高速公路水泥搅拌桩桩身检测强度

刘 军

（江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏 南京211112）

0 引言

江苏省河网稠密，湖泊众多，沿江沿海流域分布有大片海相、湖相沉积的深厚软土层。这类土层具有含水量大、压缩性高、强度低、透水性差等特点。如果在这种地基上直接修筑高速公路，路堤（面）荷载和竣工后，在交通荷载作用下会产生相当大的沉降和差异沉降，而且完成固结过程的时间长，会对高速公路的正常使用产生不利影响。截止2010 年，江苏省高速公路通车里程突破4 000km，其中，水泥搅拌桩在软土复合地基的处理中发挥了重要作用，是江苏省高速公路软基处理最常用的方法。

然而，目前江苏省高速公路水泥搅拌桩复合地基中，水泥搅拌桩桩身对于抗压强度的合格判定问题，一直没有得到很好地解决。江苏省的水泥搅拌桩检测，一直执行原江苏省高速公路建设指挥部颁发的《江苏省高速公路水泥搅拌桩检测工作实施细则》（以下简称《细则》）。在该细则中，对水泥搅拌桩桩身现场取芯的无侧限抗压强度要求较低（见表1、表2），其中，上部28d 无侧限抗压强度达到0.45MPa即为满分。而笔者在查阅江苏省高速公路设计文件后发现，绝大部分的设计要求是“要求水泥土搅拌桩90d 龄期无侧限抗压强度为1.2MPa，28d龄期无侧限抗压强度为0.8MPa”。

表1 上部（5.0m以上）计分标准

表2 下部（5.0m以下）计分标准

从实际检测经验来看，水泥搅拌桩上部与下部成桩质量有明显差异，上部的质量普遍好于下部成桩质量。因此，江苏省在高速公路工程的水泥搅拌桩检测中，采用了上、下部分别评分的方法。那么这种评分是否科学，特别是侧限抗压强度界限是否合理呢？本文从力学理论计算分析角度进行了验证。

1 复合地基对桩身强度的要求

《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）（以下简称《规范》）设计承载力时，按式（1）进行估算，同时应满足式（2）的要求。

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值（kPa）；up为桩横截面周长（m）；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa）；li为桩长范围内第i层土的厚度（m）；α为桩端天然地基土的承载力发挥系数；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）；Ap为桩的截面积（m2）；fcu为室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；η为桩身强度折减系数。

式（1）表明，水泥搅拌桩的承载力由桩身侧阻力和桩端阻力共同发挥，其中，桩端阻力的发挥与桩端施工质量和桩端土质有关。式（2）表明，水泥搅拌桩在承载力发挥的过程中，桩体强度要保证桩体不发生破坏。因此，水泥搅拌桩桩体强度下限应该由桩身轴力的大小来确定。

用fcuf表示现场取芯检测所得试件的室内无侧限抗压强度，则应有：

其中：

式中：fspk为复合地基承载力特征值（kPa）；fsk为处理后桩间土承载力特征值（kPa）；m为复合地基置换率。

根据《规范》，η湿法可取0.25～0.33。

设桩顶荷载为N0，桩身任意截面轴力为Ni，则对于水泥搅拌桩任意截面处，应该有：

其中：

当由水泥搅拌桩和桩间土所组成的复合地基处于临界状态时，在桩顶处应有：

2 上部桩身强度分析

根据高速公路复合地基的用途和特点，本文选取填土高度分别按4.0～8.0m 进行取值（填土重度取18kN/m3进行计算），桩径按0.5m 计算，桩间距分别从1.1～1.8m 进行取值（按正三角形布桩考虑）。本研究中，fsk按90kPa，β取规范建议范围的较低值0.75。按照上述算例，求得复合地基处于临界状态时，桩顶荷载N0最大值，如表3、图1所示。

表3 不同桩间距及填土荷载条件下临界状态时的N0

根据表3 及式6，可以求得现场水泥搅拌桩桩顶检测强度的下限值，如表4所示。

图1 不同桩间距临界状态时水泥搅拌桩桩顶荷载与填土荷载的关系

表4 桩顶现场检测强度下限值（单位：kPa）

由于水泥搅拌桩桩体强度随着龄期增长而逐渐提高，因此，以上强度下限值可以理解为水泥搅拌桩90d龄期要求。基于目前的工期要求，现在检测大多在28d进行。因此，将表4的下限值换算成28d 龄期要求的强度。本次强度折算采用《规范》中推荐的龄期换算关系式：

计算结果如表5 及图2 所示（本研究中按fcu90=1.43fcu28进行计算）。

表5 桩顶现场28d检测强度下限值（单位：kPa）

图2 不同桩间距临界状态时水泥搅拌桩桩顶28d强度下限值与填土荷载的关系

从设计角度来讲，当填土荷载较大时，会减小桩间距，提高置换率，从而提高复合地基的承载力。因此，不必考虑高荷载下大间距的情况。本研究中，对以下几种工况与现行检测评判标准进行对比。

