水泥土攪拌樁在市政工程中的應(yīng)用及其檢測方法探討

繆勤榮 蘇邑設(shè)計集團有限公司

水泥土攪拌樁作為一種成熟的地基處理方法，在我國市政工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，但面對水泥土攪拌樁的不同功能要求，現(xiàn)有規(guī)范和標準對水泥土攪拌樁的設(shè)計及檢測方法規(guī)定不完整，難以指導實際工程應(yīng)用。本文旨在從水泥土攪拌樁作用機理角度，并結(jié)合實際工程應(yīng)用經(jīng)驗，探索各類市政工程中水泥土攪拌樁設(shè)計和施工要點，并從水泥土攪拌樁的應(yīng)用功能出發(fā)，提出不同工程應(yīng)用時水泥土檢測方法。

1.水泥土攪拌樁的發(fā)展

水泥土攪拌樁作為一種應(yīng)用最廣的軟土地基處理方案，上世紀二戰(zhàn)后由美國最先開發(fā)使用，50年代日本從美國引進這種工法，廣泛應(yīng)用于防波堤、碼頭岸壁及高速公路高填方下的深厚層軟土地基加固。我國于1977年開始室內(nèi)試驗及施工機械的研究，并于70年末開始在工程上的應(yīng)用，距今已有40多年。

圖1 水泥土攪拌樁施工流程

圖2 提高地基承載力應(yīng)用示意圖

圖3 減少地基沉降應(yīng)用示意圖

圖4 支護或止水應(yīng)用示意圖

水泥土攪拌樁施工方式分為干法與濕法，干法即通常講的粉噴樁，通過高壓空氣將干水泥粉末噴入土體攪拌形成，該方法對土體含水量有要求，如土體含水量低于30%，則可能導致水泥水化不充分，影響樁體強度，不宜采用干法施工。實際工程中濕法施工用的較多，也即通常講的深攪樁，預(yù)先含合適的水灰比拌好水泥漿，將水泥漿噴入土中，攪拌形成加固樁體。濕法施工樁體質(zhì)量較易控制，實際施工中較多采用。濕法加固深度不宜大于20米，干法加固深度不宜大于15米。

水泥攪拌樁的作用機理是基于水泥在土中的水化和水解作用，形成硬質(zhì)骨架，水泥與土攪拌后形成的樁體可以提高原狀土體強度、壓縮模量，降低滲透系數(shù)。根據(jù)相關(guān)資料，在淤泥質(zhì)土中，水泥摻入比為15%的水泥土攪拌樁90天強度可達1.2～2.5MPa，壓縮模量可提高至60～100Mpa，滲透系數(shù)降低至原狀土的數(shù)千分之一。

2.水泥土攪拌樁在市政工程中的應(yīng)用

2.1 加固原狀土，提高地基承載力

水泥攪拌樁利用水泥加固土體，形成半剛性水泥土樁，由于摻入水泥后，土體力學特性得到了大幅增強，最主要表現(xiàn)在水泥土攪拌樁強度上，因此水泥土攪拌樁在工程上早期應(yīng)用的工程多為地基處理工程。

基于水泥土樁的半剛性的性質(zhì)，水泥土樁可以與樁間原狀土形成變形協(xié)調(diào)，發(fā)揮原狀土的承載能力，共同承擔上部結(jié)構(gòu)荷載，構(gòu)成復(fù)合地基，極大提高地基承載力。這一特性的應(yīng)用常見于構(gòu)筑物地基處理，如重力式墩臺基礎(chǔ)、過水箱涵基礎(chǔ)、路基擋土墻基礎(chǔ)、河道駁岸基礎(chǔ)等工程的地基加固。

2.2 加固原狀土，減小地基沉降量

根據(jù)相關(guān)文獻，水泥土攪拌樁的壓縮模量范圍為60～100MPa，基于復(fù)合地基樁、土變形協(xié)調(diào)原理，《深層攪拌法技術(shù)規(guī)范》（DLT 5425-2009）規(guī)定，處理后的復(fù)合地基壓縮模量與水泥土攪拌樁面積置換率呈正相關(guān)，復(fù)合地基壓縮模量根據(jù)原狀土的壓縮模量和攪拌樁體的壓縮模量按樁、土面積占比加權(quán)平均，原狀地基土經(jīng)水泥土攪拌樁加固后，壓縮模量提高數(shù)倍，可極大的減小處理段地基沉降量。這一特性的應(yīng)用常見于高填方路堤地基處理、軟土層深厚路段地基處理、橋頭填方地基處理、對沉降敏感的構(gòu)筑物地基處理等。

