水泥搅拌桩加固桥头软基段工程应用研究

胡其志，杨 萌，郭 勇，王 华

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 430068;2.湖北省路桥集团有限公司，武汉 430080)

伴随着国家经济的迅猛发展，和国家总体战略规划对于基础设施建设的重视，使得交通线路快速增长，公路工程日益庞大，同时人们对路面的平整度和平顺性有更高要求，使得公路工程的建设必须保证承载力及沉降控制在规定范围内，必须保证在后期使用过程中的安全和舒适。建成后投入运营中的高速公路常见的质量缺陷就是由于路桥过渡段不均匀沉降引起的桥头跳车，经调查发现，高速公路运营期间的整体维护费用中，一大部分用于路桥过渡段的修补。路桥过渡段的不均匀沉降已成为公路建设过程中的重点问题，故而，路桥过渡段在设计、施工及后期养护的过程中应重点关注。采取技术可行的加固措施，降低工后沉降量和沉降差，保证桥和路的平稳过渡，进而确保工程总体的耐久性，减少后期养护维修的次数和费用。

为了改善桥头过渡段软土地基病害，刘汉龙[1]以逆向思维创新的方式提出一种能消除桥头跳车的装置，以其自身的降低或升高来消除桥头处不均匀沉降。李然[2]等借以优化沿道路行进方向水泥搅拌桩桩长的变化，来达到处理桥头跳车和二次跳车的问题。章定文[3]等在比较端承型和悬浮型的水泥搅拌桩室内模型的相关试验后得出端承型较悬浮型可显著减小工后总沉降量。吴岭[4]等提出超载预压联合浆喷桩的地基处理方案处治软弱地基以合理节省成本，并能适当控制工期。陈晓光[5]等通过对比CFG桩和浆喷桩的处治效果得出其桩长和桩间距对桥头处治工后效果的影响。徐晓云[6]等提出应综合考虑多种因素以判断地基稳定性而非仅仅依据地基变形速率。谷世平[7]等在水泥搅拌桩和堆载预压联合处理以增强地基承载力和加大施工期沉降量的基础上，提出增设泡沫混凝土以阶梯减荷换填和增加渐变刚度。韩帅[8]等在有限元软件分析桩长对桥头不均匀沉降的基础上，提出引入拓扑优化方法得出缓解桥头跳车及二次跳车的沿道路行进方向最优长度变化的桩长形式。

该文以湖北麻阳高速武穴段武穴长江公路大桥WX-1标段软基路段作为研究对象，分析地质勘查资料后选定K150+465～K150+495段为试桩段，在该段进行软土地基水泥搅拌桩工艺性试桩，以获得施工过程中水泥搅拌桩最佳水泥掺入比、搅拌桩机轴转速、钻机下钻和提升速度等主要施工技术参数。并通过2018年8月18日至2019年5月16日共计271天对项目沉降观测段的观测和分析断面的观测数据，分析水泥搅拌桩处理效果。

1 水泥搅拌桩加固效果的影响因素

在软弱地基土体中掺入水泥，利用水泥与软弱地基土体发生的水解和水化反应以达到加固效果，并用搅拌机械将混合物拌合均匀，以获得强度离散性较小的柱形整体，形成具有一定承载力、刚度介于刚性桩体和散体材料之间的桩形水泥土体，即水泥搅拌桩。

在水泥搅拌桩的施工工艺形成之初被称为深层搅拌桩，是20世纪40年代末被美国最先发明的就地搅拌地基处理方法，其后被日本引入并改进，而后于20世纪70年代引进我国开展研发和试验工作。由于其所形成的水泥土桩地基在强度与渗透性方面比原状土地基有很大的改善，并有易于施工，快速，相对廉价和对周围扰动小等特点，使得它广泛应用在软土地基加固、路基土处理和基坑支护等工程中。如在建湖北麻阳高速武穴段，其软弱土地基处理工程中水泥搅拌桩工艺占包括挖除换填和预压在内共三种处理技术总工程量的70%。

1.1 水泥掺量

搅拌机械对水泥和软弱地基中原有土体进行强制搅拌，以达到提高原有土体强度的目的，是水泥搅拌桩复合地基处理的基本原理。其强度的提高，是利用水泥与原有土体的水化和水解反应，形成形似“杆菌”的具有相对较高强度的水化产物，进而在溶液中形成以水化产物“水泥杆菌”为主的凝胶微粒。其中一些微粒因自身硬化成为了水泥石骨架，另一些则与土颗粒胶结，结合成为水泥石与土颗粒共同构成的网络状结构，使得地基土体强度提高，并且水化反应减少了原地基环境中自由水的含量，进一步提高了地基承载力。

同时，土体中水泥石骨架和其与土结合形成的网络状结构的规模与掺入搅拌水泥土中水泥的含量相关，当掺入水泥的量逐渐增大时，水泥与土相结合所形成的结构越发紧密，其间空隙越来越小，渗透性也越来越低，进而其强度随之提高。搅拌后水泥土中水泥掺量由指标水泥掺入比aw表示，其意义为水泥重量和被其加固地基土的天然重量之比。

