水泥土攪拌樁加固軟土技術(shù)的設(shè)計(jì)研究

蔡先強(qiáng)

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

軟土是指天然孔隙比大于或等于1，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等[1]。軟土具有觸變性和顯著的流變性，修建在軟土地區(qū)的路基，主要是路堤填筑荷載引起軟基滑動(dòng)破壞的穩(wěn)定問(wèn)題和量大且時(shí)間長(zhǎng)的沉降問(wèn)題，是高速公路常見(jiàn)的特殊路基病害。在多種處理軟土的方法中，水泥攪拌法加固軟土技術(shù)正日益被廣泛應(yīng)用推廣，值得我們深入探討。

1 工程概況及軟基處理方案選擇

1.1 工程概況

廣靈至渾源高速公路工程位于山西省東北部，大同市的東部，行政區(qū)劃隸屬大同市廣靈縣、渾源縣。本項(xiàng)目路線(xiàn)全長(zhǎng)77.268 km，設(shè)計(jì)速度采用100 km/h，路基寬度26 m。自然地理屬?gòu)V靈盆地、恒山山脈北延之六棱山南部、大同盆地東南部的渾源谷地。地形地貌復(fù)雜，溝壑縱橫，因地質(zhì)構(gòu)造、巖性特征、風(fēng)化剝蝕差異，明顯分為三大地貌單元，即中東部蓋層為主的構(gòu)造剝蝕侵蝕低中山區(qū)；中部老變質(zhì)巖出露的構(gòu)造剝蝕中山區(qū)；兩側(cè)為斷陷盆地，其間穿插河谷平原區(qū)、黃土丘陵區(qū)、洪積臺(tái)地區(qū)、山間河谷區(qū)。

軟基所處地形較為平坦，地勢(shì)開(kāi)闊，總體向盆地中心方向傾斜，傾斜坡度一般在2°～3°左右，地表被近代河流所切割，深度一般在3～10 m。出露地層為新生界第四系沖洪積成因的粉土、砂土、砂礫石層，形成0.5～1 m的表面硬殼層，其下為淤泥質(zhì)土，厚度為5～8.5 m，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定大部分軟土的天然含水量在40%～60%，e=1.75，抗剪強(qiáng)度低，承載力判定為40～50 kPa，而路基填方高5 m以上，要求承載力達(dá)150 kPa。

1.2 處理方案選擇

軟土地基處理方法較多，常用的處理方法有砂墊層、換填法、重壓法、強(qiáng)夯法、垂直排水固結(jié)法、水泥樁、粒料樁等。每種方法都有其適用性、局限性，需要根據(jù)具體工程情況，對(duì)幾種處理方案進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及施工進(jìn)度等方面的比較，從而確定合理的處理方法。初步分析，砂墊層和換填法顯然不適合本項(xiàng)目（換填法處理深度宜在3 m以?xún)?nèi)）；重壓法施工時(shí)間太長(zhǎng)；強(qiáng)夯法對(duì)周邊環(huán)境影響較大，不符合項(xiàng)目要求；垂直排水固結(jié)法相對(duì)于水泥樁法處理效果不太理想；水泥土攪拌法具有最大限度地利用了原土、無(wú)噪聲、無(wú)污染、對(duì)周?chē)薪ㄖ锛暗叵鹿軠嫌绊懞苄〉忍攸c(diǎn)。結(jié)合本項(xiàng)目的土質(zhì)情況、進(jìn)度要求、經(jīng)濟(jì)技術(shù)要求等方面，綜合分析確定采用水泥土攪拌法。水泥土攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑通過(guò)特制的攪拌機(jī)械，就地將軟土和固化劑（漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌，使水泥固化劑與土體發(fā)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量[2]。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

水泥土攪拌法用于處理泥炭土、有機(jī)質(zhì)土、pH值小于4的酸性土、塑性指數(shù)大于25的黏土，或在腐蝕性環(huán)境中以及無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)使用時(shí)，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)確定其適用性。設(shè)計(jì)前應(yīng)分析研究場(chǎng)地的巖土勘察報(bào)告，對(duì)報(bào)告中填土的成分、厚度、水平、垂直向的分布；軟土的分布范圍、分層、厚度；地下水的pH值、腐蝕性；土的含水量、塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量等進(jìn)行分析研究以確定水泥土攪拌法的適用性[1]，同時(shí)有必要了解攪拌樁的承載特性。

