施工速度较未浸水试桩均有明显提升，且浸水试桩施工时，水灰比越大施工速度越快。该规律说明在现有场地条件下，浸水后的地基土在水泥土搅拌桩施工过程中，当水灰比在一定范围内变化时对施工速度具有明显影响。因此，在实际工程中施工时，地基浸水后仍应考虑施工速度要求来合理地选用水灰比值。

综合分析图4和表1中的施工速度值可知，在施工水灰比为0. 5、0. 8和1. 0时，未浸水试桩的平均施工速度均小于0. 5 m/min，而工程要求的下钻速度为0. 5～0. 8 m/min，显然在未浸水条件下较低水灰比时施工效率不能满足要求。浸水后的试桩除1号试桩6～7 m深度范围的施工速度为0. 49 m/min外，1—3号试桩其他深度范围的施工速度均在0. 5 m/min 以上，最高为0. 79 m/min，均满足施工速度要求。该结果说明预浸水法可以提高地基土含水率，对于提高施工效率具有显著作用。

此外，从浸水后施工速度沿深度变化曲线规律可知，地基浸水的3根试桩的施工速度均大致在深度4 m以下出现不同程度的下降，结合现场土质条件分析原因主要是在孔内浸水后，一方面由于土体颗粒粉粒和黏粒含量很高，浸水孔周围土体内产生的毛细水致使土体产生假黏聚力并体现出“假塑性”而使土体渗透性显著降低；另一方面粉质壤土在浸水饱和后强度降低，部分土体在自重作用下沿护壁PVC管与孔壁之间的孔隙向下坍塌，而试验场地粉质壤土中的黏粒含量较高，黏粒、粉粒与水混合形成泥浆混合液，在孔的下半部形成泥浆护壁，导致孔内水在泥浆护壁的阻隔下向周围土中持续渗流变的非常困难，越靠下部泥浆护壁作用越显著，因而周围土的含水率增加不显著。从而导致下半部分孔周围土体含水率提升不明显，施工速度也相应较低。

3. 2. 2 预浸水条件下水泥土试桩钻芯抗压强度分析

每根试桩每米范围内钻芯分别加工3个试件进行无侧限抗压强度测试，取平均值作为该1 m深度范围内桩体无侧限抗压强度，并将地基浸水条件下的3根试桩与对应水灰比0. 5、0. 8和1. 0的未浸水条件下的3根试桩进行对比，绘制水泥土搅拌桩无侧限抗压强度沿深度变化曲线见图5，2种不同施工方案的水泥土无侧限抗压强度对比分析结果见表2。

从图5中曲线整体上分析，每根试桩的水泥土抗压强度均呈现随深度减小的趋势，该规律符合实际工程水泥土桩成桩质量随深度增加不断降低的实际情况。但浸水后的3根试桩在深度4 m左右位置处以后出现较为明显的降低，该变化规律与图4中施工速度随深度变化趋势具有一致性，该规律表明，由于下部土体含水率增加幅度较小引起施工速度降低的同时，水泥土的施工质量同样受到影响，而后期对水泥土钻芯的表观均匀性观察结果也证实了该情况的存在。

对比a、b、c和1、2、3两组试桩的无侧限抗压强度变化曲线可知，在地基浸水后，相同水灰比条件下，水泥土桩不同深度的无侧限抗压强度均明显提升。结合表2中的对比结果可知，相同水灰比条件下浸水后的水泥土搅拌桩抗压强度均得到有效提高，水灰比0. 5 和0. 8 时提高幅度较大，分别为37. 50%和31. 58%，水灰比1. 0时提高幅度较小，仅为8. 00%。该结果说明预浸水法可以有效改善水泥土均匀性，提高其桩身强度，且提高幅度与水灰比大小密切相关，较小水灰比取值时效果更为显著，水泥土平均强度可达到2. 2～2. 7 MPa。

3. 2. 3 水灰比变化对施工速度的影响

为分析不同水灰比对施工速度的影响规律，取1—10号试桩的各自平均施工速度得出施工速度与水灰比变化关系曲线见图6。从曲线变化规律可知，从总体上来看，钻头钻进速度随水灰比增加而增大，该规律表明在增大水灰比后，增加的水量可以加速土体软化，使其抗剪强度降低，有效减小钻头所受到的来自于土体的抗扭力矩，使钻进速度显著提升。

此外，在水灰比为0. 5～1. 0范围内，由于水灰比取值较低，钻进速度虽然随水灰比增加而增大，但增速相对较为缓和；在1. 0～2. 0范围内钻进速度显著增加，而水灰比2. 0 之后，钻进速度基本趋于稳定。从钻进速度与水灰比的关系变化曲线可知，对于本场地低含水率粉质壤土来说，较高水灰比法可以显著提升施工效率，但能显著提升施工效率的水灰比是有合理范围的，水灰比过大，水泥土浆液沿桩顶位置溢出量也越多，从而会导致施工后的搅拌桩水泥掺入量达不到设计要求，因此过大水灰比不仅不会进一步提升施工效率，而且有可能影响水泥土的物理力学特性，最终影响水泥土桩的工程质量。

