基坑工程中水泥土桩强度检测方法的研究

罗磊

上海众合检测应用技术研究所有限公司 上海 201900

1 概述

水泥土桩是一种有效的处理软黏土的地基处理的方法，水泥土桩既可以作为重力式的围护墙抵抗土体的变形，还可以作为临时的止水帷幕，更可以作为地基的加固形式，因此在上海地区，水泥土桩的应用非常广泛，随着技术的进步，水泥土桩的形式也越来越多，目前广泛应用的形式主要有，水泥土搅拌桩、水泥土搅拌墙，高压喷射水泥土桩，其中水泥土搅拌桩的典型代表主要有：单轴搅拌桩、双轴搅拌桩、三轴搅拌桩、五轴搅拌桩等；水泥土搅拌墙的主要代表包括区渠式切割水泥土搅拌墙（TRD）、铣削式水泥土搅拌墙（CSM）等；高压喷射水泥土桩的典型代表主要有：高压旋喷桩、MJS、RJP等。这些水泥土桩的形式在上海的基坑工程中已都广泛的存在。

2 水泥土桩桩身质量检测的方法

水泥土桩属于隐蔽工程，施工工序比较多，主要工序的施工都在地下，如何做好施工质量的管控一直是工程中的重点[1-2]，目前水泥土桩的质量检测目前针对水泥土桩质量检测方法很多，主要包括原位检测试验和室内试验检测两种。

其中原位试验方法主要包括静力触探、标贯试验、以及地基承载力试验等；室内试验主要包括现场取浆后的浆液试块试验，钻孔取芯后的抗压强度试验、抗渗试验、剪切强度试验等，目前在上海的基坑工程中，参考上海市建设工程建设规范《基坑工程技术标准》中要求采用钻孔取芯和浆液试块强度试验和钻取桩芯强度试验进行质量检测[3]。

水泥土桩的强度一直是工程上矛盾比较集中的问题，当水泥土桩作为止水帷幕的时候，采用强度指标去评价其止水效果，是不合适的，另外在基坑围护设计图纸的要求中，往往对强度指标的值提的会比较高，在上海地区常规的水泥土桩一般设计要求的强度指标均在0.8MPa以上，从实际的强度检验结果上看，现场的施工难以达到，但是在较多的工程实践中基坑工程也可以顺利的实施，所以水泥土桩仅采用抗压强度试验检测的方法是比较片面的。

本文结合在上海的某项目，针对水泥土桩的质量检测从三个方向进行研究。1.钻孔取芯抗压强度试验的比较；2. 抗剪试验在水泥土桩的应用；3. 静力触探法在水泥土桩的应用。

3 结合某上海项目研究水泥土桩桩身质量的检测方法

3.1 工程概况

本项目位于上海市区，本项目总建筑面积约139540m2，地上面积约80420m2，地下面积约59120m2。

根据勘察单位的的勘察报告，本场地的土层分布及部分物理力学性质指标见下表1。

表1 场地土层分布及基本物理力学指标

本场区地基土属软弱场地土，本次勘察揭露深度范围内主要由一套中压缩性和高压缩性土组成。本次实验在场地内施工两根60m长的单轴水泥土桩，直径700mm，水泥掺量为20%。

3.2 试验内容

分别从室内试验以及现场试验两个方面探索研究不同水泥土桩质量检测的方法的差异性，室内试验主要包括两种不同抗压强度试验的对比，以及抗剪强度试验数据的分析，现场试验主要从成桩前后不同时间段的静力触探曲线分析桩身质量的情况。

3.3 两种不同抗压强度试验的对比

在中华人民共和国行业标准《建筑地基检测技术规范》中[4]针对水泥土钻芯法强度试验为单轴抗压试验，试验仪器采用的是高精度小型压力机，抗压强度的计算式为：

式中: fcu—芯样试件抗压强度（MPa）

P—芯样试件抗压试验测得的破坏荷载(N);

d—芯样试件的平均直径（mm）。

在上海市建设工程建设规范《基坑工程技术标准》[3]中要求水泥土钻芯法强度试验为无侧限抗压强度试验，而对于无侧限抗压强度试验，可参考中华人民共和国国家标准《土工试验方法标准》，采用的仪器是应变控制式无侧限压缩仪，抗压强度的确定方法为： 以轴向应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，绘制应力—应变曲线。以最大轴向应力作为无侧限抗压强度。若最大轴向应力不明显，取轴向应变15%处的应力作为该试件的无侧限抗压强度[5]。

选取的芯样统一制成直径90mm，高径比1:1的芯样

图1 制作90mm芯样照片

图2 单轴抗压试验以及无侧限抗压试验

通过两种不同的试验方法，针对同一深度的芯样强度计算如下：

图3 两根水泥土桩不同试验方法数据对比

通过试验数据对比可以发现：两种试验方法采用的仪器并不相同，规范的要求也不一样，通过本次试验数据，发现其结果并未有较大差异，但在实际检测过程中是否可以通用，需要大量试验数据的对比。

