软土基坑被动区加固强度参数试验研究及变异性分析

徐伟 太俊 温永凯 赵晨曦 阎波 胡科

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430015）

0 引言

基坑被动区加固是一种有效的变形控制手段，在软土深基坑工程中已广泛应用。基坑被动区加固主要通过深层搅拌法、高压旋喷桩等施工工艺对基底以下部分区域进行加固，从而提高土体强度及刚度，增强土体抗变形能力，达到控制基坑变形的目的。

众多学者对被动区加固的加固机理、加固形式、加固参数、位移控制效果进行了充分的分析研究[1-6]。但现有研究多局限于数值模拟的方法，对被动区加固土体力学参数的试验研究还较为匮乏，对于被动区加固体的强度及其检测方法，各地规范的要求也并未统一和明确[7]。工程实践中常通过钻孔取芯试验进行检测，但实际操作过程中往往会选取完整性较好的岩芯进行取样，对于完整性较差的岩芯则被人为排除在外。对于水泥土的成桩质量、强度特性也可以采用静力触探、标准贯入、动力触探等原位测试方法进行检测。一些学者将标准贯入试验、静（动）力触探试验用到水泥加固土质量检测中，并建立了一系列的经验公式[8-11]，这些经验公式均可为被动区加固效果检测提供依据。李卓峰等[12]通过静力触探测试获得坑底土层加固前后的力学参数，从而研究坑底加固对基坑变形的影响，但并未考虑静探测试数据的分布特征及其离散性对加固土强度参数的影响。

由于水泥土作为一种人工材料，其力学参数受到施工方法、施工参数等多因素的影响，尤其在深层施工条件下，水泥土搅拌均匀性、垂直度施工误差等因素均会导致加固体力学参数产生空间变异性[13]。Honjo[14]对日本广岛、横滨等港口水泥土深层搅拌桩的强度变异性进行了统计，结果显示水泥土强度变异系数最高可达0.592；Navin[15]对前人的研究成果进行了统计整理，得出深层搅拌水泥土的强度变异系数分布在0.342～0.790。这些统计数据均来源于钻探取芯试验，其统计分析结果往往受样本数量少、经济成本高等因素的制约，而静（动）力触探试验提供的实测数据不仅能够反映土体的力学性质，且能提供连续的测试数据，数据样本容量充足。因此，通过静（动）力触探试验数据来分析加固体强度及其变异性，对获取加固体的力学参数及其质量检测具有重要意义。

武汉市某软土深基坑被动区采用三轴水泥土搅拌桩加固，为深入研究被动区加固体强度参数及其变异性，借助原位测试手段，进行了大量的原位静（动）力触探试验，同时选取部分点位进行钻探取样，通过室内土工试验获取土样的强度指标，从而在原位测试指标与强度参数之间建立关系，并依据原位测试数据研究被动区加固体强度参数的变异性。

1 工程概况

依托工程位于武汉经济技术开发区，场地地貌为长江冲洪积Ⅱ级阶地湖积区，分布有厚层的第四系湖积相淤泥层及第四系河流冲积相的淤泥质土层，软土层层顶埋深4.0～7.3 m，厚度最大达16 m。基坑开挖深度为14.1～18.2 m，围护结构采用钻孔灌注桩+混凝土内支撑进行支护，基坑被动区采用ϕ850@600 三轴水泥土搅拌桩进行裙边加固，加固深度最深达23 m（见图1）。加固范围内主要地层的物理力学指标如表1 所示。三轴搅拌桩采用搭接施工，二搅二喷，下沉速度为0.5～1.0 m/min，提升速度为1.0～2.0 m/min，采用P.O 42.5 级普通硅酸盐水泥，水灰质量比为1.5～2.0，坑底以下实桩段水泥掺量为20%，坑底以上的空桩段水泥掺量为10%。

