水泥土搅拌桩处理沿海软土地基的试验研究

程顺利 华卫君

(浙江省工程勘察院，浙江 宁波315012)

水泥土搅拌桩处理沿海软土地基的试验研究

程顺利 华卫君

(浙江省工程勘察院，浙江 宁波315012)

通过沿海软土地基水泥土搅拌桩的单桩静载荷试验和室内水泥土试块的无侧限抗压强度试验，提出了宁波镇海新近围垦的软土地区采用水泥搅拌法处理的适宜性和处理效果；并通过对埋设在桩身内的钢弦式砼应变计的系统观测与研究，分析了水泥搅拌桩在桩顶荷载作用下，沿桩身的应力分布情况，得出了在一定条件下水泥土搅拌桩的临界受力深度，为今后具体工程采用水泥土搅拌法处理软土地基的设计计算与施工提供了科学的依据和可靠的技术参数.

水泥搅拌桩；静载荷试验；水泥土室内抗压试验

软土地基处理试验是土建设计前的一项重要工作，它不仅直接决定工程的造价，而且还决定着施工建设的速度和质量与安全.砂井堆载预压法及换土垫层法等地基处理方案都曾在镇海炼化经过试验，并成功地应用于储油罐、化肥仓库及污水池等建(构)筑物，取得了较好的效果.但水泥土搅拌桩法之前在宁波镇海围垦成陆时间较短的临海海积平原地区从未进行过系统的试验和应用，因此，选择在场地浅部土层含水量高、强度很低、天然地基承载力很小的典型软土地基上进行水泥土搅拌桩法处理软土地基的试验和研究[1]，是十分必要的，并具有特别重要的现实意义.

1 场地工程地质条件及试验点的选择

试验场地位于杭州湾喇叭口南岸，濒临东海之滨，为新近围垦的海涂地，属滨海淤积平原地貌，地形平坦开阔，地势较低，自然地面标高一般为吴淞高程2.7～3.0 m.勘察资料[2]表明，场地20 m深度范围内的地层特征如下：

①2层粉质黏土：黄褐色，可塑～软塑，厚层状，中等～高压缩性，土质不均匀，性质自上至下渐变差.

①3层淤泥质粉质黏土：褐灰色，流塑，厚层状，高压缩性，土质不均匀，物理力学性质差.

②1层淤泥质粉质黏土：灰色，流塑，薄层状，高压缩性，土质较均匀，物理力学性质差.

②2层淤泥质黏土：灰色，流塑，薄层状，高压缩性，土质较均匀，物理力学性质差.

②3层含黏性土粉砂：绿灰色，饱和，中密，具层理，中等压缩性，土质不均匀，物理力学性质较好.

②4层淤泥质粉质黏土：灰色，流塑，似鳞片状，高压缩性，土质不均匀，物理力学性质差.

③1层粉砂：灰绿色，饱和，中密，厚层状，中等压缩性，土质不均匀，物理力学性质好.

由于场地幅源辽阔，地基土层结构在纵横方向上均有一定的变化(见图1)，根据场地条件及土体分布特征，将试验点布置在A、C两点，各试验场地的桩位平面布置见图2，桩的竖向位置见图3、图4.

A、C两点地基土的物理力学性质指标见表1.

图1 场地典型地质剖面图

图2 搅拌桩试验场地桩位平面布置示意图

图3 A点粉喷桩竖向位置图

图4 C点粉喷桩竖向位置图

2 水泥粉喷搅拌桩现场静载荷试验

为了评价水泥粉喷搅拌桩处理软土地基的加固效果，研究水泥搅拌桩的荷载传递规律[3]及临界桩长，本次在搅拌桩单桩静载荷试验的同时，在A21号桩的桩身内埋设了钢弦式砼应变计.

2.1 试验仪器设备及安装

试验仪器设备主要由承压板、加力装置及量测系统组成.

单桩静载荷试验承压板由Φ500 mm、厚度25 mm的钢板制成，在承压板安装前，先对桩头进行处理，即预先凿去桩顶约0.3 m强度相对较低的部分，然后用素混凝土抹平.

承压板上的加压装置采用500 kN油压千斤顶，而千斤顶上的加载反力则使用现浇混凝土压块及平台反力架提供.各级荷载值用放置在千斤顶上的300 kN或600 kN测力环直接测读，而桩顶沉降量通过对称安装在承压板上的四只百分表测读，砼应变计及土压力计用钢弦频率接收仪测读.

表1 试验场地土层物理力学性质指标一览表

试验地点土层编号主要物理力学性质指标含水量密度孔隙比液性指数压缩模量直剪固快内摩擦角内聚力W/%ρ/(kN·m-3)eoILEs1-2/MPaΦ/°C/kPaA①2330187095073361156230①346017812414830084250②1458175128155226140100②2547169149152195112100②4489173136175336113150③12441960711730327102C①2337192091060462115400①3500176133169218117205②1368182104143320162170②251917314114820511997②32521920751710231140②4438179120158294118186③12311970692540360110

2.2 试验方法

本次静载荷试验均按慢速维持荷载法进行[4].每级加荷值一般为15～20 kN，卸荷量为每级加荷量的2倍.

