双向水泥搅拌桩在工程中的应用以及处理效果分析

岑建丰

广州市市政工程设计研究总院有限公司 广东 广州 510060

双向水泥搅拌桩作为复合地基软基处理方式中的一种，与水泥搅拌桩、高压旋喷桩、CFG桩等作用方式一样，均通过桩土共同作用，达到提高地基承载力、降低沉降的目的。

结合工程实例，本文就双向水泥搅拌桩处理方案的加固机理及处理效果进行分析与研究。

现有一工程实例：项目位于广东省珠海市香洲区，为市政道路配套工程，道路等级为次干路。场地原始地貌单元为滨海堆积地貌～剥蚀残丘地貌。现状地表为填筑土，填土层为褐黄、褐红、灰黄等色，稍湿-饱和，松散，由粘性土混碎石组成，碎石约10%，平均厚度约3.2m。道路下卧层分布较厚的淤泥层及淤泥质黏土层，淤泥为灰黑色，饱和，流塑，具腥臭味，含少量的贝壳碎屑，土质较均匀，平均厚度为17.5m,有机质含量为2.26%,淤泥十字剪切板强度为20KPa；淤泥质黏土为深灰色，饱和，流塑-软塑，具腥臭味，以粉粘粒为主，平均厚度为5m，有机质含量为2.28%。软土层底主要分布粘土层、砂质粘性土层、中砂及粗砂层。黏土层为褐黄、褐红色，饱和，可塑，成分以粘粒为主，含少量的石英质砂，平均厚度约4.8m；砂质粘性土为褐红、褐黄色，系花岗岩残积土，湿，硬塑状态，含石英碎石，粘性一般，平均厚度5.9m；中砂为褐黄色，饱和，稍密，砾石成分主要为石英质，级配差，含少量的粘性土，平均厚度3.2m；粗砂为褐黄色，饱和，稍密-中密，砾石成分主要为石英质，级配一般，含10-30%的粘性土，平均厚度3.4m。各地层的工程特性指标建议值如下表。

表1 各地层的工程特性指标建议值

项目所在区域软土深厚，周边与道路同步开发，软基处理方式上主要考虑复合地基处理方方式，结合本工程地质、地貌条件，同时从经济、处理效果以及工期等方面综合考虑，在软土地基处理方案上选择采用双向水泥搅拌桩复合地基进行处理[1]。

1 加固机理

水泥搅拌桩通过机械搅拌作用将粉体（或水泥浆液）与土体混合后形成支撑桩体，桩体和桩间土共同形成复合地基。双向搅拌桩在成桩过程中，由动力系统分别带动安装在同心钻杆上的内、外两组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌，增加水泥与土搅拌次数，使水泥与土混合均匀，提高搅拌桩成桩质量，加大搅拌桩处理深度。

根据《广东省公路软土地基设计与施工技术规定》（GDJTG/T E01--2011）4.4章节，单向水泥搅拌桩处理深度宜小于15m，双向水泥搅拌桩处理深度宜小于24m。

图1 现场施工照片

图2 双向水泥搅拌桩叶片正反转动示意图

2 方案设计

①水泥参量及无侧限抗压强度确定

根据以往项目经验，水泥搅拌桩水泥参量在宜控制在15%～25%，搅拌桩才能成桩，强度满足设计要求，本项目参照以往项目经验，水泥参入量取55kg/m，掺合量为17.5%，为保证桩体成桩效果，桩顶6m范围采用边参量设计，水泥参入量取60kg/m。

②单桩承载力计算

利用桩身材料强度计算单桩承载力。根据规范推荐公式，Ra=η×fcu×Ap，Ra为单桩承载力特征值，η为桩身强度折减系数，取0.25；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配合比相同室内加固土试块，边长为70.7mm的立方体在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值，取2MPa；Ap为搅拌桩截面积，水泥搅拌桩桩径采用50cm，Ap为0.196㎡。

Ra=η×fcu×Ap=0.25×2×0.196=98KN。

利用桩周土及桩端土抗力提供的单桩承载力计算。据规范推荐公式，Ra=μp×∑qsi×li+α×Ap×qp，Ra为单桩承载力特征值，μp为桩的周长，为1.57；qsi为桩周第i 层土的侧阻力特征值；li为桩长范围内第i层土的厚度；α为桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.6；Ap为搅拌桩截面积，水泥搅拌桩桩径采用50cm，Ap为0.196㎡；qp桩端地基土未经修正的承载力特征值。

取最不利位置进行计算，桩端进入持力层50cm，持力层为粘土层。Ra=μp×∑qsi×li+α×Ap×qp=1.57×（3.19×10+15.9×6+0.5×16）+0.6×160×0.196=231.26KN。

取2者中小值作为单桩承载力，故单桩承载力为98KN，考虑检测数据取整，单桩承载力取100KN。

③复合地基承载力计算及布桩间距确认

根据规范推荐公式，fspk=m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk，fspk为复合地基承载力特征值；m为桩土面积置换率；Ra为单桩承载力特征值，根据上面计算取100KN；Ap为搅拌桩截面积，水泥搅拌桩桩径采用50cm，Ap为0.196㎡；β为桩间土承载力折减系数，本次取0.5；fsk为桩间土承载力特征值，取淤泥承载力50KPa；

本项目要求复合地基承载力大于100KPa，水泥搅拌桩拟按1.3m正三角形布置，fspk=m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=0.134×100/0.196+0.5×(1-0.134)×50=101KPa,满足要求，承载力计算与设计要求较吻合，桩间距按1.3m正三角形布置较经济合理。