表1 原状土物理力学指标

图1 基坑支护结构典型剖面图（单位：m）

2 试验方案

2.1 现场原位测试及取样

为了研究被动区加固体强度参数的变异性，首先需建立室内试验指标与原位测试指标间的相关关系，再根据静（动）力触探试验的原位测试数据进行强度参数的变异性分析。具体原位测试方案为：在被动区加固体龄期达到90 d 以后，沿基坑边按20 m 左右间距进行单桥静力触探试验（CPT），当静探贯入阻力过大无法贯入时，改为重型圆锥动力触探（DPT）继续连续贯入，同时选取部分原位测试区进行钻孔取样，采用双管单动取样器钻取芯样，芯样尺寸为ϕ80 mm×200 mm。原位测试及钻探取样点位平面布置见图2。本研究共完成单桥静力触探试验531.2 m，圆锥动力触探试验84 m。

图2 取样及原位测试孔平面布置图

2.2 室内试验

按照《土工试验方法标准》（GBT 50123-2019）对各土样进行常规物理力学试验，包括密度、含水率、压缩试验、直接剪切试验以及无侧限抗压强度试验。无侧限抗压强度试验的试样尺寸为ϕ39.1 mm×80 mm，并在试样两端涂抹凡士林，采用TSZ 型应变控制式三轴仪进行试验，应变速率控制在1%/min，当轴向力达到峰值后，再进行3%～5%的轴向应变后停止试验，取峰值应力作为无侧限抗压强度qu；若轴向力无峰值则轴向应变需达到20%，取轴向应变15%时的应力作为无侧限抗压强度qu。本次研究共完成无侧限抗压强度试验74 组，水泥土试样及室内无侧限抗压强度试验见图3。

图3 三轴仪及水泥土试样

3 试验结果与分析

3.1 原位测试结果

图4 为四种典型的原位测试曲线，分别为原状土的静力触探Ps曲线、加固质量不良水泥土的静力触探Ps曲线、加固质量较好水泥土的静力触探Ps曲线及修正后动力触探N′63.5曲线。

图4 典型原位测试曲线

由图4 可以看出，静力触探试验（CPT）与动力触探试验（DPT）均能直观地反映水泥土搅拌桩桩身强度特性，水泥土搅拌桩加固体的比贯入阻力Ps值比原状土显著增加，而坑底以下20%掺量实桩部分相比坑底以上10%掺量空桩部分的桩身强度增加幅度并不明显，这可能是由于三轴搅拌桩在施工过程中往往存在下部水泥浆液随钻杆上窜、注浆泵流量与成桩速度难以匹配等问题，导致成桩质量不均、桩身强度与设计参数不匹配的现象。

3.2 室内试验结果

水泥土的基本物理力学指标实测值按基底以上空桩段和基底以下实桩段分别进行统计，具体如表2所示。根据无侧限抗压强度试验结果，绘制出原状软土与不同掺量的被动区加固体钻孔芯样的典型应力-应变关系曲线（见图5）。

表2 水泥土的实测物理力学指标

图5 原状土与加固体芯样典型应力-应变关系曲线

由表2 可以发现，空桩段与实桩段的水泥土试样的各项物理力学指标均具有很强的离散性，反映出被动区的加固质量是非常不均匀的，且部分水泥土的重度相比原状软土有明显的降低，土样中分布有大量肉眼可见的气孔，呈现出“酥松”的状态（见图6），这是由于三轴搅拌机施工时左右两轴注浆，中间轴注入压缩空气切削土体，高压气体留存在土体中形成密集的气孔所导致的。同时也可以发现基底以下20%掺量实桩段相比坑底以上10%掺量的空桩段芯样的各项力学指标增加幅度均不明显，这与原位测试结果的规律是类似的。

图6 原状软土与加固体芯样典型破坏形态

图5 中典型原状软土的无侧限抗压强度qu仅为33.6 kPa，应力-应变关系曲线表现为应变硬化型，试样破坏形态呈塑性鼓胀破坏（见图6（a））；而加固体芯样的强度相对原状土要大得多，典型加固质量较好芯样的qu达到860.2 kPa，应力-应变关系曲线表现为应变软化型，试样破坏形态为脆性破坏（见图6（c）），破坏应变约为1.3%；加固质量不良芯样的qu值介于原状土与加固质量较好芯样之间，其应力-应变关系曲线表现为由应变硬化型向应变软化型过渡，试样破坏形态见图6（b）。

原状土与加固体芯样典型抗剪强度与垂直应力关系曲线如图7 所示。由图7 可以看出，典型原状软土的内摩擦角和黏聚力仅为3.47°和14.93 kPa，而典型加固质量较好水泥土芯样的内摩擦角可达37.18°，黏聚力可达73.76 kPa，表明在水泥的水化胶结作用下，不仅大幅提高了土体的黏聚力，其内摩擦角也得到显著增长。

