悬浮水泥搅拌桩在深厚软土地基处理中的应用

吕全纲，柳宇凯

1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430052

2.湖北省自然灾害应急技术中心，湖北 武汉 430071

21世纪以来，我国交通事业愈发飞速发展，城市路网构建逐渐完善，尤其是东部沿海经济发达地区深厚软土地基上道路的建设蓬勃发展。目前，处理深厚软土地基的方法主要有复合地基法和排水固结法。其中，复合地基法主要包括水泥搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）以及预应力高强混凝土管桩（PHC）等；排水固结法主要有袋装砂井和塑料排水板等。从施工工期、工程质量、造价等多方面考量，广东省沿海地区市政道路通常使用水泥搅拌桩；然而实际施工却受到施工工艺、机械等因素的限制，水泥搅拌桩加固深度超过15m后就难以保证桩体质量，因此建议其一般不宜超过12m；但是软土深度往往超过20m，水泥搅拌桩很难穿透软土层，由此悬浮水泥搅拌桩复合地基也就应运而生。悬浮水泥搅拌桩在多个路基填筑高度不大的工程成功使用后，路基的工后沉降和承载力均满足规范要求，表明悬浮水泥搅拌桩行之有效。文章以佛山市顺德区龙盘北路东延线工程为例，论述了低填路基悬浮水泥搅拌桩的应用。

1 项目概况

龙盘北路东延线工程道路全长约为2.541km，拟建道路沿线位于珠江三角洲冲积平原，属于河口三角洲堆积地貌，场地现状主要为鱼塘、碎石路、拆迁区、施工工地以及河涌等。沿线路段主要的不良地质问题为杂填土、淤泥及淤泥质土。杂填土结构松散，稍湿，土质成分以黏性土为主，含砾、砂土等，土质不均匀，堆填时间小于5年，承载力基本容许值[fao]为70kPa。淤泥、淤泥质土，流塑，微具有腥臭味，含腐殖质，局部夹薄层粉砂，强度低、压缩性高、灵敏度大，其工程性能差，承载力基本容许值[fao]为50kPa，埋深为15～42m，且大部分集中于20～30m。道路沿线的工程地质情况如表1所示。

表1 土工试验主要物理力学参数表

文章以项目典型段落K3+880～K3+960为研究对象，该路段道路宽50m，路基填筑平均高度约为2.5m，设计采用水泥搅拌桩等载预压，等边三角形布置，直径为0.5m、间距为1.3m、桩长为12.0m。水泥搅拌桩未穿透软土层，形成悬浮水泥搅拌桩复合地基。

2 承载力的确定

（1）单桩承载力特征值。水泥搅拌桩单桩承载力特征值应根据现场荷载试验确定，设计时可按式（1）估算，并且需要满足式（2）的要求。

式中：Ra为水泥搅拌桩单桩承载力特征值；n为桩长范围内所划分的土层数；Upi为第i层土桩的周长；qsi为第i层土的侧阻力特征值；li为桩身范围内第i层土的厚度；α为桩端天然地基土的承载力折减系数；qp为桩端土未经修正的地基承载力特征值；Ap为桩的截面积。

式中：fcu为标准养护条件下90d龄期的水泥土立方体抗压强度平均值；η为桩身强度折减系数。经计算，该路段水泥搅拌桩单桩承载为84kN。

（2）复合地基承载力特征值。复合地基承载力特征值应通过复合地基静荷载试验或采用单桩静荷载试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定，设计时可按式（3）估算。

式中：fspk为复合地基承载力特征值；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。经计算，该路段水泥搅拌桩复合地基承载为120kPa。

（3）下卧层地基承载力。悬浮水泥搅拌桩地基存在软卧下卧层，必须验算软弱下卧层的地基承载力：

式中：Pz为荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加应力值；Pcz为软弱下卧层顶面处土的自重压力值；faz为软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值。经计算，Pz+Pcz=26.0+214.3=240.3kPa≤faz=274.3kPa。

