水泥搅拌桩现场渗透系数试验方法探讨

丁 华，金 瑜

1.浙江正浩工程研究有限公司，浙江绍兴312000

2.浙江土力工程勘测设计院有限公司，浙江绍兴312000

0 引 言

在工程地质领域中，定义土体能让水等流体通过的性质为土的渗透性。对于淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土，以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基，利用水泥作为固化剂，通过机械在地基深处将软土和固化剂水泥进行强制搅拌，由于水泥和软土之间产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的半柔半刚性水泥土地基，称之为水泥搅拌桩法［1］。原状土体经过水泥搅拌桩加固后所形成的水泥土具有较好的止水防渗能力，在基坑支护、水库大坝、垃圾填埋场等工程中得到广泛应用。

土体中的自由水在水头差作用下通过土体孔隙通道流动的特性，称之为土的渗流，而综合反映土体渗透能力的定量指标称之为渗透系数（K）。渗透系数是渗流计算时必须用到的一个基本参数，也是评价水泥土作为防渗止水帷幕可靠性的一个重要指标。但影响渗透系数大小的因素很多，包括土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的黏滞性等，渗透系数的精确理论计算公式目前还无法可靠建立，通常是采用试验方法并结合经验公式来进行估算。

水泥搅拌桩加固后的水泥土渗透系数测试通常采用钻芯法获取完整的水泥土芯样，并根据相关要求进行透水系数测试［2］。但从水泥土加固机理来看，在搅拌机械削切原状土与水泥土混合搅拌过程中，不可避免地会出现无法被完全削碎的土团，则出现水泥浆液包裹土团现象。在土团之间因为水泥浆充填后发生的物理化学反应较充分，地基改良性能较好，而土团内部的物理化学反应不充分，影响其地基改良性能，使得水泥搅拌桩加固后的水泥土性能存在一定的不均匀性和差异性［3］（图1）。因而，采用完整的水泥土芯样抗渗试验结果来代表整体水泥土的抗渗性能，相对来说不安全。实际工程中，宜利用水泥搅拌桩的取芯检测孔进行现场注水试验来确定水泥搅拌桩加固后的水泥土渗透系数，以便可靠评价整体水泥土地基的抗渗性能。

图1 水泥搅拌桩钻芯法检测芯样照片

1 水泥搅拌桩现场注水试验渗透系数计算公式选取

水泥搅拌桩渗透系数现场试验通常利用取芯钻孔，对不同深度段进行现场注水，根据观测到的水流量变化，并通过相应的计算公式得到检测段内的水泥土渗透系数。但目前，多数的检测单位是将文献［4］的钻孔注水试验的渗透系数计算公式直接应用到水泥搅拌桩渗透系数计算中，因此存在一定偏差。

渗透系数计算公式是依据法国学者达西（H.Darcy）根据砂土的实验结果得到的达西定律［5］推导而出的。即达西定律表明水在土中的渗透速度（v）与水头梯度（i）成正比，其公式如下：

v = Ki （1）

式中：K为渗透系数。

如图2 所示，在半径为r的钻孔中注入一定量水，使得孔内水位与原土体静止水位间形成水头差H。上部采用钻孔套管密封形成不透水层，则在孔内水头压力的作用下，钻孔内水沿孔壁测试段（L段）向拟测试渗透系数的土层中渗流。并假定孔内水头压力作用下形成的水渗流半径最大为R，即图2中P点处与孔内水头差为0。则有：

图2 现场钻孔注水试验示意

即为文献［4］中的钻孔注水试验的形状系数，这个系数取值受制于R 取值的经验性，因而对于不同的试验条件，给出了不同A值计算方法。通常水泥搅拌桩注水试验长度与注水孔径间满足L/r ＞8，且试验段上部采用套管封闭，形成隔水层，则给出了在经历时间t1到t2，水头从H1降为H2，钻孔变水头注水试验渗透系数计算公式为：

根据图3所示的水泥搅拌桩现场钻孔注水试验，桩身取芯孔内注水后，在孔内外水头差的作用下，孔内水沿取芯孔壁向水泥土桩中渗流后，再流向孔外土体。如果直接套用文献［4］的计算公式所计算得到的渗透系数值，是水泥土桩身和桩外土层渗透性能的一个综合反映。但实际上，我们需要检测的只是水在水泥土桩中渗流的渗透系数值，这个值才是对水泥土止水防渗能力评价的可靠指标。

