佛山地区公路软土路基水泥搅拌桩检测及验收问题探讨

袁耀波

（佛山市交通运输工程质量监督站，广东佛山 528200）

佛山地区公路软土路基水泥搅拌桩检测及验收问题探讨

袁耀波

（佛山市交通运输工程质量监督站，广东佛山 528200）

对比目前水泥搅拌桩检测要求，结合公路工程水泥搅拌桩成桩、受力特点和佛山地区检测具体情况，提出了佛山地区公路工程水泥搅拌桩以桩长、完整性（均匀性）和强度为主的质量检测体系，对搅拌桩质量检测项目、频率和评定标准等进行了阐述。

公路；水泥搅拌桩；软土路基；质量检测与评定

水泥搅拌桩是目前佛山地区道路建设采用复合路基处理方法中应用最广泛的桩型之一。其原理是利用水泥作为固化剂，通过搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，软土硬结而提高基础强度，适用于处理淤泥、淤泥质土、泥炭土和粉土土质。但普遍搅拌均匀性欠佳，很难全程复搅。随着近年公路项目的快速发展，水泥搅拌桩处理软土地基的施工工艺日益成熟，但目前国内尚无专门的水泥搅拌桩检测技术规范，虽然相关设计、施工、验收等规范对其检测都有相应要求，但不系统、不全面，不同地区、不同行业、不同单位在质量检测内容、检测方法及质量评价标准上都不能统一。该文将从水泥搅拌桩的检测项目、检测频率和检测指标等方面进行探讨，并初步建立适合佛山地区使用的水泥搅拌桩质量检测体系。

1 检测项目的选定

根据JTG/T D31-02-2013《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（以下简称《技术细则》）和《广东省公路软土地基设计与施工技术规定（试用）》（以下简称《技术规定》），水泥搅拌桩工后质量检测要求如表1所示。

表1　水泥搅拌桩质量检验要求对比

由表1可知：水泥搅拌桩检测和评价内容分为桩长、完整性（均匀性）和强度三部分，其中强度包括桩身强度和单桩或复合地基承载力两部分。两规范对桩长和强度的检测要求是强制而明确的（虽然个别指标有所区别），但对于桩身完整性（均匀性）并没有作强制要求。实际应用中水泥搅拌桩普遍存在搅拌均匀性欠佳和全程复搅困难的问题，当桩体不均匀时，承载力检测结果也可能失真。根据水泥搅拌桩的荷载传递机理，按现有一般设计设置50 cm厚褥垫层，桩身最大轴力出现在桩顶以下2～4倍桩径范围内，且在7 m桩长以下桩身轴力已非常小（如图1所示）。基于上述原因，桩身完整性和均匀性（尤其是桩顶以下7 m范围内）对其承载力的影响较大，如果有条件，应适当提高桩顶以下2～4倍桩径范围桩身强度，以提高复合地基承载力。

图1　桩身应力变化曲线

水泥土强度检查方面，桩身无侧限抗压强度的试验要求是统一的，且桩身强度和均匀性对桩身的荷载受力起到关键作用。不同物质组成的地层因其渗透性的差异，与同等比例水泥搅拌混合所形成的水泥搅拌土的强度大大不同，水泥搅拌桩穿越不同地层时桩体强度也千差万别。与砂、粉质粉土掺和，其强度往往很高，测试样品强度在几兆帕、十几兆帕的比比皆是，都能轻易超过桩体一般设计强度。但与淤泥或淤泥质土层拌和，芯样成型性时常不好，凝固胶结程度较低（因为多裂纹和均匀程度较差），常不能获得进行抗压强度测试的样品，抗压强度值也不易获得。然而这些力学性质很差的软土层也正是工程技术人员花大力气要改造的主要对象，不能因为难于采样而不评价。为此，对不能获取抗压试验芯样的搅拌土，建议引入原位标准贯入的方式进行评价。标贯方法操作简单，机具易掌握，省力省钱，检测深度较大，易于大面积多点普遍检测，其优势明显，用于质量评价其效果比较可靠。

承载力检测方面，《技术细则》要求同时做单桩承载力和复合地基承载力试验，而《技术规定》只要求做单桩承载力试验。其中单桩承载力特征值应通过现场荷载试验确定，初步设计时可按式（1）估算，并满足式（2）的要求。

式中：Ra为单桩承载力特征值（kPa）；up为桩的周长（m）；n为桩长范围内所划分的土层数；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值（k Pa）；a为桩端天然地基土的承载力折减系数；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值（k Pa）；Ap为桩的截面积（m2）。

式中：η为桩身强度折减系数；fcu为与搅拌桩桩身加固土配合比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90 d龄期的立方体抗压强度平均值（k Pa）。

单桩承载力确定后，复合地基承载力特征值可按式（3）计算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值（k Pa）；m为面积置换率；β为桩间土承载力折减系数；fsk为处理后桩间土承载力特征值（k Pa）。

根据式（1）～（3），水泥搅拌桩单桩承载力是按刚性桩原理计算的，而复合地基承载力是在基于桩与桩间土之间存在协调变形且未相对滑移假定的情况下计算得出的，即按柔性桩原理计算，两者之间存在力学概念上的不一致。同时国内个别试验研究表明单桩承载力在工作状况中的实际承载力比式（1）和式（2）计算得出的承载力低，在缺乏当地工程经验的情况下，应按照规范要求进行单桩荷载试验确定单桩承载力特征值，而且复合地基承载力更能准确、直观地反映软基处理效果。因此，建议将单桩承载力作为单桩施工质量与设计理念对比校验或检验单桩施工质量的指标；在保证桩身强度和完整性的前提下，将复合地基承载力作为软土路基处理效果的验收性指标。