2.3 加固原狀土，提高土體抗剪強度和抗?jié)B性能。

水泥土攪拌樁可提供較高的抗剪能力和抗?jié)B能力，工程中常有以下幾種應(yīng)用方式：①連續(xù)施打形成重力式水泥土擋墻，作為基坑支護；②根據(jù)基坑開挖深度的增加，還可在水泥土攪拌樁內(nèi)插型鋼形成SMW工法樁，或與鋼筋混凝土灌注樁或預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等剛性樁組合應(yīng)用，提高結(jié)構(gòu)支擋能力，適應(yīng)深基坑施工；③基坑底部滿堂施打，作為坑底止水措施；④施打在河道堤壩下方，作為止水帷幕，阻斷河水滲流。

3.水泥土攪拌樁設(shè)計和施工要點

相關(guān)研究表明，水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量與地基土土質(zhì)、地基土含水量、水泥標號、水泥摻量、攪拌均勻度、養(yǎng)護周期關(guān)系密切，在設(shè)計和施工過程中應(yīng)注意以下幾點：

（1）砂性土加固效果好于粘性土，粘土加固效果好于粉質(zhì)黏土及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

（2）水泥土攪拌樁強度隨地基土含水量的增加而降低。因此水泥土攪拌樁在一些流砂地質(zhì)、飽和軟粘土中加固效果一般。

（3）PO.42.5水泥攪拌樁強度比采用PO.32.5水泥攪拌樁強度高30%～50%，實際工程中一般使用PO.425水泥作為固化劑。

（4）水泥土攪拌樁強度隨水泥摻量增加而提高，研究表明，在水泥摻量小于5%時，水泥與土的反應(yīng)過弱，水泥土固化程度低，強度離散性也較大，故在水泥土攪拌法的實際施工中，水泥摻量應(yīng)大于5%。經(jīng)大量研究數(shù)據(jù)回歸分析，水泥土攪拌樁的抗壓強度與水泥摻量呈冪函數(shù)關(guān)系，其表示式為：

其中qu1和qu2為相應(yīng)水泥摻量α1和α2的水泥土攪拌樁抗壓強度，本式成立的水泥摻量范圍為10%～20%。

（5）具體設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況選擇合適的水泥摻量：

1）對于滿堂加固地基，相當于復(fù)合地基置換率為1，水泥土的強度即為地基土強度，因此這種情況下可適當降低水泥摻量，一般可控制在7%～12%。

2）對于單樁增強體加固，綜合考慮地基土質(zhì)、置換率等情況確定水泥摻量，一般可取12%～20%。含水量大的軟粘土，水泥摻量取大值，砂土、粉土中可取小值；置換率大時，樁間距小，需考慮群樁影響，樁周摩阻力不能完全發(fā)揮作用，單樁承載力較小，對樁身強度要求較小，水泥摻量可取小值；置換率小時，樁間距大，水泥攪拌樁周摩阻力完全發(fā)揮作用，這時水泥摻量可取大值。

3）用于基坑支護擋墻或用于SMW工法樁時，對水泥攪拌樁樁身抗剪強度及抗?jié)B性要求較高，水泥摻量不宜小于20%。

4）對于主要承受豎向荷載的水泥土攪拌樁，由樁頂向下，樁側(cè)摩阻力越來越大，樁身軸力逐步降低，設(shè)計中可采用變摻量設(shè)計，對于長度10米以下短樁，可分兩部分設(shè)計水泥摻量，樁身上部水泥摻量略高于樁身下部。對于長度超過10米的長樁，可分三段設(shè)計水泥摻量，在總摻量不變的情況下，樁身上部1/3樁長范圍內(nèi)，水泥摻量可適當增加，樁身下部1/3樁長范圍內(nèi)，水泥摻量可適當減少。

（6）水泥土攪拌樁強度隨齡期增長而增長，數(shù)據(jù)分析表明，水泥土強度在28天齡期后，強度仍有大幅增加，90d齡期強度相對于28d強度仍可增加約40%～80%，180d強度約為90d強度1.25倍?？紤]工期，并為節(jié)約工程造價，承受豎向荷載的水泥土攪拌樁可取90d齡期強度作為設(shè)計強度，承受水平荷載的水泥土攪拌樁宜取28d齡期強度作為設(shè)計強度。實際工程中可根據(jù)28d強度，推求90d強度，根據(jù)《地基處理手冊（2008版）》（浙江大學龔曉南），經(jīng)大量研究數(shù)據(jù)回歸分析，水泥土攪拌樁的抗壓強度與齡期之間呈冪函數(shù)關(guān)系，其表達式為：