图3 水泥搅拌桩钻孔注水试验示意

由图3 可知，对于水泥土桩的AB 测试段，A点和B点的孔内与桩身外侧水头差都是一样的（H），那么可将被测试段假定为一个土样，参照土试样渗透试验进行渗透系数计算［6］。土试样的变水头渗透系数测试装置见图4，假定水头测管截面积为a，土试样的截面积为A，厚度为L，经历了时间t（t2-t1）后水头从H1降为H2［6］，给出的其渗透系数计算值为：

图4 土试样渗透系数变水头试验装置

这里需要说明的是，对于水泥搅拌桩的现场注水试验，土试样的等效截面可看成是两个半圆柱体（图4），假定取芯钻孔半径为r，水泥搅拌桩的加固水泥土的等效半径为R，则：

2 现场测试要求及评判标准

2.1 试验长度

水泥搅拌桩渗透系数宜利用取芯检测钻孔自上而下进行分段测试。测试段的顶部至孔口采用套管进行封闭，套管底部至测试孔底的距离即为试验长度（L）。每段试验长度通常为5 m，考虑到该渗透系数测试值应能整体反映水泥搅拌桩的渗透性能，因此，要求每段的试验长度不小于3 m。

钻孔钻进至预测试段的底部，宜多进尺100 mm以沉淀浮土。套管安装之前，应进行孔深测试确定试验长度，当孔底沉淀物厚度大于100 mm以上时，应加以清理，确保试验长度的准确性。

2.2 水头高度

文献［6］要求水头高度不应大于2.0 m，对于水泥搅拌桩适用地区通常为地面水位相对高度在-2 m 类的髙水位软土地区，通常保持初始水位在孔口位置即可。另外，考虑水泥搅拌桩加固后所形成的水泥土具有较好的止水防渗能力，水泥土试样渗透系数通常可达到10-7cm/s［7］，对于部分水位过高的区域，可通过孔口上部连接套管，确保初始水头高度不小于1.5 m。

其中，原土层的静止水位宜通过现场测试确定。水位高度的测试应采用钢尺水位计进行准确测量，钢尺水位计的最小读数应为1 mm。

2.3 测试时间

室内试验时，要求在一定水头作用下静置一段时间，待出水管口有水溢出时，再开始进行试验测定。现场钻孔注水试验过程中，是无法直接观测水溢出现象的，在注入水头作用后，应每隔5 min测读一次孔内水位，当水位有明显下降（一般以不少于5 cm为标准）时，记录初始水头和试验开始时间。以后每10 min量测一次孔内水位，量测时间不应小于1 h，或试验水头下降到初始试验水头的0.3～0.5倍，终止试验，并记录下最终水头和试验结束时间。

2.4 评判标准

对于水库大坝、垃圾填埋场等工程的水泥搅拌桩应用，水泥搅拌桩的现场渗透系数试验和评判指标，设计单位一般都会予以明确。但对于基坑支护工程的应用，文献［8］并没有要求将渗透系数作为水泥搅拌桩的质量检验项目，设计单位往往也就没有对水泥搅拌桩止水帷幕开展现场渗透系数试验的要求，更谈不上具体的评判标准。

对于渗透系数值的评判标准可参考文献［4］的岩土渗透性分级标准进行评判（表1），虽然搅拌均匀水泥土试样渗透系数可小于10-7cm/s，对应于“极微透水”级。但考虑到水泥搅拌桩加固后的水泥土性能存在一定的不均匀性和差异性，根据多个工程的实测结果表明，现场钻孔注水试验测试到的渗透系数值基本在10-6cm/s，即对应于“微透水”级。而从实际工程应用来看，这个级别基本上能够满足作为临时支护工程中止水帷幕的要求。因而，对于基坑临时支护工程，起到止水帷幕作用的水泥搅拌桩，当其现场钻孔注水试验测得的渗透系数值小于10-5cm/s，可判定其防渗透性能满足工程要求。