④方案确定

根据上述计算，双向水泥搅拌桩的直径d=50cm,按正三角形布置，桩间距车行道1.3m，考虑节省投资，人行道间距取1.5m。桩顶设置碎石垫层60cm及2层GSZ8080型双向土工格栅,垫层宽出路基两侧坡脚各0.5m，碎石采用级配碎石，最大粒径不大于20mm，含泥量不大于5%。桩体所用水泥为42.5级及以上的普通硅酸盐水泥,水灰比宜为0.5～0.6,水泥掺合量为17.5%,其中桩顶6m范围内设计水泥量不低于为60kg/m,其余部分设计水泥量不低于为55kg/m。

终孔原则,满足以下其中一点要求即可终孔:(1)水泥土搅拌桩达到设计桩长并穿透软土层并打入持力层50cm。(2)水泥土搅拌桩实体桩长已达24m。

施工工艺为四喷四搅,搅拌桩身强度28天龄期不得低于0.6MPa，90天无侧限抗压强度不低于1.0MPa。28天单桩承载力不少于60kN，90天单桩承载力不小于100kN。复合地基承载力不低于100KPa。

图3 双向水泥搅拌桩处理设计图

本项目所处区域下卧软土层较厚，双向水泥搅拌桩设计桩长最大达24m。

3 处理效果分析

3.1 室内配合比强度

为验证水泥搅拌在该地区是否适用以及桩身设计水泥参量能否满足设计强度要求，施工前于现场取淤泥中部原状土进行室内配合比实验，得到室内标准试块7天、14天、28天室内配合比强度，根据检测报告，7d强度达到0.83MPa，14d强度达到0.95MPa，28d强度达到1.25MPa。室内配比强度满足设计要求，证明搅拌桩适用于该区域。

3.2 现场试桩情况

为验证双向水泥搅拌桩在该区域成桩情况及得到相关工艺参数，现场大面积施工前先进行试桩。根据室内配比报告，桩身设计水泥参量能满足设计要求，现场采用设计水泥参量进行试桩，同时根据试桩情况得到双向搅拌桩下沉及提升速度、喷浆压力、水灰比等参数，水泥搅拌桩下沉及提升均按80cm/min进行控制，喷浆压力为40MPa，水灰比采用0.5。试桩桩体达到28d龄期后进行单桩承载力、无侧限抗压强度及单桩复合地基承载力检测。根据检测报告，28d现场抽芯无侧限抗压强度可达0.72～5.74MPa，芯样大部分完整，局部破碎，手感硬，水泥分布基本均匀。单桩承载力可达到65KN，复合地基承载力达到100KPa。试桩结果表明，双向水泥搅拌桩适用于该地区，桩身水泥参量能满足设计要求。

3.3 工程桩成桩情况

3.3.1 桩头成桩情况

本项目双向水泥搅拌桩按设计方案实施完成后，待龄期满足28天后，将所有桩头挖出，观察成桩直径及质量。现场桩头直径大于50cm，桩头较完整，强度较高。

3.3.2 检测结果分析

①现场抽芯无侧限抗压强度

桩体龄期达到28d后，现场按0.5%检测比例进行无侧限抗压强度检测，采用双管单动取样器进行抽芯，根据检测报告，该工程范围双向水泥搅拌桩强度达到0.91～6.69MPa，芯样大部分完整，局部破碎，手感硬，部分软，水泥分布基本均匀。满足设计要求。

②单桩承载力

桩体龄期达到28d后，现场按0.5%检测比例进行单桩承载力静载试验，单桩检测荷载取设计值2倍进行，根据检测报告，该工程范围双向水泥搅拌桩单桩承载力均大于60KN，满足设计要求。

③单桩复合地基承载力

桩体龄期达到28d后，现场按0.5%检测比例进行单桩复合地基承载力静载试验，复合地基检测荷载取设计值2倍进行，根据检测报告，该工程范围双向水泥搅拌桩复合地基承载力均大于100KPa，满足设计要求。

3.4 处理效果分析

本项目双向水泥搅拌桩打设长度达24m，根据室内配合比强度、现场试桩及工程桩检测结果，双向水泥搅拌桩在该区域成桩质量较好，各项指标均能满足设计要求，处理效果达到预期。

4 工艺优势

双向水泥搅拌桩具有搅拌桩所有的特性，施工工艺与常规搅拌桩一致，都是通过水泥与原状土搅拌混合，达到改善原状土物理性能的目的，进而达到工程使用要求。

双向水泥搅拌桩由于采用内、外两组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌，使得水泥与土充分搅拌混合，提高搅拌桩成桩质量，加大搅拌桩处理深度[2]。本项目软土较深，若采用常规水泥搅拌桩则无法打穿淤泥层，搅拌桩处于悬浮状态，后续工后沉降偏大。采用CFG等刚性桩，虽然也能打穿淤泥层，但由于现状地表标高较高，桩顶土层较薄，道路运营期易路面出现“蘑菇状”，且造价较高。双向水泥搅拌桩为柔性桩，在本项目中能穿透软土层，采用双向水泥搅拌桩能较好解决工后沉降及路面“蘑菇状”问题，且软基处理费用较刚性桩低，具有明显的优势。

5 结束语

以工程实例作为研究对象，从双向水泥搅拌桩加固机理、方案设计以及处理效果及工艺优势等方面进行研究，研究结果表明：双向水泥搅拌桩处理深厚软土效果较好，处理深度较常规水泥搅拌桩大，成桩质量较常规水泥搅拌桩更好，更均匀。

双向水泥搅拌桩作为复合地基一种，在深厚软土地基处理中具有明显的优势，通过桩土共同作用，能够明显提高地基承载力、降低工后沉降，做为柔性桩，与桩间土沉降能协调，整体沉降均匀。