1.2 搅拌桩机轴转速

在搅拌桩机将待处理地基土体与水泥强制拌合时，保证钻进和提升速度不变的前提下，搅拌桩机轴搅拌速度越大，同一位置处的水泥和土体的拌合物被搅动的次数越多，水泥和地基土体就混合得越充分越均匀，使得水泥土结构整体性越好，离散性越小，强度更稳定更高。尽管如此，搅拌机轴转速也不宜过高，当土质含水率低或粘性大的时候，易导致拌合土体粘结在搅拌头叶片上，形成妨碍其强制拌合土体的“土团”，从而大幅降低叶片拌合效果。

1.3 搅拌轴钻进提升速度

搅拌桩机对软弱地基处理过程中，若钻机钻进速度太大，在其行进方向上有质地较为坚硬的部分时，易导致憋钻造成机具损坏；提升速度过快，而此时拌合物中含水率较低，导致水泥土流动性较差，不易填补因搅拌轴提升而留下的空间，使得桩体出现空洞，致使桩身强度离散性增大，整体性降低，进而影响其承载力。若钻进或提升速度小，成桩的整体性得到提高，强度更稳定，总体承载力越大，但同时相对耗费更长的时间。

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1.4 搅拌遍数

在将待处理地基强制拌合时，搅拌桩机对被处理地基搅拌的遍数越多，水泥与软弱地基土体之间的拌合就越充分、越均匀，所成桩体各部分强度越趋于一致，性能更稳定，桩身承载力越高。并且通过研究水泥土强度增强的机理可知，只有保证水泥与土体在一定的程度搅拌混合——即保证有一定次数的搅拌遍数——才能获得足够的强度，达到合乎标准的承载力，故而应在前几次的钻进或提升时进行喷浆，使得水泥与土在混合后能有更多的搅拌遍数。

理论上，当对水泥和土的混合物搅拌遍数越多时，其混合物就被搅拌得越均匀越充分，成桩的强度离散性越小，桩体性能更稳定。但与此同时，所需工期更长，工耗更多，其成本亦随之增大。两喷两搅、两喷四搅或两喷六搅等是被国内施工经验和桩机性能所推荐的工艺。

2 工艺性试桩

为获得试验段水泥搅拌桩的各项施工技术参数，包括最佳水泥掺入比aw、搅拌桩机轴转速还有搅拌桩机钻进和提升速度等，开展现场工艺性试桩，并以此指导后续大面积施工。

作为此次工艺性试桩的目标项目武穴长江公路大桥WX-1标段，属规划内的湖北麻城至阳新高速(以下简称麻阳高速)中未完工的武穴至阳新段，该项目连接武穴四望镇新屋岭与黄石阳新县枫林镇塘湾村，于武穴起点处与沪渝国家高速交汇，途经黄泥湖农场，其后在余祥村上洲湾跨过长江到达黄石阳新境内，经上巢湖后与杭瑞国家高速交汇，并在全程共设有四望、武穴、富池等5处互通式立交，起着连接麻阳高速武穴段与杭瑞国家高速九江南阳至黄石枫林段的作用。该段项目全长约31 km，包含3 355 m长江大桥和约27.6 km的两岸接线公路。

北岸接线段按地貌单元、岩土时代成因、强度差异及工程地质性能综合考虑可划分为构造剥蚀溶蚀丘陵区(Ⅰ)、河湖堆积平原区(Ⅱ)、构造剥蚀残丘区(Ⅲ)等3个一级分区，二级分区则为基岩亚区(1)、第四系堆积物亚区(2)等2个亚区，工程地质路段可分为岩石路段(A)、一般路段(B)、软土路段(C)。

2.1 试验段场地选取

由现场勘查可知，K148+433～K152+600段处于地势平坦开阔的河湖冲积平原地带，其地层主要是第四系全新统冲积层堆积物亚区(2)软土路段(C)，含有湖积黏性土、淤泥质土、砾卵石等。淤泥及淤泥质土是该地层主要组成成分，并有软-流塑状黏性土夹杂其间。地下水水量较丰富，孔隙水和裂隙水是其重要组成成分，并有一部分碳酸盐类岩溶水混杂其间，整体水位较高。

软弱土层对路基承载力、道路成品质量影响较大，不可将其用作路基持力层，应依据其分布、性质、成因等的不同而采取对应的处理措施。同时，下伏基岩为碳酸盐岩的路段需注意隐伏岩溶的影响。依据该项目标段试验段的施工现场实际情况及地质条件，确定K150+465～K150+495段为试桩段。