3. 2. 4 水泥土钻芯室内抗压强度分析

图7所示为不同水灰比水泥土无侧限抗压强度随深度位置变化曲线。总体上看，所有水灰比对应的水泥土无侧限抗压强度随深度变化与图5中曲线变化规律相似，依然随深度增加强度不断降低。相比浸水条件下的强度变化趋势，较高水灰比法成桩的水泥土无侧限抗压强度沿深度降低幅度相对较小。从图中每个水灰比对应曲线的位置可以看出，较高水灰比法施工时，水灰比取值对桩体水泥土6sK6EFSQaO6ppUanhtH/8g==强度影响较大，选用该方案特别需要重视水灰比取值的合理性。

图8为28 d龄期水泥土桩无侧限抗压强度随水灰比变化关系曲线。从曲线变化规律可知，随着水灰比的增加，现场试样的抗压强度呈先增加后减小的变化规律。当水灰比较小时，水泥土施工过程中水泥土拌和均匀性相对较差，强度较低，随着水灰比增加，水泥土的均匀性越来越好，强度逐渐增大；当水灰比大于1. 5后，继续增加水灰比，水泥浆溢出量的增加在一定程度上会降低水泥土中的水泥掺入量，从而导致强度降低。此外，过大水灰比会导致部分水分未参与水泥的水化反应而滞留在水泥土中，最终在水泥土内部结构中形成孔隙，导致水泥土强度降低，该现象在对水泥土搅拌桩钻芯取样后，观察其表观状态也得到了验证。

结合不同水灰比条件下水泥土搅拌桩施工速度和水泥土强度的分析可知，在低含水率粉质壤土条件下，较高水灰比法具有较好的可行性，但要特别注意选择合理的水灰比取值，根据现场试验分析可知，若在提高施工效率的同时要兼顾水泥土强度要求，水灰比值应在1. 5～2. 0是较为合理的。

本工程要求水泥土搅拌桩28 d试件无侧限抗压强度大于1. 9 MPa，从水泥土强度角度考虑，预浸水法和较高水灰比法均可以满足工程要求，但考虑实际工程工期要求，预浸水法工期相对较长，因此较高水灰比方案更适合本工程施工要求。实际工程中在大面积施工时，水泥浆水灰比均采用1. 5。工程全部施工完成后，检测结果表明，施工水灰比取值合理，施工效率和工程质量均满足工程要求。

4 结论

综合现场试验、室内试验分析结果及工程应用效果得出以下结论。

a）在低含水率粉质壤土地基条件下，预浸水法可以通过预浸水提高地基土的含水率，而后采用较低水灰比来实现水泥土搅拌桩施工速度和水泥土强度的提升，相较未浸水条件，预浸水后当采用水灰比为0. 5和0. 8时进行施工，施工速度均可以提升60%以上，水泥土无侧限抗压强度均可提升30%以上，预浸水对提升水泥土搅拌桩施工速度和施工质量效果显著。因此对于一般水泥土强度要求不太高且工期相对较宽松的工程，特别是北方地区多年未受水浸润的堤防，其土质坚硬程度较高，采用较高水灰比法仍不能改善施工速度和水泥土强度的情况下，该方案的优势将更加明显。

b）较高水灰比法在水灰比取值合理时，既可以提升施工速度，也可满足水泥土强度要求，具有较好的可行性，在北方地区低含水率粉质壤土地基中较为适用，但不同场地地基土性质不同，工程要求侧重点不同，其最优水灰比取值范围也随之变化。若单从施工效率角度考虑，最优水灰比在1. 8～2. 0达到最优；若单从水泥土无侧限抗压强度角度考虑，最优水灰比取值为1. 5。因此，在实际工程中确定最优水灰比取值应考虑工程具体要求和关键问题，综合确定最终采用的水灰比取值才合理。在东茨涵闸闸基水泥土搅拌桩地基处理工程中，综合考虑施工效率和水泥土强度要求，最终施工采用的水灰比为1. 5，后期检测结果表明，地基处理效果良好。在类似实际工程中可将水灰比1. 5作为最优水灰比取值的参考值，再根据实际工程场地的土质条件进行适当调整。

c）预浸水法和较高水灰比法均具有工程适用性，但在施工方案选择时需结合方案特点，考虑工程现场地质条件、工程技术参数、工程经济性等方面的要求，综合对比后选择最合理的施工方案。

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（责任编辑：高天扬）

基金项目：河北省水利科技计划项目（2020-71）