其中qu1和qu2為相應(yīng)齡期T1和T2的水泥土攪拌樁抗壓強度，本式成立的齡期范圍為15～90d。

（7）采用樁身強度作為設(shè)計指標時，設(shè)計文件中應(yīng)明確樁身抗壓強度的設(shè)計值，作為驗收檢測依據(jù)，樁身上部、中部、下部各部位的抗壓強度設(shè)計值根據(jù)受力特點可略有區(qū)別，下部可低于上部。

（8）采用標貫擊數(shù)作為設(shè)計指標時，設(shè)計文件中應(yīng)明確樁身設(shè)計標貫擊數(shù)，作為驗收檢測依據(jù)，樁身上部、中部、下部各部位的設(shè)計標貫擊數(shù)可略有區(qū)別，下部可低于上部。

（9）水泥土攪拌樁的長度，應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對地基承載力和變形的要求確定，并應(yīng)穿透軟弱土層到達地基承載力相對較高的土層，當設(shè)置的攪拌樁目的為提高地基穩(wěn)定性時，其樁長應(yīng)超過危險滑弧以下不少于2.0m。

（10）一般來說樁頭成樁質(zhì)量較差，施工時應(yīng)高出設(shè)計高程0.5m左右，施工結(jié)束后破除樁頭。

4.水泥土攪拌樁檢測方法探討

4.1 水泥土攪拌樁常用檢測方法

4.1.1 量測法（目測法）

成樁7天后，開挖淺部樁頭，觀察樁身水泥土攪拌均勻性，量測樁徑、樁距是否滿足設(shè)計要求。該方法是最基本、最常用的檢測方法，通過直接觀察樁體，對成樁質(zhì)量可以有大致的估計。按樁基受力特點，水泥土樁樁頭受力最大，樁頭施工質(zhì)量需嚴格把控，因此成樁后需要開挖觀察樁頭成樁效果，同時為了不影響樁基承載力，開挖深度不宜太大，一般只開挖至停漿面以下0.5m處，其下樁身施工質(zhì)量如何采用其他試驗進行檢測。

4.1.2 輕型動力觸探

在攪拌樁初凝期（成樁3天內(nèi)）采用N10輕型動力觸探檢測上部樁身均勻性，如齡期太長，水泥土強度發(fā)展后，輕型動力觸探試驗難以實現(xiàn)。輕型動力觸探常用來檢測淺層地基水平向的均勻性，貫入深度一般取樁頂以下4m以內(nèi)，根據(jù)水平向天然地基同深度的錘擊數(shù)統(tǒng)計，判斷天然地基在水平向的均勻性，檢測結(jié)果比較寬泛，主要是供設(shè)計者做大概的判斷?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）規(guī)定輕型動力觸探檢測頻率為1%，考慮到試驗本身的誤差、土質(zhì)的變化、齡期的差別，通過錘擊數(shù)判斷樁身均勻性，結(jié)果誤差較大，而且只能檢測上部4m之內(nèi)的樁身均勻性，其實際檢測意義并不大，可被取芯試驗或標貫試驗代替。

4.1.3 鉆芯取樣

水泥土攪拌樁達到設(shè)計齡期后，通過鉆取芯樣檢測水泥土攪拌樁樁長、樁身強度和均勻性。取芯孔要避開攪拌盲區(qū)，一般選擇離樁中心2/5樁徑處。根據(jù)芯樣的連續(xù)性、完整性、堅硬程度、攪拌均勻度等判斷樁身均勻性，根據(jù)取芯樣進尺，測定樁長。選取芯樣，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，測定樁身抗壓強度標準值，并可根據(jù)需要在無側(cè)限抗壓強度試驗時測定變形模量。一般水泥土樁設(shè)計強度采用90天齡期強度，而現(xiàn)場實際上很多工程無法等待90天后再進行檢測，實際工程中，可測定28天齡期強度，根據(jù)28天強度推定90天齡期強度。

