浙东台州湾海塘软土地基水泥搅拌桩强度变化规律分析研究

许 峰

（浙江省水利水电勘测设计院有限责任公司，浙江 杭州 310002）

0 引 言

浙江东部沿海地区多为典型的淤泥或淤泥质软土地基，具有高含水率、高压缩性、高灵敏度、低抗剪强度等特点，在设计、施工过程中稍有疏忽就会引起质量事故。随着新材料、新工艺的不断发展，一批用于软土地基处理的工艺应时而生，如真空预压法、堆载预压法、搅拌桩法、换填垫层法等。其中，水泥土搅拌桩法因施工速度快、设备轻便、投资较小等优势被大量运用于水利、交通和市政工程。本文结合已实施工程的实际检测数据，研究提出搅拌桩桩身强度的变化规律及影响因素，为今后类似工程运用提供参考。

1 水泥搅拌桩加固机理

水泥浆搅拌法是在第二次世界大战后由美国研制成功，称为Mixed-in-Place Pile（简称MIP法），当时桩径为0.3~0.4 m，桩长为10.0~12.0 m；1953年日本引进此法后进行改良，并接连开发出机械规格和施工效率各异的搅拌机械。搅拌桩利用水泥作为固化剂，通过搅拌机械就地边钻进搅拌、边向软土中喷射浆液或雾状粉体，将软土固化成为具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土[1]。目前，国内主要采用水泥作为固化剂材料，常用水泥掺入比为10%~20%，具体根据设计需求及原状土指标参数确定。一般来讲，原状土含水率越高、强度指标越低，水泥掺入比越大，反之则越低。浙江东部沿海软土地基加固时，常采取水泥搅拌桩方案，根据地基土的含水率设置水泥掺入比为15%~20%。

2 工程实例

2.1 概 况

台州某海塘提标改造工程位于台州湾西侧，自北向南，总长17.8 km，是浙江省海塘安澜千亿工程首批重点示范项目。工程实施后，可将防潮标准从50 a一遇提升至100 a一遇。

搅拌桩加固主要位于海塘内坡、护塘河两侧护岸及闸站区域，主要目的是提高地基土抗剪强度及承载力，满足地基稳定需要。拟加固区地基性质基本类似，主要由淤泥或淤泥质黏土组成：天然含水率52.4%~60.4%，天然密度1.66~1.71 g/cm3，孔隙比1.460~1.667，压缩模量1.51~1.99 MPa，饱和度99.0%~99.8%，塑性指数18.5~20.0，液性指数1.4~1.7，快剪强度粘聚力4~6 kPa，内摩擦角1.8º~3.5º，水平渗透系数5.16×10-8~7.29×10-8cm/s，垂直渗透系数2.28×10-8~4.73×10-8cm/s，属较为典型的东部沿海软土地基特性。搅拌桩设计桩径60 cm，长10.0~15.0 m，水泥平均掺入比20%，采用双向搅拌、喷浆施工法。

2.2 检测数据

为研究搅拌桩强度变化特性，在龄期28、60、90、120、150 d，分别在17.8 km海塘沿线范围的海塘内坡处理区、护塘河处理区及闸站处理区随机选取17根搅拌桩、159个取样点进行钻芯取样检测（水泥掺入比均为20%）。取样位置见图1[2]，搅拌桩强度检测成果见表1~5[3-4]，桩身强度与深度的关系见图2，桩身平均强度随龄期增长曲线见图3。

表2 60 d搅拌桩强度检测成果表

表3 90 d搅拌桩强度检测成果表

表5 150 d搅拌桩强度检测成果表

图1 搅拌桩取样位置示意图

图2 搅拌桩桩身强度与深度关系图

图3 桩身平均强度随龄期增长曲线图

3 成果分析

3.1 桩身强度的离散性及其原因分析

搅拌桩桩身钻芯取样见图4。

图4 搅拌桩桩身钻芯取样图

由图2中17根搅拌桩、159个点的取样分析统计结果可知，搅拌桩桩身强度普遍存在强度离散性问题，外观上反映为钻芯取样不连续。由此可推测：数据离散性越大，芯样外观连续性也越差，两者存在一定相关性。分析其可能的影响因素，可分别从地基土自身的物理性质和搅拌桩技术特点2方面进行论述。

1）地基土物理性质。根据加固区地基土的物理参数分析结果（见表6），地基土自上而下不同土层的含水率、密度、孔隙比、饱和度以及快剪强度等参数均存在一定差异，而搅拌桩强度自上而下均存在明显的离散性，可推测土层的上述物理参数差异与搅拌桩强度的离散性相关性较小。当黏土的塑性指数大于25时，施工中容易在搅拌头叶片上形成泥团，使得固化剂与土无法充分拌和[1]，泥团间的孔隙被水泥颗粒填满，从而导致水泥掺入不均匀。本工程地基土之间、淤泥和黏土之间的塑性指数略低于25，但物理特性与上述情况类似。