图7 原状土与加固体芯样典型抗剪强度-垂直应力关系曲线

4 原位测试指标与加固体强度参数间的关系

对于水泥土的原位测试指标与强度参数之间的相关关系，现有文献中已有大量的经验公式，表3 收集整理了相关的研究成果。

表3 现有文献中经验公式汇总

从现有研究成果可以看出，目前原位测试指标与水泥土强度之间关系的建立多采用数据拟合的方法，但能否在武汉地区直接套用仍有待验证，且已有研究尚未建立重型圆锥动力触探击数N63.5与水泥土强度之间的经验公式。为此，本研究利用室内试验数据与原位测试数据，建立了武汉地区软土水泥土的比贯入阻力Ps、修正后动力触探击数N′63.5与无侧限抗压强度qu之间的相关关系（见图8、图9）。

图8 比贯入阻力Ps 与无侧限抗压强度qu 的关系曲线

图9 动力触探击数N′63.5 与无侧限抗压强度qu 的关系曲线

由图8、图9 可以看出，水泥土无侧限抗压强度qu与比贯入阻力Ps呈线性正相关关系，其相关关系为

而无侧限抗压强度qu与修正后动力触探击数N′63.5，采用幂函数进行拟合后具有较好的相关性，其相关关系为

通过建立的水泥土无侧限抗压强度qu与比贯入阻力Ps、修正后动力触探击数N′63.5的相关关系，可以较为简便地获取被动区加固体的强度分布情况。

5 基于原位测试数据的加固体强度参数变异性分析

基于原位测试的大量实测数据，通过相关关系式（1）和式（2）将原位测试数据均转换为无侧限抗压强度值，而后再进行数据统计分析，统计结果如图10、图11 所示。

图10 基底以上空桩段水泥土强度分布

图11 基底以下实桩段水泥土强度分布

统计结果表明：基底以上空桩段水泥土强度qu均值为0.38 MPa，变异系数为0.909；基底以下实桩段水泥土强度qu均值为0.504 MPa，变异系数为0.6896；被动区加固体不论是空桩段还是实桩段都具有较强的不均匀性，且空桩段变异系数比实桩段更大，这可能与空桩段水泥掺量较低、成桩速率过快导致搅拌不够充分有关。

目前对于水泥土的强度分布规律，一般认为近似正态分布或对数正态分布[14,19-20]，但以往的统计对象均针对的是地基处理工程中的水泥搅拌桩，此类水泥搅拌桩的水泥掺量一般是均匀一致的，而基坑被动区加固体的水泥掺量是随深度变化的，空桩段水泥土强度采用指数分布拟合效果更好，实桩段水泥土强度近似满足对数正态分布，通过实测获取的加固体强度变异性及分布规律可为后期被动区加固的理论研究和数值模拟提供数据基础。

6 结论

（1）被动区加固体的强度指标较原状土有显著提升，但坑底以下20%掺量实桩部分相比坑底以上10%掺量空桩部分的桩身强度增加幅度并不明显，这可能与三轴搅拌桩在施工过程中存在下部水泥浆液随钻杆上窜、注浆泵流量与成桩速度难以匹配等因素有关。

（2）原状软土的应力-应变关系曲线表现为应变硬化型，试样破坏形态呈塑性鼓胀破坏；加固质量较好芯样的应力-应变关系曲线表现为应变软化型，试样破坏形态为脆性破坏，加固质量不良芯样的应力-应变关系曲线表现为由应变硬化性向应变软化型过渡的形态。

（3）建立了水泥土无侧限抗压强度qu与比贯入阻力Ps、修正后动力触探击数N′63.5的相关关系，据此可以较为简便地获取被动区加固体的强度分布情况。

（4）被动区加固体，不论是空桩段还是实桩段都具有显著的不均匀性，基底以上空桩段水泥土强度的变异系数达0.909，而基底以下实桩段水泥土强度的变异系数达0.6896。

（5）基坑被动区加固体的空桩段水泥土强度采用指数分布拟合效果更好，实桩段水泥土强度近似满足对数正态分布。