2.1 水泥攪拌樁的承載性狀

圖1所示為某典型攪拌樁的現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)所得出的P-s曲線(xiàn)（黃自彬等，1990），如圖1所示尚有該樁樁身不同深度處的荷載—沉降曲線(xiàn)。由圖中可以看出，水泥攪拌樁在承受豎向荷載時(shí)，樁體的變形是逐漸增加且無(wú)明顯的拐點(diǎn)，屬典型的柔性樁的承載特性[3]。

圖1 水泥攪拌樁的承載性狀

水泥攪拌樁的這種承載性狀可歸納為：

a）在樁頂荷載作用下，樁的沉降主要是由樁身壓縮引起的，壓縮量逐漸減少。

(1)定量分析處理T1、T2、T3、T4與CK試驗(yàn)結(jié)果。不同處理下的土壤浸水飽和后，測(cè)得其體積含水率數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示，由圖可知，各處理CK、T1、T2、T3、T4組分別在水吸力為63.1 cm、67.07 cm、31.55 cm、31.14 cm和147.59 cm時(shí)達(dá)到田間持水量，且田間持水量隨著生物炭施加量的增大而增大。因此施加生物炭整體上能提高土壤的持水能力。

b）樁身上部壓縮較大，類(lèi)似純摩擦樁的特征。由以上分析可知，攪拌樁應(yīng)有一臨界樁長(zhǎng)，當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)該臨界樁長(zhǎng)時(shí)，超過(guò)部分的樁體承載作用實(shí)際很小，甚至不起作用。臨界樁長(zhǎng)計(jì)算：

式中：D為樁徑；Ep為樁的變形模量；Es為土的變形模量；λ為與土體泊松比有關(guān)的參數(shù)。

攪拌樁的長(zhǎng)度除不超過(guò)臨界長(zhǎng)度外，還應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)對(duì)承載力和變形的要求確定，并宜穿透軟弱土層到達(dá)承載力相對(duì)較高的土層。干法的加固深度不宜大于15 m，濕法的加固深度不宜大于20 m[2]。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)，主要是確定攪拌樁的置換率和長(zhǎng)度。常規(guī)的計(jì)算可按如下步驟進(jìn)行。

2.2.1 計(jì)算單樁豎向承載力

有式（ 2）、式（ 3）2 個(gè)計(jì)算公式，原則上取小值[2]。

式中：qu為樁體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；f為樁側(cè)土平均摩阻力，kPa；Rsb為樁端土承載力，kPa；L、D 分別為樁長(zhǎng)、樁徑，m；η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，η=0.35～0.5；α 為樁端土承載力折減系數(shù)，α=0.5；Ap為攪拌樁單樁截面積，m2。

水泥土攪拌樁復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單樁或多樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)確定。初步設(shè)計(jì)時(shí)可按式（4）估算。

式中：Rsp、Rs分別為復(fù)合地基和樁間天然地基的承載力，kPa；Rp為攪拌樁的單樁承載力，kN；m為樁的面積置換率，即樁體截面積之和與加固土面積之比；β為樁間土承載力折減系數(shù)，β=0～1。

確定了m后，即可計(jì)算水泥攪拌樁樁數(shù)n=m·A/Ap(其中A為布樁基礎(chǔ)底面積)，水泥攪拌樁的布置應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)類(lèi)型確定，一般采用正方形或等邊三角形，由面積置換率算出樁間距d=(Ap/m)1/2，即可進(jìn)行布樁。

2.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)算

進(jìn)行地基的沉降變形驗(yàn)算時(shí)，要考慮攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形和樁端下未加固土層的壓縮變形兩個(gè)方面。

2.3.1 攪拌樁復(fù)合地基的壓縮變形S1

式中：Pz為攪拌樁復(fù)合土層頂面的附加壓力值，kPa；Pzl為攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值，kPa；Esp為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，kPa；Ep為攪拌樁的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量。