2.2 工艺性试桩方案及结果分析

在完成试验桩施工28 d后，为评定现场试验水泥搅拌桩的成桩效果，对12根试验桩分别进行抽芯样本无侧限抗压强度试验和现场单桩静载强度试验。

试验检测结果数据如表1和表2所示。其中，28 d试验桩抽芯样本无侧限抗压强度设计值为0.8 MPa，现场单桩静载强度设计值为97 kN。

通过表1中四种水泥掺入比值下的试验桩抽芯样本无侧限抗压强度值数据，可知在较高和较低搅拌桩机轴转速下都大于0.8 MPa，均满足设计要求。从表中数据可以得出，当水泥掺入比aw一定时，提高搅拌桩轴转速可使得试验桩抽芯样本无侧限抗压强度提高，究其根本主要是具有较高轴转速的搅拌桩机将地基土块切削成更小的颗粒，水泥更均匀的分布在地基土中，水泥与土的混合物被拌合得越充分，以此得到的水泥土强度更均匀，整体性更好，所得桩体整体强度更高。

表1 试验桩抽芯样本无侧限抗压强度试验

表2 现场单桩静载强度试验

分析表2中试验结果数据可知，在同一搅拌轴转速的情况下，提高水泥掺入比aw使得现场单桩静载强度得到提高，这是由于水泥掺入比aw的增大带来相同体积桩体中水泥含量增多，就有更多水泥在水泥与土的混合物中发生固化反应，使得水泥土中的固化反应增强，强度离散性减小，总体固化程度得到提升，进而整体强度得到提高。并且，从表2中数据可看出水泥掺入比aw为12%和15%的试验桩，在搅拌桩机轴转速为40 r/min时，现场单桩静载强度值小于设计值，取值为18%和20%的水泥掺入比的试验桩符合要求。

因此采用水泥掺入比aw为18%、搅拌桩机轴转速为40 r/min的施工方案，既可满足设计对水泥搅拌桩体的强度要求，又能在一定程度上节省工程成本，符合工程实际对现场施工工艺的要求。

3 水泥土搅拌桩复合地基沉降观测

沉降观测段位于开阔平坦的河流冲积平原地区，淤泥及淤泥质土是其重要组成部分，其间还夹杂着少量软-流塑态黏性土和砾卵石等。观测段总长约为5 762 m，主要分布于K149+509～K152+504黄泥湖农场段及K155+820～K159+346长江北岸冲积平原段，占路线全长约21%。

为得出水泥掺入比aw对水泥搅拌桩地基处理的效果研究评价，在试验段内选取若干断面进行沉降观测，选取其中3个断面的观测数据分析沉降控制效果。

3.1 沉降观测布置

为观测水泥搅拌桩处理试验段工后效果，分别将编号为1#、2#、3#的沉降板置于预先选定的三个观测断面K150+480、K150+576、K150+671，并令各断面处水泥搅拌桩中水泥掺入比aw分别为15%、18%、20%。观测段地基经水泥搅拌桩处理并铺设完碎石垫层后，将沉降板钻孔埋设其下后注浆，再行安装。

3.2 沉降观测结果分析

对于试验段的观测起于2018年8月，止于2019年5月共计271 d，采用1#、2#、3#沉降板的沉降观测数据进行分析，各观测断面处填筑高度分别为5.8 m、6.5 m、6.2 m，三个观测断面均在路堤填筑施工期间有一段间歇期。图1～图3分别为各断面处路堤荷载、沉降量与时间的关系曲线图。

由关系曲线图可分析出，路堤荷载增大，水泥搅拌桩复合地基沉降量随之增大。且在路基填筑作业前后沉降曲线较陡，沉降速度快，在路段施工间歇期和施工完成后沉降曲线较缓，沉降量少，沉降速度慢。同时，通过比较在三个断面路堤荷载相同时，可得出水泥掺入比aw为15%时，经水泥搅拌桩处理的试验段地基沉降量最大，水泥掺入比aw为18%时次之，为20%时最小。

4 结 论

a.水泥搅拌桩对软弱地基处理的施工应用中，在水泥掺入比不变的情况下，提高搅拌桩轴转速，会提高所得试验桩抽芯样本无侧限抗压强度，究其根本主要是具有较高轴转速的搅拌桩机将地基土块切削成更小的颗粒，水泥更均匀的分布在地基土中，水泥与土的混合物被拌合得越充分，以此得到的水泥土强度更均匀，整体性更好，所得桩体整体强度更高。

b.在水泥搅拌桩地基处理施工中，在同一搅拌轴转速的情况下，提高水泥掺入比使得现场单桩静载强度得到提高，这是由于水泥掺入比的增大带来相同体积桩体中水泥含量增多，就有更多水泥在水泥与土的混合物中发生固化反应，使得水泥土中的固化反应增强，强度离散性减小，总体固化程度得到提升，进而整体强度得到提高。

c.根据现场单桩静载强度试验数据，取18%的水泥掺入比值、搅拌桩机轴转速为40 r/min的水泥搅拌桩施工方案，既可满足设计对水泥搅拌桩体的强度要求，又能在一定程度上节省工程成本，符合工程实际对现场施工工艺的要求。

d.经水泥搅拌桩处理后的复合地基中，其桩内水泥掺入比值对地基沉降的控制效果影响较大，较高的水泥掺入比带来较小的地基沉降，使得路基整体更稳定。并且发现，在水泥搅拌桩处理后的地基沉降大部分在路基填筑作业和填筑完成后半年内，特别在路基填筑加载期间尤为明显。