各级荷载下的沉降变形观测、沉降稳定标准及终止试验条件，均按现行有关规范要求执行.其中电测元件的观测，在每级加荷前后各测读一次，以后间隔1小时读一次.

2.3 试验资料的整理

2.3.1 试验曲线的绘制

根据现场试验沉降观测记录资料，绘制出荷载(Q)与沉降量(S)的关系曲线图(见图5-图8)和各级荷载下沉降量(S)随时间对数(t)的变化曲线图(省略).

2.3.2 单桩竖向承载力的确定

单桩竖向极限承载力值Qu，是根据Q-S及S-lgt曲线的变化特征综合分析确定的[5]，即取Q-S曲线上明显陡降段的起点所对应的荷载或S-lgt曲线尾部明显向下曲折的前一级荷载为极限承载力值Qu.

单桩竖向承载力特征值Ra可取单桩极限承载力的一半.

按照上述方法确定的结果见表2.

对于A21号桩，在单桩静载荷试验时，还对埋设在桩身内的砼应变计进行了观测，根据砼应变计的实测频率值，推求不同荷载下各个砼应变计应变量随深度的变化规律(见表3和图9).

图5 7.7m长水泥搅拌桩荷载与沉降关系曲线图

图6 9.7m长水泥搅拌桩荷载与沉降关系曲线图

图7 11.7m长水泥搅拌桩荷载与沉降关系曲线图

图8 9.2m长水泥搅拌桩荷载与沉降关系曲线图

图9 A21号桩顶荷载作用下桩身应变随深度变化关系图

表2 单桩竖向承载力确定表

试桩编号桩长/m实测平均水泥掺入量aw/%单桩竖向极限承载力单桩竖向承载力特征值单桩试验值平均值单桩试验值特征值Qu/kNSu/mmQu/kN Su/mm Ra/kN Sa/mm Ra/kN Sa/mmA4A5A67717165257915120197017165286915002473825339600220825284750281A7A8A99715160234717180236617160167716672130800283900211800258833251A20A21117182402904141602765200028351200283800332100308C1C2C3921718016491818016681718030721733213800200900189900279867223

表3 A21粉喷桩桩身砼应变计测试结果表

荷载P/kN20406080100120140160180测点编号深度/m微应变ε/με20151913295341698271137774701626099272435157275470106516842648355749007930134512723641666694812792061294357692155113208320470711100415102337345119659318729833537240944659397512753654729010812616123333918951938577995114133152189

注：16、14号二只砼应变计失灵无效

3 试验成果的分析研究

通过上述试验资料的整理、分析，可以得出如下主要结果：

(1)水泥粉喷搅拌桩在各级荷载作用下的沉降稳定历时较长，Q-S曲线尾段骤然陡降，卸载后回弹不好，回弹率一般为5.8%～10.5%，表现出柔性桩的特点，因此，它是一种介于刚性桩与散体材料桩之间的具有一定压缩性的半刚性桩.

(2)从各试桩的桩头开挖结果表明，搅拌桩的桩身横截面各点处的强度是不均匀的，中心轴处(直径约10 cm)强度最低，水泥土结构较松，沿径向向外强度逐渐增加，一般最外圈3～5 cm水泥含量较高，强度最大，与国外报导类似，这一点在本次试验中已得到证实.在试验时，我们在桩顶距中心点约1/2半径处埋设了压力传感器，但实测传感器的压应力均小于桩顶实际的平均应力，由此说明在荷载作用下，应力主要集中在桩的周圈.

(3)随着粉喷桩长度的增加，其单桩承载力特征值亦有所提高，但提高的幅度较小，并不是呈线性增加.由表4可见，平均每米桩长所获得的承载力随桩的长度增加反而减少，由此说明，本次试验的水泥搅拌桩应属纯摩擦型桩，且主要是靠桩身上部受力，桩下部承载力发挥甚少或基本不受力.

表4 不同桩长的承载力比较

实 际 桩 长/m779297117单桩承载力特征值/kN7508678331000平均每米桩长所获取的承载力/(kN·m-1)97948685

(4)水泥搅拌桩复合地基设计的一个首要问题是确定单桩承载力，而在没有试桩条件下要确定单桩承载力，首先必须确定桩的临界长度，并据此来确定桩的承载类型，对于纯摩擦桩不应考虑端阻力.基于这个目的，我们在A21号桩中埋设了砼应变计，根据桩身不同深度处的应变量大小，可以分析桩身的荷载传递规律.由图9可见，随着桩顶荷载的增加，不同深度处的桩身应变量也随之增大，但应变量的增加幅度却自上至下逐渐减少.在容许荷载80 kN作用下，7.5 m和9.5 m深度处的应变量仅为1.5 m深度处应变量的5.3%和4.7%，表明该水泥搅拌桩在7.5 m以下部分对发挥承载力的作用不大，由此说明其临界桩长为7.5 m左右.从图9中还可以看出，0～4.5 m应变曲线收敛很快，这可表明水泥搅拌桩桩身最大轴力位于桩顶4～5 m范围内，往下桩身轴力逐渐减少，对于超过8 m长的桩，其下部受力很小，主要起减小地基沉降的作用.