2.3.2 樁端下未加固土層的變形S2

式中：ψs為沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007查表確定；n1為加固區(qū)的土層數(shù)；n2為加固區(qū)以下土層的數(shù)量；Esi為加固以下土層的壓縮模量；αi-1、αi為樁端下計(jì)算點(diǎn)至第i-1層土、第i層土底面范圍內(nèi)的平均附加應(yīng)力系數(shù)；Zi-1、Zi為樁端下第i-1層、第i層土底面的距離，m。

當(dāng)復(fù)合地基中樁體置換率較大（m大于20%），且樁端下臥層依然處于軟土層中時(shí)，應(yīng)將復(fù)合地基視作一假想實(shí)體基礎(chǔ)，驗(yàn)算其下臥層的強(qiáng)度。

2.4 項(xiàng)目應(yīng)用

經(jīng)上述計(jì)算、驗(yàn)算確定了廣靈至渾源高速的軟基處理方案：樁徑為50 cm，樁長(zhǎng)為8 m，正三角形布置，樁距為2 m，立面設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖2。

圖2 水泥攪拌樁處理立面示意圖

同時(shí)要注意以下具體細(xì)節(jié)：a）選用強(qiáng)度等級(jí)為32.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為10%。b）砂墊層材料可選用中砂、粗砂、級(jí)配砂石等，厚度為30 cm，最大粒徑不宜大于20 mm。c）樁頭需深入軟層以下50 cm，施工時(shí)樁長(zhǎng)可按實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，由業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)代表現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，按實(shí)際樁長(zhǎng)計(jì)量。

3 設(shè)計(jì)后續(xù)研究

在完成本項(xiàng)目的軟基設(shè)計(jì)工作后，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了反思和研究，有如下幾點(diǎn)體會(huì)，供大家參考。

a）一些設(shè)計(jì)參數(shù)的取值不能做到非常精確，或根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)確定（比如抗壓強(qiáng)度qu取值，試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際有差別），有可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不能取得理想加固效果，實(shí)際沉降值較大。建議有些項(xiàng)目在條件允許的情況下，提前對(duì)軟基采取加重預(yù)壓的方法，在施工期間盡可能消除沉降。

b）從水泥攪拌樁由上至下的承受荷載情況分析，由于周邊土的摩擦力作用，攪拌樁受荷逐漸減??；并且如果在加固區(qū)土質(zhì)情況相同，水泥摻入比越高，則樁體強(qiáng)度越高，沉降量越小。因此在設(shè)計(jì)中是否可以考慮根據(jù)樁的受力情況而調(diào)整水泥摻入量，比如上部摻入量為16%，中部為14%，下部為12%，在以后的項(xiàng)目設(shè)計(jì)中可以探索改進(jìn)。

c）本項(xiàng)目水泥攪拌樁在施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)代表反映有個(gè)別樁體出現(xiàn)了沉樁現(xiàn)象，即“空洞”，成樁后自動(dòng)下沉0.6～0.8 m，經(jīng)設(shè)計(jì)、監(jiān)理的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，是下部噴粉量不足所致，由于沉樁不深，采用了3%的水泥土回填夯實(shí)的補(bǔ)救措施。此質(zhì)量問(wèn)題值得警醒，應(yīng)特別注意預(yù)防，比如保證水泥樁底端打入持力層；樁的上部、下部摻灰量都應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；加強(qiáng)土層含水量的監(jiān)測(cè)檢查，局部含水量較大時(shí)（大于70%），應(yīng)采取必要的措施排水等。

4 結(jié)束語(yǔ)

影響水泥攪拌樁加固效果的因素是多方面的，不僅需設(shè)計(jì)計(jì)算正確合理，還與施工工藝、施工機(jī)械、加固材料等密切相關(guān)，比如水泥和土攪拌的均勻程度，直接關(guān)系成樁質(zhì)量。因此，為使水泥土攪拌樁加固軟土技術(shù)應(yīng)用更為廣泛、經(jīng)濟(jì)、合理，需要廣大的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理人員和理論研究者共同努力，不斷探索，取得更大的進(jìn)步。