通过两根水泥土桩的强度可以发现，在不同的土层，得到的抗压强度的值离散性较大，因此仅仅通过抗压强度的最小值来代表整根桩的质量指标并不严谨。

3.4 水泥土桩中抗剪试验的探索

土的抗剪强度是土在外力作用下，其一部分土体对于另一部分土体滑动时所具有的抵抗剪切的极限强度。该试验是将同一种土的几个试样分别在不同的垂直压力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破坏时的剪应力，然后根据库仑定律，确定土的抗剪强度指标：内摩擦角和凝聚力。

在上海的基坑工程中，尤其是水泥土重力式的围护结构中，从设计的角度来说，应该对围护结构中的素水泥土段的搓动剪切承载力和薄弱面局部的剪切承载力进行验算，从检测检验的角度来说，水泥土的抗剪强度指标也应该是很重要的指标，因此在本次试验中加入了水泥土桩抗剪强度试验的方法，试验方法采用的是快剪试验。

图4 制作70mm芯样试块

图5 快剪试验

分别选取9m、15m、22m、27m、38m深度的芯样做快剪试验，对比S1、S2两根桩的数据选取典型的曲线分析。

图6 S1、S2孔9m位置快剪试验

图7 S1、S2孔15m位置快剪试验

图8 S1、S2孔22m位置快剪试验

图9 S1、S2孔27m位置快剪试验

图10 S1、S2孔38m位置快剪试验

通过统计计算得到不同深度芯样的内摩擦角和凝聚力如图11所示。

图11 S1、S2孔不同位置试验数据分析

从实验数据分析，S1以及S2孔的水泥土的内聚力和内摩擦角在不同深度的值略有不同，相比勘察报告中的原状土的值均有提高，在不同深度出的抗剪强度略有不同；对于抗剪强度标准值τck与28d无侧限抗压强度标准值quk的换算关系，目前并未有准确的定性，在上海市建设工程建设规范《基坑工程技术标准》[3], 提到了冶金部建筑研究总院的研究成果，一般认为在垂直压应力为σ0=0和quk=1MPa～5MPa时，水泥土的抗剪强度τck=（0.3～0.45）quk，通过本次实验的数据发现，抗压强度与抗剪强度的对应关系不是非常明显，用抗压强度来代替抗剪强度评价水泥土桩尤其是承受剪切破坏力的形式的水泥土桩的桩身质量是值得商榷的。

3.5 静力触探法在水泥土桩的应用

静力触探法是一种测定图的力学特性的原位测试方法，目前较广泛的应用于勘察工作中，一般采用经理方式均匀的将标准规格的探头压入土中，通过两侧探头贯入阻力以测定土的力学参数。在水泥土桩中静力触探的方法也有应用，很多学者也做了一些研究，在他们的研究中利用比贯入阻力或锥尖阻力与侧壁摩阻力估算桩身强度[6]，但是准确的换算关系，并未有规范做出规定，本次试验的应用，主要利用比贯入阻力的曲线，来分析水泥土桩的均质性。

本次试验采用的方式为：在水泥土桩施工前，在两根试验水泥土桩的中心及桩周做原状土的静力触探试验，在成桩完成后4天、8天、14天、28天分别做静力触探试验，分析曲线的变化，其中由于水泥土桩强度的逐渐提高，在14天、28天时静力触探法无法钻进，故试验数据仅有4天、8天的数据。试验数据如下：

图12 S1孔成桩前桩中心与桩周土实测曲线

图13 S1孔成桩4d、8d后桩中心实测曲线

图14 S2孔成桩前桩中心与桩周土实测曲线

图15 S2孔成桩4d、8d后桩中心实测曲线

从上述实测曲线可以发现，成桩前无论是桩中心还是桩周土，比贯入阻力的值相对较小，自上而下逐渐增大，在成桩4天后，S1、S2孔的比贯入阻力逐渐提高，其中④层以下的土层提高速度最快，整根桩自上而下的均匀性一般，在成桩8天后，S1、S2孔整根桩的比贯入阻力均有明显提高，从整根桩身来看，水泥土桩的均质性较好。比较可惜的是由于水泥土强度的提高，成桩14d、28d的数据缺失。综上所述，静力触探宜在成桩7d以后实施，针对所获取的曲线，可通过整根桩的比贯入阻力判断水泥土桩的均质性和完整性，至于强度，无明确的比贯入阻力值的换算关系。

4 结束语

结合具体的工程实例，对上海地区水泥土桩的质量检测方法做了研究和探索。结论如下：

1.基坑工程中要求芯样的无侧限抗压强度试验与通常意义下的单轴抗压试验数据差异较小，具体在试验工程中可参考相应规范实施，从实测数据来看，水泥土桩的抗压强度存在较明显的离散性；

2.针对水泥土桩围护结构，尤其是水泥土桩的重力式挡墙，应把抗剪强度指标作为质量控制的重点，同时在本文中没有提及水泥土桩的止水形式，在水泥土桩用于止水时，其抗渗性能也是需要重点关注的对象，该项也是作者后续研究的主要方向；

3.从水泥土桩的桩身强度以及桩身的静力触探曲线可以发现，通过水泥土桩的形式，大大改善了原状土的力学性能，但是单一的从强度的角度去评价桩身质量是比较片面的，因此在实际的工程中应结合室内试验和原位试验从力学角度和均质性角度综合评价水泥土桩的质量更为合适。