采用悬浮水泥搅拌桩处理后，单桩承载力、复合地基承载力及下卧层承载力验算均达到设计标准，满足要求。

3 沉降量的确定

水泥搅拌桩复合地基的沉降计算包含复合地基加固区的沉降S1计算和加固区下卧层的沉降S2计算。

（1）复合地基加固区的沉降S1可按式（5）和式（6）计算。

式中：Epsi为各分层的桩土复合压缩模量；ΔPi为地基中各分层中点的附加应力；Δhi为地基中各分层的初始厚度；Ep为桩体压缩模量；Esi为各分层的土体压缩模量。

（2）加固区下卧层的沉降量S2可采用分层总和法计算，具体可参考《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定。

经计算发现，该路段水泥搅拌桩处理后工后沉降为7cm，满足规范一般路段工后沉降不大于30cm的要求。

4 水泥搅拌桩施工

（1）施工工艺（四喷四搅）。①水泥搅拌桩桩机运至工地后，先进行安装调试，待内外钻杆旋转、浆泵及计量设施一切调试正常后，桩机移至桩位。搅拌桩桩位偏差小于5cm。②启动深层搅拌桩机转盘，待搅拌头转速正常后，方可使钻杆沿导向架边下沉边搅拌，下沉速度可通过档位调控，工作电流不应大于额定值。③深层搅拌机预搅下沉时，后台拌制水泥浆液，待压浆前将浆液放入集料斗中开启灰浆泵，通过管路送浆至搅拌头出浆口，边喷浆搅拌边预搅下沉。④下沉到达设计深度后，边喷浆搅拌边提升钻杆，使浆液和土体充分拌和直至搅拌钻头提升至设计标高。⑤重复步骤③、④。⑥施工完一根桩后，清洗管路及搅拌头，机具移位，进行下一根桩的作业。

（2）试桩。在进行大面积施工前必须通过现场工艺性试桩，以取得桩体满足设计要求的各种技术参数和合适的施工方法。每个工点试验桩根数不小于5根，建议根据不同的水灰比、水泥含量分别设置3组。通过试桩确定以下技术参数：①满足设计喷入量的各种参数，如钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷浆压力、单位时间喷入量、两次喷浆量的分配；②确定搅拌的均匀性，验证预定的工艺流程；③掌握下钻和提升的阻力，采取相应的技术措施；④确定软土含水量和喷浆量的关系，求得最佳喷浆量和浆液的水灰比；⑤一旦确定提升速度，水灰比、空压机、灰罐和搅拌机不能随意变动。（供参考的机械参数：钻进速度v＜1.0m/min；提升速度为0.4～0.8m/min；搅拌转数r为30～50r/min；钻进、复搅、提升时管道压力为0.3～0.4MPa；喷浆时管道压力为0.50～0.60MPa。）

（3）成桩质量检测。搅拌桩成桩后由专门的检测单位进行检测；搅拌桩在成桩后3d内进行桩身质量检验，采用轻便动力触探方法。复合地基承载力检验应采用复合地基静载试验和单桩静载试验。为评价桩身抗压强度、含灰量、坚硬程度、搅拌均匀性等指标，施工后需要进行抽芯试验，一般应随机抽取，且分布均匀。浆喷桩施工结束28d并经检验合格后，方可以填筑路基。

5 水泥搅拌桩处理效果

水泥搅拌桩施工完后，经佛山市质量检验监督站检测显示，水泥搅拌桩单桩承载力可达120kN、复合地基承载力约为160kPa，均能满足设计要求。通车2年后的工后沉降约4.8cm，远小于规范要求的30cm，道路运行状况良好。

6 结论

（1）悬浮水泥搅拌桩用于深厚软土填方较低路段，处理效果较好，既能满足工程质量要求，又能节约部分工程费用，表明在某种程度上可推广使用。（2）悬浮水泥搅拌未穿透软土层，实际设计与施工时需要着重考虑软弱下卧层的承载力及沉降是否满足要求。