公路软土路基水泥搅拌桩承载力影响及优化研究

柴高理

（甘肃路桥第三公路工程有限责任公司，甘肃兰州 730030）

0 引言

在公路工程项目施工中，软土路基处理是难点问题。水泥搅拌桩是一种重要的软土路基处理方式，该方式具有处理效果好、综合成本低等特点，能够有效提升路基施工质量。应用该技术处理软土路基时，需要准确计算桩体承载力，确定最适宜的置换率，优化桩体刚度、长度等参数，并优化上部结构设计方式，如此才能在满足施工质量控制要求的前提下，有效提升施工效果，控制整体施工成本。

1 水泥搅拌桩法概述

水泥搅拌桩是当前公路工程中处理软土路基的重要技术形式之一。在施工过程中，以水泥或石灰材料作为固化剂，利用搅拌机械在地基深处进行强制搅拌，通过物理和化学变化将软土硬结为高强度、高水稳定性的整体结构，能够有效提高地基强度及变形模量，有效提升软土路基的运行性能，为后期施工提供有力保障[1]。依照现行的《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02—2013）要求，水泥搅拌桩质量检测内容如表1 所示。

表1 水泥搅拌桩质量检测要求

2 水泥搅拌桩承载力影响因素试验分析

2.1 工程概况

2.1.1 工程地质概况

某公路工程项目总长度为712m，设计为填土路基。一般路段最小填土高度为1.6m，路堤最大填土高度为8.7m，路基边坡为1∶1.5，路基顶面宽度为25.5m。路段地貌为冲积平原，地表地形较为平坦，含水量较大。经人工回填平整后，路基基本能够满足施工现场技术应用要求，但由于路段整体为软土路基，其承载能力与施工设计要求偏差较大，运行稳定性不足，因此需要采用水泥搅拌桩技术进行加固处理，提升地基综合运行性能。

2.1.2 试验方案设计

为切实保证水泥搅拌桩施工技术的应用成效，使路基经过处理能够满足道路施工需求，需采用试验方式对施工效果进行预评估，并对具体施工参数进行优化。试验方案设计如下：试验桩径为0.5m，桩间距为1.5m，整体布置为正三角形；地基承载力设计为120kPa，最大试验载荷为500kN；检测方式为取芯法和慢速维持荷载法，结合现场参数采集，通过载荷试验与室内试验结果对比的方式，评估水泥搅拌桩技术应用效果，分析水泥搅拌桩承载力的具体影响因素，为后期应用施工技术提供参考。

2.2 试验结果及分析

2.2.1 室内试验结果及分析

室内试验是在现场采集主要土体类型，将每种土体制作成不同当量配合比的试块，并在不同养护周期下进行组合试验，采用无侧限抗压试验设备进行检测，分析不同因素对水泥搅拌桩承载力的具体影响[2]。该研究中确定的试验土体主要有细砂、粉土、粉细砂等种土体；试块当量配合比分别设定为55kg、60kg 和65kg；养护周期设定为7d 和28d。试验分析结果显示：在其他条件一致的情况下，试块力峰值为65kg＞60kg＞55kg；在其他条件一致的情况下，试块力峰值为粉细砂＞粉土＞细砂；在其他条件一致情形下，养护周期设定为28d＞7d。

2.2.2 载荷试验结果及分析

依照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)，采用单桩竖向静载荷方法进行现场试验，该方式能够较为准确地评估地基土的支承能力，有助于准确分析桩身材料强度对承载力的影响[3]。现场载荷试验平面示意图如图1 所示。

图1 某公路软土路基工程水泥搅拌桩现场载荷试验平面示意图

该研究中，现场试验选择1-1、1-2、1-3 三根单桩进行试验，利用有限元分析法计算单桩承载力，并与室内试验结果对比，对水泥搅拌桩承载力影响因素进行分析。

2.3 模型验证

有限元模型是分析力学关系的主要方式，依照有限元分析方法应用要求和该项研究的实际情况，模型验证流程如下：第一，模型简化。有限元模型构建需要排除非必要影响因素，优化计算过程，以减少不必要的计算量。第二，网格划分。将模型划分为八节点六面体单元，该试验共划分25404 个单元和37790 个节点。第三，底部选择为全部自由度约束，侧面选择为法向自由度约束。第四，导入素填土、黏土及桩等材料的密度、层厚、杨氏模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等参数，采用单桩加压方式进行处理。借助系统计算出桩顶端节点竖向应力平均值，结合桩横截面面积，绘制荷载沉降曲线。

2.4 结果分析

基于模型绘制的承载力曲线、不同当量配合比承载力曲线、不同养护龄期承载力曲线分析，对比室内试验结果，可以看出模型模拟结果较为吻合。可以证明，在公路软土路基施工中，在特定范围内，当量配合比对水泥搅拌桩的承载力有直接影响，当量配合比越大，水泥搅拌桩的承载力就越高，尤其是在后期，差异更显著[4]。养护周期对水泥搅拌桩的承载力也有明显影响，养护周期越长，桩体的承载力也越高，尤其是在15～28d 养护期间，强度增加更为显著。

综合分析试验过程可以看出，水泥搅拌桩的承载力主要受以下因素影响：第一，施工材料。在其他相同条件相同，土体材料不同的条件下，力峰值有明显差异。第二，当量配合比。在其他条件相同，当量配合比不同的情况下，单桩承载力也有明显不同。第三，养护龄期。在限定时段内，水泥搅拌桩的承载力与养护龄期呈正比，且整体强度呈加速增长状态。但是水泥搅拌桩现场施工条件较为复杂，施工人员技术水平也有明显不同，因此在施工管理中，应注意技术应用要点，对施工组织方式进行优化，确保水泥搅拌桩的承载力能够达到规范要求，有效解决软土路基问题。