综上所述，水泥搅拌桩的交工检测项目应包括桩长、桩身完整性和均匀性及强度三部分，其中强度包括桩身无侧限抗压强度和原位标准贯入击数结合评价的桩身强度及复合地基承载力确定的地基强度两部分。

2 检测频率的选定

检测频率应在保证工程质量的前提下尽可能减少检测费用和检测周期。桩长、桩身完整性和桩身强度均可通过取芯的手段进行，荷载试验则按相关规程进行。按粤价函［2012］1490《广东省物价局关于交通建设工程现场检测和工程材料试（检）验收问题的复函》的标准，抽芯检测收费为180元/m、荷载试验为10 000元/处（不含辅助费）、水泥搅拌桩成桩单价约为50元/m；按照佛山地区交（竣）工检测收费标准，路基部分费用为建安费的0.5%。假定某项目水泥搅拌桩平均桩长12 m、共10 000根，建安费为600万元，检测费约为3万元，如按表1所示检测频率，检测费用为40万～100万元，远远超过预算费用。

参照《技术规定》中袋装砂井20 m做一次长度试桩的标准，假定20 m区域内地质均匀、施工材料和工艺等均不变，以单幅18 m处理宽度、1.2 m桩径梅花形布置和12 m桩长为例，20 m范围内约有288根桩，以此为1个评定单元并进行一次抽芯检测，则检测频率为0.35%。综合考虑不同项目的特殊性和质量控制应在前中期严格执行的原则，建议抽芯检测频率定为0.2%～0.5%且单次不少于3根。综合水泥搅拌桩复合地基荷载传递特点和复合地基承载力的目的及其特征值的计算原理，可结合设计钻探情况和工艺试桩情况确定复合地基承载力的检测频率，以300～500 m测1处且每标段不少于3处为宜。按该频率，10 000根长12 m的水泥搅拌桩，验收性检测费为5万～12万，较为合理。

3 评定指标的选定

水泥搅拌桩的验收性检测项目包括桩长、桩身完整性、桩身强度（无侧限抗压强度及标准贯入击数）及复合地基承载力，其中桩长、桩身无侧限抗压强度和复合地基承载力在设计文件中都已明确，只有桩身完整性和标准贯入击数没有明确规定。

3.1桩身完整性指标的选定

根据上述分析，桩身在7 m范围内轴力最大，其桩身完整性应满足公路质量评定标准中75%的合格值，剩余位置的桩身完整性合格率可适当放宽至60%。

3.2桩身标准贯入击数指标的选定

广东省江门市公路局在2006年“高填方软土路基处治关键技术的研究”中通过相邻桩相同深度的标准贯入击数和抗压强度检测得出抗压强度与标准贯入击数经验公式为qu=0.046N+0.06，相关度R2=0.83（如图2所示）。《建筑地基基础设计规范》列示的标贯击数和承载力特征值的对应关系中，在相关系数r=0.997 5的情况下，二者存在二元二次拟合的统计关系：Y=86.224 8+9.7014X+0.642 9X2（X为标贯击数；Y为承载力特征值）。综合江门公路局研究成果和《建筑地基基础设计规范》，设计抗压强度（选取常用的3个值）与标准贯入击数的关系如表2所示。

根据现场试验，标准贯入击数为13、17和22击时，成桩情况如图3～5所示。

图2　标准贯入击数与抗压强度的关系

表2　水泥土桩身强度与标贯击数的关系（现有成果）

图3　标准贯入击数为13击时的成桩芯样

图4　标准贯入击数为17击时的成桩芯样

图5　标准贯入击数为22击时的成桩芯样

江门公路局的研究成果是基于相邻两桩成桩情况一致的假定进行数据收集得到的，但标准贯入击数为13～17击时，桩身完整性（如图3～4所示）不能满足无侧限抗压强度试验要求，故其试验结果在30击以下时不能准确反映两者的关系；且当抗压强度＞2 MPa时，其数据的离散性明显增加。而设计规范计算公式所获得的是承载力特征值（即容许承载力），与设计给出的极限破坏强度值有所不同，需进行修正。因此，无论从数据分析还是从理论计算方面都不能准确定义无侧限抗压强度和标准贯入击数的关系。建议以理论公式为基础，根据现场实测数据进行修正，将上述拟合方程的换算值下调20%，即采用试验数值和规范计算值的均值（如表3所示）。

表3　水泥土桩身强度与标贯击数的关系（建议）

佛山地区2015年公路工程水泥搅拌桩检测结果如表4所示。标贯值不合格的桩，其标贯数据大部分分布在3～10击，芯样搅拌欠均匀，水泥含量低，呈可塑状，且所在标段工程质量控制较差。综合2015年检测数据分布情况、不合格桩质量状况及项目部管理水平，上述标准贯入击数标准可用于指导水泥搅拌桩检测管理。

表4　佛山地区2015年水泥土桩检测结果

3.3佛山地区公路工程水泥搅拌桩质量检测体系

对比目前水泥搅拌桩检测要求，结合公路工程水泥搅拌桩成桩、受力特点和佛山地区检测数据，提出表5所示佛山地区公路工程水泥搅拌桩质量检测体系。

工程实际应用结果证明，该检测体系适用于佛山地区公路工程水泥搅拌桩质量评价，采用该检测体系，可满足水泥搅拌桩的质量管理要求，对加强施工管理、提高施工质量具有实际意义。

表5　佛山地区水泥搅拌桩质量检验要求

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2016-05-30