表1 岩土渗透性分级

3 工程实例

某工程占地面积约9 000 m2，地上为12 幢高层和部分辅助用房，地下为1～2 层整体地下室。基坑开挖深度范围地层为层厚1 m左右的杂填土，层厚1 m左右的软可塑状粉质黏土，层厚1 m左右的稍密状黏质粉土和层厚达20 m 的流塑状淤泥质黏土。该基坑采用钻孔灌注桩+内支撑的方式进行支护，并在基坑外围采用23 m深的Ф850 mm水泥土搅拌桩形成止水帷幕。其中，基坑北侧因紧邻河道，采用双排Ф850 mm水泥土搅拌桩，排间距700 mm、轴间距600 mm（图5，其等效加固半径为790 mm）。水泥搅拌桩设计要求水泥掺入量20%，水灰比1.5～1.7，28 d龄期无侧限抗压强度标准值不小于1.0 MPa，对渗透系数无具体要求。

图5 双排水泥搅拌桩示意

该工程在基坑开挖之前对水泥搅拌桩进行了取芯检测，芯样抗压强度均能满足设计要求。但开挖以后，邻近河道的基坑北侧却渗水严重，导致坑内严重积水，影响正常施工（图6）。

图6 某基坑坑壁渗水和坑内积水

为进一步确定坑外水泥搅拌止水帷幕的止水性能，并为后期施工加固提供科学依据，后在基坑北侧的双排水泥搅拌中取了3个钻孔进行现场变水头注水试验，确定其渗透系数。3个钻孔外的稳定水位均根据其附近的水位监测孔现场实测，试验长度为孔口下5～10 m 深度段，上部5 m 采用套管隔水。开始水位均加至孔口，10 min后记录孔内水位作为初始水头H1，再过1 h后的孔内水位为最终水头H2（每10 min量测一次）。渗透系数计算结果见表2，其中计算结果（1）为根据文献［4］提供的钻孔变水头注水试验渗透系数计算公式所得，计算结果（2）则是依据本文基于土样渗透试验所推导的公式计算所得。

表2 某基坑双排水泥搅拌桩渗透系数测试成果

由表2 可知，如直接套用文献［4］钻孔注水试验计算公式，该3个孔的实测渗透系数值均小于10-6cm/s，即表1中的“极微透水”，这个与实际的渗水、积水情况是完全不相符的。采用本文基于土样渗透试验原理所推导的公式计算，3个被测孔的渗透系数值均在2.5×10-5cm/s 左右，为“弱透水”级，其止水防渗性能不满足工程需要。后设计单位依据2.5×10-5cm/s这个渗透系数值，进行了后期加固设计，从而确保整个基坑顺利安全施工。

4 结 论

渗透系数是评价水泥土作为防渗止水帷幕可靠性的一个重要指标，对用于基坑支护、水库大坝、垃圾填埋场等工程的水泥搅拌桩，应对其水泥土进行渗透系数测试。而由于水泥搅拌桩在施工搅拌过程中，并不能完全地削碎土团，使得水泥搅拌桩加固后的水泥土性能存在一定的不均匀性和差异性，采用完整芯样的渗透系数试验值来评价整个桩身的渗透性能，相对来说不安全。因而，采用现场钻孔注水试验来测试整段水泥搅拌桩的渗透系数具有一定的工程现实意义。

水泥搅拌桩的桩身渗透系数，可利用取芯钻孔在检验桩长、强度等质量的同时开展变水头注水试验进行测试。但其测试原理与钻孔变水头注水试验存在根本不同，不能直接套用钻孔变水头注水试验的渗透系数计算公式来进行计算。本文根据其试验的等效性，依据试验室内土试样的变水头渗透系数试验给出了相应的渗透系数计算公式，并经工程实践证明，计算结果贴合实际，具有一定的可靠性。

试验中可控制水头高度在1.5 m 以上，试验长度通常为5 m，量测时间不应小于1 h（或试验水头下降到初始试验水头的0.3～0.5 倍），并将水泥搅拌桩等效为两个半圆柱体的试样进行渗透系数值计算。当设计单位给出渗透系数合格判定标准应按设计单位要求进行判定，对于临时性的基坑围护工程，设计单位未给出渗透系数合格判定标准时，现场钻孔注水试验测得的渗透系数值小于10-5cm/s 时，可初步判定其渗透性能满足工程要求。