深层水泥搅拌桩承载特性研究进展分析

付佰勇，师启龙

（中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，北京100088）

0 引言

深层水泥搅拌桩以其直径大、自动化控制程度高等优点，在日本桥隧工程、港口工程地基加固中得到广泛应用。我国的香港机场第三跑道、深中通道沉管隧道、韩国的釜山沉管隧道等工程中也采用了海上深层水泥搅拌桩工法。

理清深层水泥搅拌桩的受力机理与破坏模式是合理设计与工程利用的前提。深层水泥搅拌桩的长期强度与变形特征也亟待探究。围绕这些问题，本文进行了详细的文献综述与调研工作，对近年来国内外在深层水泥搅拌桩受力机理、破坏模式及强度增长方面的研究进展进行了分析，提出了未来需要关注和研究的重点。

1 受力机理及破坏模式研究进展

宋二祥等[1]结合某填海工程，就深层搅拌桩复合地基数值分析模型及作用机理进行了研究。研究表明，对于带加筋垫层的复合地基，采用有限变形理论能较好地反映水平加筋垫层的承载作用。对于施工周期较长的工程，有必要模拟其饱和软土的渗流固结过程，用以正确计算桩土荷载分担及复合地基的变形。当桩与桩间土刚度相差悬殊时，路堤的工后变形将依赖于路堤内部压力拱的长期稳定性，同时路堤运营期发生的差异沉降也需要引起重视。

CHAI Jinchun等[2]研究了日本佐贺县深层水泥搅拌桩改良软黏土地基上的路堤在震后2个月和强降雨1 d后的渐进破坏（图1）。DCM桩长13 m、桩径1.2 m、桩间距1.93 m，正方形布置，置换率30%，地层为粉质黏土。根据调查和数值模拟发现，含DCM路堤的破坏模式可能不只是滑动破坏，而是某一根DCM桩的桩体受弯（拉）破坏进而导致其他DCM桩逐步发生受弯破坏，直至整个路堤体系形成渐进式滑动坍塌破坏，然而在日本目前的设计中，并没有要求复核DCM的受弯极限承载力。

图1 日本佐贺某路堤DCM破坏后的情况Fig.1 DCM failure of an embankment in Saga,Japan

同时指出，对于DCM桩的渗透性，以往文献的结果表明，DCM的渗透性可以大于、等于或小于原始土层的渗透性。对于水泥处理的Ariake黏土，在相同孔隙比条件下，随着抗压强度的增加，处理后DCM桩的渗透性显著降低，其机理是火山灰反应物进入DCM桩内部，使桩的孔隙减小。利用该项目钻孔取芯样，测得DCM桩的孔隙比与原状土基本相同，因此DCM桩的水平和垂直方向渗透系数（kh和kv）可以设置为周围粉质黏土渗透系数的1/5。

日本佐贺县在已有破碎DCM桩的情况下继续使用DCM桩进行加固处理，在施工新的DCM桩前必须将已有的破碎DCM桩搅碎，因此选择了EPO柱法。EPO柱法使用强力切割机，在建造DCM桩之前，可以粉碎地面以下的大石块和其他硬物质。用EPO柱法施工的DCM桩在破坏截面处的直径为1.6 m，相邻桩间的直径为2.5 m，呈正方形变化。桩长与原设计13.0 m相同，为保证达到qu的设计值，采用水泥土稳定剂，软土中稳定剂用量为150 kg/m3，采用100%的稳定剂/水比。同时在现场进行了3组试验桩，28 d后在试验桩进行岩芯钻孔。图2为取样样品的qu值，几乎所有样品的qu值都大于600 kPa，路堤重建于2018年完成，未出现任何稳定性或变形问题。

图2 重新施工DCM无侧限抗压强度分布Fig.2 Distribution of unconfined compressive strength of reconstructed DCM

NGUYEN Binh T.T.等[3]针对DCM桩在荷载作用下的破坏问题，提出了一种大面积浅层水泥搅拌层的加固方式，用以提高DCM加固区的稳定性和承载能力（图3）。

图3 浅层加固的DCM布置形式Fig.3 DCM layout of shallow reinforcement

针对路堤下浅层水泥搅拌层DCM群桩的破坏模式，通过对单桩破坏机理的研究，揭示浅层搅拌对深层水泥搅拌桩破坏形态的影响。在平面应变条件下，用PLAXIS程序进行有限元分析，得到如下主要结论：

1）没有浅层的搅拌层，滑动破坏不是DCM变形破坏的主要机制。低强度DCM桩以弯曲破坏模式为主要的内部破坏机制，在高强度DCM桩中，倾斜破坏模式是桩变形破坏的主要机制。