4.1.4 標準貫入試驗

可結(jié)合水泥土樁取芯做標準貫入試驗，由于取芯孔直徑一般大于91mm，而標貫貫入器外徑51mm，可在取芯后在取芯孔內(nèi)直接進行標貫試驗。通過標貫擊數(shù)判斷樁身硬度，估算樁身強度和壓縮模量。

4.1.5 滲透試驗

取芯芯樣可采用變水頭滲透試驗測定28天齡期的水泥土滲透系數(shù)。還可采用現(xiàn)場抽水試驗或壓水試驗，測定水泥土墻的滲透系數(shù)，判斷止水效果。

4.1.6 載荷試驗

水泥土攪拌樁達到設(shè)計齡期后，可采用單樁載荷試驗檢測單樁承載力，或采用復(fù)合地基載荷試驗檢測復(fù)合地基承載力，兩種檢測方法均可準確測定復(fù)合地基承載力。對于重要工程應(yīng)在設(shè)計之前進行試樁，做載荷試驗確定設(shè)計及施工參數(shù)，試樁可取工程樁，試驗結(jié)束后作為工程樁使用。

4.1.7 低應(yīng)變法

水泥土攪拌樁作為豎向增強體，具有彈性體變形特征。無側(cè)限抗壓強度為40Kpa的天然土體，經(jīng)攪拌加固后其無側(cè)限抗壓強度可達2000KPa，水泥土攪拌樁與天然土體抗壓強度比達50，水泥土攪拌樁與天然土體中的波速差異較大。工程中，可以利用低應(yīng)變法檢測水泥土攪拌樁長度及完整性。

4.2 不同類型項目水泥土攪拌樁的檢測要求

4.2.1 以提高地基承載力為目的的水泥土攪拌樁

用于重力式墩臺基礎(chǔ)、過水箱涵基礎(chǔ)、路基擋土墻基礎(chǔ)、河道駁岸基礎(chǔ)等工程的地基處理，以提高地基承載力為目的的水泥土攪拌樁，建議檢測方法見表1。

表1 以提高地基承載力為目的的水泥土攪拌樁檢測

由于承受豎向荷載的水泥土攪拌樁一般取90d強度進行設(shè)計，而一般工程無法接受停工等待90天進行檢測后再行施工，因此實際工程中對于工期緊張的大型工程，可采用28d強度進行設(shè)計，并在成樁28天后要求做載荷試驗檢測地基承載力是否滿足設(shè)計要求。

對于一些小型工程項目因為處理范圍小，地層變化小，上部荷載小，根據(jù)規(guī)范公式估算精度滿足設(shè)計要求，做靜載試驗意義不大，一般可不做，如在取芯或標貫試驗發(fā)現(xiàn)樁身強度不足，樁長不夠，樁身斷裂等情況，可進行載荷試驗，校核地基承載力，判斷是否需要加固地基。

實際工程中根據(jù)情況可采用可取28d無側(cè)限抗壓強度推定90d無側(cè)限抗壓強度。

4.2.2 以減小地基沉降為目的的水泥土攪拌樁

用于高填方路堤地基處理、軟土層深厚路段地基處理、橋頭填方地基處理、對沉降敏感的構(gòu)筑物地基處理等工程，以提高地基土壓縮模量，減小地基沉降為目標的水泥土攪拌樁，設(shè)計齡期一般取90天，建議檢測方法見表2。

表2 以減小地沉降為目的的水泥土攪拌樁檢測

實際工程中根據(jù)情況可采用可取28d無側(cè)限抗壓強度推定90d無側(cè)限抗壓強度。

4.2.3 以提高土體抗剪強度和抗?jié)B能力的水泥土攪拌樁

用于基坑工程、堤壩工程，以提高土體抗剪強度和抗?jié)B能力的水泥土攪拌樁，設(shè)計齡期一般取28天，建議檢測方法見表3。

表3 以提高土體抗剪強度和抗?jié)B能力的水泥土攪拌樁

5.結(jié)語

（1）實際工程設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)不同項目特點、地質(zhì)條件和水泥土攪拌樁在工程中發(fā)揮的作用，合理確定水泥土攪拌樁水泥摻量、設(shè)計齡期、置換率、樁長等設(shè)計參數(shù)。

（2）不同的工程，水泥攪拌樁發(fā)揮的作用不同，工程驗收時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計文件要求以及水泥土攪拌樁的不同功能要求，靈活利用檢測方法的各種組合，選擇合理的檢測驗收方法，增加必要檢測，減少無用檢測，提高檢測結(jié)果準確度，保證工程安全。