(5)室内水泥土强度试验结果表明(见表5、图10)：本区不同深度的软土，在水泥掺入量相同的条件下，水泥土强度基本相近，其极差不超过平均值的10%，说明本区土质对水泥搅拌桩的成桩质量影响很小.但水泥标号及水泥掺入量对水泥土强度影响较大，在28天龄期和相同水泥掺入量的条件下，采用525#水泥与使用425#水泥相比，其强度可提高64%～136%；水泥土的强度随水泥掺入量的增加而提高，且使用525#水泥的搅拌土强度增加尤为明显，即当水泥掺入量每增加5%，水泥土的平均强度就提高43%～56%，而当使用425#水泥时，水泥掺入量每增加5%，水泥土的平均强度仅提高32%～34%.因此，要通过增加桩长来提高水泥搅拌桩的承载能力，首先必须增加桩的临界长度，而要增加临界桩长，重要的条件是使桩身的抗压强度和刚度增强，使其与相应的承载力相匹配.但从经济技术上考虑，在桩径一定的条件下，提高水泥搅拌桩的水泥标号(即增加桩身强度)，对提高单桩承载力更具有实用意义，而不是盲目增加水泥掺入量或桩长.

表5 水泥标号及掺入量对水泥土强度的影响

地基土层编号水泥掺入量aw/%无侧限抗压强度qu/MPa425#525#qu525-qu425qu425×100%①31005400889646150780132069220098419741006②11005770948643150727134785320094922391360②21005090941849150655130499120094620061121

注：水泥土试件养护龄期为28天

4 结论

(1)水泥粉喷搅拌桩的施工质量对桩体承载能力影响较大.由于试桩在施工过程中水泥掺入量控制不均(实测水泥掺入量为14%～18%不等)，以致造成试桩承载力也相差较大.因此在今后工程施工过程中，应严格控制喷灰(或喷浆)量和搅拌头升降速度之间的关系，切不可出现断灰(或断浆)现象.同时搅拌次数对桩身的均匀性和强度也有一定的影响，一般来说，搅拌次数越多，桩体越均匀，质量相对亦较好.

(2)从桩身的微应变可见，粉喷桩的桩身轴力是随着荷载的增加而增大的，在同一级荷载作用下，轴力则自上至下逐渐减小，表现出类似刚性桩的特点.同时还发现，在深度7.5 m以下，桩顶荷载的增加对其影响很小，可见其临界桩长为7.5 m左右，且最大轴力位于桩顶4～5 m范围内.因此，加强桩顶4～5 m范围内桩身的强度和刚度，对提高桩体的承载能力有着重要的意义.

(3)水泥土强度随水泥标号的提高而增大，也随水泥掺入量的增加而提高，同时也可以看出，在室内试验条件下达到相同强度时，采用标号为525#的水泥可比425#水泥降低掺入量10%左右.

图10 水泥土无侧限抗压强度与水泥标号和掺入量关系图

[1]华卫君，杜仁杰，何文选．镇海炼化100万吨/年乙烯工程软土地基试验报告[R].宁波：浙江省工程勘察院，1993.

[2]李飚，华卫君．镇海炼化100万吨/年乙烯工程岩土工程勘察报告[R].宁波：浙江省工程勘察院，2006.

[3]段继伟，龚晓南，曾国熙.水泥搅拌桩的荷载传递规律[J].岩土工程学报,1994,16(4):1-7.

[4]周国钧，胡同安，杨晓刚等．软土地基深层搅拌加固法技术规程YBJ225-91[M].北京：冶金工业出版社，1991.

[5]滕延京.建筑地基处理技术规范理解与应用(JGJ79-2012)[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[6]徐至钧，曹名葆．水泥土搅拌法处理地基.建筑地基处理技术丛书[M].北京：机械工业出版社，2004.

(责任编辑 鲁越青)

Experimental Research on Coastal Soft Ground Treated by Cement-Soil Mixed Piles

Cheng Shunli Hua Weijun

(Zhejiang Engineering Prospecting Institute, Ningbo, Zhejiang 315012)

The paper proposes the suitability and treatment effects of cement mixing method in the newly reclaimed soft soil area in Zhenhai Ningbo through static load test on the single pile of cement-soil mixed piles on coastal soft ground and experiment on unconfined compressive strength test of cement-soil mixing test block in the laboratory. The stress distribution along the cement-soil mixed pile under the load at the pile top is analyzed by systematic observation and research of vibrating wire concrete strain meter embedded in the pile. We get the critical stress depth of cement-soil mixed piles under certain conditions, providing a scientific basis and reliable technical parameters for design calculation of specific projects using the cement-soil mixing method in the treatment of soft ground..

cement-soil mixed pile; static load test; compression test of cement-soil in laboratory

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2017.07.001

TU472

A

1008-293X(2017)07-0001-07

2017-01-11 作者简介：程顺利(1964- )，男，浙江松阳人，浙江省工程勘察院副教授，研究方向：岩土工程.

华卫君(1963- )，男，浙江台州人，浙江省工程勘察院教授，研究方向：岩土工程.