2）当采用浅层搅拌层时，破坏模式为低强度桩的内部破坏，当增加浅层搅拌层厚度时，桩在连接处发生弯曲破坏。在外部破坏方面，当浅层土厚度增加时，无浅层搅拌层的倾斜破坏被滑动破坏模式所代替。

3）浅层搅拌层对存在水平位移和屈服的路堤压力有显著影响，特别是高强度桩。

KITAZUMED MASAKI论证说明了DCM桩破坏模式对准确评价DCM桩外部稳定的重要性[4]。指出目前日本DCM群桩地基设计方法假定了两种破坏模式：外部稳定性中的滑动破坏和内部稳定性中的断裂破坏，如图4所示。通过离心模型试验研究了改进后复合地基的内部稳定性，发现DCM桩的破坏形式有剪切破坏、弯曲破坏和拉伸破坏，这不仅取决于地基和荷载条件，还取决于DCM桩的作用位置。考虑外部稳定性时，DCM桩会发生倾斜破坏，类似多米诺骨牌式的坍塌破坏模式，如图5所示，而不是滑动破坏。同时采用离心模型试验和弹塑性有限元分析相结合的方法，研究DCM群桩改良地基在路堤荷载作用下的外部稳定性，主要结论如下：

1）面积置换率的增大会降低作用在桩身的弯矩，提高内部稳定性，但对外部稳定性的提高帮助不大。

2）桩直径的增大，能影响外部稳定性，适当搭接能增大外部稳定性。

3）对于正常固结土或上软下硬的填土路堤，不会出现滑动破坏，在底部存在软弱下卧层且DCM桩较短时才会发生滑动破坏。

图4 日本现有规范中假定的破坏模式（内部稳定性）Fig.4 Failure mode assumed in the existing Japanese code(internal stability)

图5 DCM改良地基的坍塌破坏模式Fig.5 Collapse failure mode of DCM improved foundation

2 长期强度及变形特征研究进展

HASHIMOTO Hiiiri等[5]研究了水泥搅拌桩30年的长期观测强度特征。分析指出随着时间的推移，深层水泥搅拌法处理后的桩的强度不断提高，同时对施工30年后的DCM桩进行了无侧限压缩试验、针入度试验和pH值试验，揭示了水泥搅拌桩的长期强度特性和表面劣化状况。

试验表明改良后的水泥搅拌桩的物理特性在时间上几乎没有变化，但是其中心强度在施工30年后仍有增加趋势。针穿透试验的结果表明，在水泥搅拌桩周围30 mm范围外，桩的强度从中心向四周呈增加趋势，穿透5 mm位置处的水泥搅拌桩的强度大大超过了设计基准强度。

Wu Pei-chen等[6]以香港国际机场第三跑道海相黏土地层采用的DCM复合地基加固为例，通过有限元蠕变模型，对软土地基沉降的影响及荷载传递机理进行研究。在荷载转移区（LTP区），典型柱直径为2.3 m，间距为4.8 m，面积置换率为23%，在LTP区域外，DCM置换率在30%~40%。DCM桩的长度通常为6~25 m。通过对比有无蠕变的不同模型，发现DCM桩的面积置换率与杨氏模量对复合地基的长期性能有较大影响，主要总结如下：

1）DCM桩具有良好的沉降控制效果，将荷载从软土转移到DCM桩上[7-8]。荷载转移过程中会导致软土分担的荷载减小，从而导致DCM桩的应力集中，对于没有蠕变的软土，会使黏土变成蠕变应变率较小的超固结土状态。

2）软土和桩所承受的应力及二者的沉降会随着面积置换率的增大而减小。

3）在面积置换率较高时（>30%），软土蠕变效应对荷载传递的影响可以大幅度降低。

4）作用在软土上的应力随着DCM桩杨氏模量的增大而减小，而桩所承担的应力会随着DCM桩杨氏模量的增大而增大。软土和DCM桩的竖向沉降也会随着桩的杨氏模量的增大而逐渐减小。

5）DCM桩的黏聚力和内摩擦角对复合地基性能的影响不大，主要原因是桩的受力仍处于弹性范围内。

6）土工合成材料加筋的张拉效应会随着加筋刚度的增大而增大。

3 结语

深层水泥搅拌桩作为一种地基处理方法，其施工后的强度和刚度变化会表现出独特的特征。破坏模式除了常规认识的剪切破坏外，还有单桩布置的类似于多米诺骨牌式的破坏模式。深层水泥搅拌桩的承载与长期蠕变特性也与置换率等因素有关，因此在桥梁和隧道工程中使用深层水泥搅拌桩时，要重点关注这些变化规律，以支撑深层水泥搅拌桩的设计与施工。