表6 地基土物理特性表（十一塘）

2）搅拌桩技术特点。由于搅拌机械的切削搅拌作用，实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小土团，因此，在桩身中会产生强度较大、水稳性较好的水泥土区和强度较低的土块区，两者在空间上相互交替，从而表现为钻芯取样不连续，强度离散大。

综上所述，不论是地基土的塑性指数影响还是搅拌桩自身工艺影响，其最终均体现为搅拌均匀度的影响。搅拌越充分、土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的总体强度也越高[5]。

3.2 强度随深度、龄期变化特性及影响因素分析

3.2.1 强度随深度变化特性

由图2可知，排除桩体强度离散性因素，在较短龄期条件下（28 d），搅拌桩桩身强度随深度的变化特性较为一致且整体呈下降趋势，随着深度逐渐增加，桩身强度逐渐减小。在6.0~9.0 m深度范围内，桩身强度降低速率相对较缓；超出6.0~9.0 m范围后，桩身强度则快速降低。经统计，桩底处平均强度为桩顶处的35%~40%。在较长龄期条件下（60~150 d），各搅拌桩桩身强度随深度的减小逐渐减弱，桩底处水泥土强度经大幅增长后，其强度与桩顶强度趋于一致，与短龄期条件下的强度变化特性存在较大差异。经统计，桩底处平均强度可达到桩顶处的90%以上。

3.2.2 强度随龄期变化特性

由图3可知，搅拌桩桩身水泥土强度均值随龄期的增长而增大，增长周期可至150 d或更长，与混凝土强度随龄期的增长规律区别较大。28~60 d，水泥土强度增长幅度最为明显；60~90 d，增长速度略有降低；90 d后，增长速度逐渐收敛，趋于平缓。此外，就桩身平均强度而言，60 d龄期约为28 d龄期的1.51倍，90 d龄期约为28 d龄期的1.67倍，150 d龄期约为90 d龄期的1.08倍，与GB/T 50783—2012《复合地基技术规范》给出的相关经验计算公式吻合度较高。

3.2.3 影响因素分析

影响水泥土强度变化的因素较多，包括原状土含水率、有机质含量、水泥掺入比、水体pH值等，其中最为主要的是水泥掺入比。由于水泥搅拌桩以叶片搅拌为主，喷浆为辅，其喷浆压力相比高压旋喷桩小得多。通常注浆口压力不超过0.6 MPa，这就使得在施工过程中，当桩身达到一定深度以后，在地基土自身应力作用下，有效注浆量减小，深度越深，注浆量减小越多，掺入比降低越明显。

根据水泥掺入比和水泥土强度的关系，水泥土强度随水泥掺入比的变化关系分为3个阶段：水泥土强度的非反应区、水泥土强度的反应区和水泥土强度的惰性区[6]。水泥土强度的非反应区即水泥掺入比不足的区段，一般为桩身较深处。其特征是水泥水化反应程度较小，对水泥土强度的影响较小，从而导致水泥土强度增长较慢，达到最终强度所需周期较长，即为较短龄期条件下，搅拌桩强度在一定深度后逐渐减小的原因。水泥土强度的反应区、水泥土强度的惰性区分别为水泥掺入比合适、过度的区段，一般在桩身中部、桩顶。其特征是在反应区，随着水泥掺入比增加，水泥水化反应增强，水泥土强度增长速度相比在非反应区明显增加；在惰性区，水泥掺入比过度，水泥土强度增长速度比反应区仍有增加，但不明显：上述即为搅拌桩中上部区段，水泥土短龄期条件下增长幅度大、强度较高，后期增长幅度放缓的原因。

4 结 语

通过研究和分析已实施工程的实际检测数据，对浙东台州湾海塘软土地基中搅拌桩的强度变化特性得到以下结论：

1）搅拌桩桩身强度的离散性客观存在且无法完全避免，为减小离散性，施工过程中应加强施工工艺控制和水泥搅拌均匀性控制。此外，为提高搅拌均匀度，还需针对搅拌机械，如搅拌头的结构型式等作进一步研究。

2）搅拌桩的桩身强度变化与水泥掺入比的影响较为密切。由于搅拌桩喷浆压力有限，对于搅拌桩设计桩长较深、施工完成后短期内即投入运行并有可能遭遇不利工况的情况，应当考虑随深度增加，搅拌桩强度降低所引起的不利影响。

3）在以往方案设计中，受混凝土结构特性影响，水泥土搅拌桩采用28 d龄期强度作为控制指标较为普遍，这常造成检测数据不符合设计指标要求等问题。在后续设计中，应尽可能采用水泥土60 d及以上龄期强度。对于如何采用短龄期指标推求其他长龄期指标，GB/T 50783—2012《复合地基技术规范》给出了相关经验计算公式，经对比，本工程实测数据与技术规范经验公式符合性较好，试验和检测成果合理可靠。