3 水泥搅拌桩在软土路基施工中的应用要点

3.1 前期准备

软土路基施工技术应用场景较为复杂，技术应用要求高，在施工前期必须做好相应的准备工作，尤其是要做好场地平整工作，为施工组织和施工安全提供有力保障。前期准备需做好如下工作：第一，做好杂草及杂物清理，在低洼地区换填黏性土或砂垫层，确保桩基础承载力达到相应要求[5]。第二，做好地表水排放处理，确保路面达到良好硬化，将洞口位置偏差控制在2m 以内，准确做好现场测量并记录测量结果，确保混凝土高度能够达到施工要求。第三，人员准备。技术人员应具备丰富的施工经验，能够准确把握施工技术要点，配合现场管理人员做好技术指导工作，做好施工材料配合比及当量配合比优化工作。第四，机械设备方面的准备。施工开始前，要全面细致地做好对各个机械设备的运维检修，机械设备经监督单位审查合格才能进入施工现场。第五，材料方面的准备。确保材料质量达到检测要求，厂家和第三方检测单位出具材料合格报告后，才能进行施工组织。

3.2 准确定位

在水泥搅拌桩施工作业前，需要准确做好测量定位，这是保证施工质量的重要环节。在现场管理中，应确保起重机等机械设备定点停放，避免随意停放影响实际测量结果。在现场条件较为复杂的施工区域，应提前进行处理，确保搅拌桩机位置合理，提升桩位位移安全水平[6]。在作业过程中，还应采用锤击法调整钻杆和地面的垂直角度，将垂直偏差控制在1%以内。钻杆钻进后，要做好钻孔深度测量和记录，为后续施工作业奠定良好的基础。在施工过程中，如出现施工临时中断，应将中断时间控制在40min 之内。如超出时间要求，则必须对设备和管道进行全面清洗，避免出现水泥固结现象。在确保钻进停浆面比操作面标高多出0.5m 时，才能够进行后续开挖作业。

3.3 搅拌处理

水泥搅拌桩施工质量、水泥搅拌桩承载力直接受搅拌处理效果的影响。为保证搅拌处理效果，在该环节作业中应注意如下要点：第一，在水泥搅拌桩冷却装置正常运行的状态下，需要将启闭机打开，松开起重机内的钢丝绳，确保水泥搅拌桩能够沿设计方向下沉。第二，合理控制下沉速度，并根据监测速度做好调整，避免出现速度偏高或偏低等问题，对施工质量产生影响。第三，采用均匀提升和下沉相结合的方式，提升水泥搅拌桩施工的均匀性，实现水泥浆与软土地基的有效结合，提升路基强度。第四，在钻进过程中，需要严格控制喷浆量，在搅拌时长超出2min时，需要关掉搅拌器和换挡齿轮[7]。第五，根据钻进速度，做好钻孔与钻杆的接触处理，确保浆液喷射均匀，避免喷嘴堵塞。

3.4 优化质量控制措施

在软土路基施工过程中，需确保水泥搅拌桩承载力达到设计要求，确保整体施工质量得到有效控制，还应依照规范和现场情况，优化质量控制措施，深入、细致地做好各个方面的施工管理工作。例如，在水泥搅拌桩养护阶段，应采用双管取样法进行采样，以准确评估水泥搅拌桩的承载力，避免钻模变形过大对桩体质量产生影响。开展复合软土路基承载力试验时，应根据现场施工条件适当增加试验次数，如果承载力不足，路基强度和硬度无法达到施工要求，应当准确分析问题产生原因，并结合其他软土路基处理技术，再次对软土路基进行处理，以有效保证公路工程项目建设质量。

3.5 特殊情况处理

软土路基水泥搅拌桩施工过程中常会遇到特殊情况，会对桩体承载力及路基承载力产生影响，甚至导致施工流程中断。因此，要确保水泥搅拌桩施工顺利开展，应从实际情况出发，完善应急处理措施，避免对施工组织产生影响。特殊情况主要包括如下几种类型：第一，钻进过程中出现卡管情况。为避免卡管现象，应合理控制钻机速度，采用涂层疏散方式进行处理。如果在钻杆提升过程中出现卡钻现象，则应暂停喷浆，待钻机正常运行再进行钻进作业。第二，钻进过程受阻。通常是由于路基中存在石块、树根等异物，需要在故障排除后继续钻进，或者经设计和监理同意后移位施工。第三，钻进过程中喷浆中断。主要原因有管道堵塞、水泥结块、制浆池滤网破损及清浆不彻底等，需要根据实际情况做好对应处理再继续下钻[8]。第四，喷浆量不足。通常是压力不足导致的，该现象会严重影响水泥搅拌桩的承载力，因此在钻进过程中应将喷浆压力控制在0.4MPa 以上，选择合适的制浆池位置，并做好管道维护和检查工作，确保喷浆量达到施工要求。

4 结语

水泥搅拌桩承载力是公路软土路基施工质量的重要影响因素，在施工管理工作中，必须采用室内试验与现场试验相结合的方式，准确分析影响承载量的主要因素，进而优化施工组织流程，确保承载力达到设计要求，有效提升软土路基处理效果，为后续施工奠定良好的基础。