（1） 填土荷载为8.0m：桩间距为1.1～1.3m时，桩顶水泥土搅拌桩桩身现场抗压强度分别要求达到333kPa、387kPa 和446kPa，虽然低于目前上部桩身强度满分标准（0.45MPa），却高于合格标准（0.25MPa）。如果按目前的合格标准检测，可能出现安全隐患。

（2） 填土荷载为7.0m：桩间距为1.1～1.4m时，桩顶水泥土搅拌桩桩身现场抗压强度的要求，虽然低于目前上部桩身强度满分标准（0.45MPa），但却高于合格标准（0.25MPa）。如果按目前的合格标准检测，可能出现安全隐患。

（3）填土荷载为6.0m：桩间距为1.1m 和1.2m时，桩顶水泥土搅拌桩桩身现场抗压强度分别要求达到198kPa 和227kPa，都低于目前上部桩身强度合格标准（0.25MPa）。按照目前的强度评判标准，能够满足上部荷载的要求。但如果桩间距大于1.3m时，目前的检测评判标准可能偏低。

（4）以上数据表明，目前的检测评判标准在填土高度小于5m 时较为适用，检测标准能够保证路基的稳定性。但如果填土高度超过6m 时，目前的检测标准就偏向不安全了。这里还需要考虑其他几个因素：桩间土的承载力及发挥情况、水泥土强度与龄期的关系，本次研究都按较低的水平取值。

（5）总体来说，现场检测强度是否合格，与工程地质条件、荷载水平等有较大的关系。因此，用一个标准来评判所有水泥搅拌桩桩体的质量，对于工程地质条件好、荷载水平低的情况，是不经济的；而对于工程地质条件差、荷载水平较高的情况，是不安全的。

3 下部桩身强度分析

水泥搅拌桩既不同于碎石桩等柔性桩，也不同于钻孔灌注桩等刚性桩，是介于柔性桩和刚性桩之间的一种桩。因此，其受力特点和荷载传递规律既不同于柔性桩，也不同于刚性桩。设计者往往将水泥土桩理解为桩基，要求其像刚性桩那样，在桩长范围内强度一致，且桩强度越高越好，这违反复合地基基本假定。《规范》认为，水泥搅拌桩桩身轴向应力自上而下逐渐减小，其最大轴力位于桩顶3 倍桩径范围内。因此，在水泥土单桩设计中，为节省固化剂材料和提高施工效率，《规范》（JGJ79—2012）推荐设计时采用变掺量的施工工艺。现有的工程实践证明，这种变强度的设计方法可获得良好的技术经济效果。

根据式6，假设桩身深度范围内，土质均匀，则可以得到如下关系式：

式中：fi为桩身任一界面处承载力（kPa）；f0为桩顶承载力（kPa），如图3 所示为桩身受力示意图。

图3 桩身受力示意图

根据现场的实际情况，桩身直径取0.5m；根据工程经验及《规范》相关规定，qsi对淤泥可取4～7kPa；对淤泥质土可取6～12kPa；对软塑状态的黏性土可取10～15kPa；对可塑状态的黏性土可取12～18kPa，此处保守地取qsi为4kPa。根据《细则》规定，江苏省现有的水泥搅拌桩上、下部以5m为划分界限；li取5m。水泥搅拌桩综合评分时规定，上部应达到75 分（对应强度要求0.25MPa）以上，下部应达到60 分（根据评分标准，用线性内插得到60 分对应的强度为0.098MPa≈0.01），则判定为不合格桩。由此，式12可以变换为：

可以看出，5m以下部分规定的承载力应比5m以上部分至少小160kPa，假设桩顶的承载力f0取合格值（f0=0.25MPa）时（《细则》中的规定），5m以下桩身承载力fi合格值的上限应小于0.09MPa，而《细则》规定桩身质量达到0.098MPa 时合格，说明《细则》规定上、下部合格值的差值范围科学合理。

4 结语

（1）设计中要求的水泥搅拌桩桩身强度，在实际检测中往往达不到。其主要原因是，设计中的强度要求并未根据承载力的要求和沉降计算来确定，而基本上是千篇一律。建议在今后的设计文件中，对不同的填土高度和沉降要求，分别验算桩身强度。

（2）设计中未对室内配合比试件抗压强度和现场检测强度分别提出要求，导致施工单位按照室内配合比进行现场施工的桩身强度达不到要求。而从历史检测资料来看，现场检测强度有时候仅为相同配合比试件强度的1/3～1/4。为此，《规范》（JGJ79—2012）也对室内试件强度采用了折减系数。建议在今后的设计文件中，必须分别明确室内配合比试件和现场检测强度的要求。

（3）本次研究采用几种接近极限的工况对桩身强度进行验算，表明《细则》是基本合理的。但对于填方超过6.0m 的高填方路段，检测标准还需要进一步优化和严格。

（4）本次研究选取的是承载力对桩身强度的要求，未考虑沉降对桩身强度的要求。后续研究中应充分考虑沉降对桩身强度的要求。

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