高速公路水泥攪拌樁樁身檢測強度

劉 軍

（江蘇省交通科學研究院股份有限公司，江蘇 南京211112）

0 引言

江蘇省河網稠密，湖泊眾多，沿江沿海流域分布有大片海相、湖相沉積的深厚軟土層。這類土層具有含水量大、壓縮性高、強度低、透水性差等特點。如果在這種地基上直接修筑高速公路，路堤（面）荷載和竣工后，在交通荷載作用下會產生相當大的沉降和差異沉降，而且完成固結過程的時間長，會對高速公路的正常使用產生不利影響。截止2010 年，江蘇省高速公路通車里程突破4 000km，其中，水泥攪拌樁在軟土復合地基的處理中發揮了重要作用，是江蘇省高速公路軟基處理最常用的方法。

然而，目前江蘇省高速公路水泥攪拌樁復合地基中，水泥攪拌樁樁身對于抗壓強度的合格判定問題，一直沒有得到很好地解決。江蘇省的水泥攪拌樁檢測，一直執行原江蘇省高速公路建設指揮部頒發的《江蘇省高速公路水泥攪拌樁檢測工作實施細則》（以下簡稱《細則》）。在該細則中，對水泥攪拌樁樁身現場取芯的無側限抗壓強度要求較低（見表1、表2），其中，上部28d 無側限抗壓強度達到0.45MPa即為滿分。而筆者在查閱江蘇省高速公路設計文件后發現，絕大部分的設計要求是“要求水泥土攪拌樁90d 齡期無側限抗壓強度為1.2MPa，28d齡期無側限抗壓強度為0.8MPa”。

表1 上部（5.0m以上）計分標準

表2 下部（5.0m以下）計分標準

從實際檢測經驗來看，水泥攪拌樁上部與下部成樁質量有明顯差異，上部的質量普遍好于下部成樁質量。因此，江蘇省在高速公路工程的水泥攪拌樁檢測中，采用了上、下部分別評分的方法。那么這種評分是否科學，特別是側限抗壓強度界限是否合理呢？本文從力學理論計算分析角度進行了驗證。

1 復合地基對樁身強度的要求

《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）（以下簡稱《規范》）設計承載力時，按式（1）進行估算，同時應滿足式（2）的要求。

式中：Ra為單樁豎向承載力特征值（kPa）；up為樁橫截面周長（m）；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值（kPa）；li為樁長范圍內第i層土的厚度（m）；α為樁端天然地基土的承載力發揮系數；qp為樁端地基土未經修正的承載力特征值（kPa）；Ap為樁的截面積（m2）；fcu為室內加固土試塊在標準養護條件下90d齡期的立方體抗壓強度平均值（kPa）；η為樁身強度折減系數。

式（1）表明，水泥攪拌樁的承載力由樁身側阻力和樁端阻力共同發揮，其中，樁端阻力的發揮與樁端施工質量和樁端土質有關。式（2）表明，水泥攪拌樁在承載力發揮的過程中，樁體強度要保證樁體不發生破壞。因此，水泥攪拌樁樁體強度下限應該由樁身軸力的大小來確定。

用fcuf表示現場取芯檢測所得試件的室內無側限抗壓強度，則應有：

其中：

式中：fspk為復合地基承載力特征值（kPa）；fsk為處理后樁間土承載力特征值（kPa）；m為復合地基置換率。

根據《規范》，η濕法可取0.25～0.33。

設樁頂荷載為N0，樁身任意截面軸力為Ni，則對于水泥攪拌樁任意截面處，應該有：

其中：

當由水泥攪拌樁和樁間土所組成的復合地基處于臨界狀態時，在樁頂處應有：

2 上部樁身強度分析

根據高速公路復合地基的用途和特點，本文選取填土高度分別按4.0～8.0m 進行取值（填土重度取18kN/m3進行計算），樁徑按0.5m 計算，樁間距分別從1.1～1.8m 進行取值（按正三角形布樁考慮）。本研究中，fsk按90kPa，β取規范建議范圍的較低值0.75。按照上述算例，求得復合地基處于臨界狀態時，樁頂荷載N0最大值，如表3、圖1所示。

表3 不同樁間距及填土荷載條件下臨界狀態時的N0

根據表3 及式6，可以求得現場水泥攪拌樁樁頂檢測強度的下限值，如表4所示。

圖1 不同樁間距臨界狀態時水泥攪拌樁樁頂荷載與填土荷載的關系

表4 樁頂現場檢測強度下限值（單位：kPa）

由于水泥攪拌樁樁體強度隨著齡期增長而逐漸提高，因此，以上強度下限值可以理解為水泥攪拌樁90d齡期要求。基于目前的工期要求，現在檢測大多在28d進行。因此，將表4的下限值換算成28d 齡期要求的強度。本次強度折算采用《規范》中推薦的齡期換算關系式：

計算結果如表5 及圖2 所示（本研究中按fcu90=1.43fcu28進行計算）。

表5 樁頂現場28d檢測強度下限值（單位：kPa）

圖2 不同樁間距臨界狀態時水泥攪拌樁樁頂28d強度下限值與填土荷載的關系

從設計角度來講，當填土荷載較大時，會減小樁間距，提高置換率，從而提高復合地基的承載力。因此，不必考慮高荷載下大間距的情況。本研究中，對以下幾種工況與現行檢測評判標準進行對比。

（1） 填土荷載為8.0m：樁間距為1.1～1.3m時，樁頂水泥土攪拌樁樁身現場抗壓強度分別要求達到333kPa、387kPa 和446kPa，雖然低于目前上部樁身強度滿分標準（0.45MPa），卻高于合格標準（0.25MPa）。如果按目前的合格標準檢測，可能出現安全隱患。

（2） 填土荷載為7.0m：樁間距為1.1～1.4m時，樁頂水泥土攪拌樁樁身現場抗壓強度的要求，雖然低于目前上部樁身強度滿分標準（0.45MPa），但卻高于合格標準（0.25MPa）。如果按目前的合格標準檢測，可能出現安全隱患。

（3）填土荷載為6.0m：樁間距為1.1m 和1.2m時，樁頂水泥土攪拌樁樁身現場抗壓強度分別要求達到198kPa 和227kPa，都低于目前上部樁身強度合格標準（0.25MPa）。按照目前的強度評判標準，能夠滿足上部荷載的要求。但如果樁間距大于1.3m時，目前的檢測評判標準可能偏低。

（4）以上數據表明，目前的檢測評判標準在填土高度小于5m 時較為適用，檢測標準能夠保證路基的穩定性。但如果填土高度超過6m 時，目前的檢測標準就偏向不安全了。這里還需要考慮其他幾個因素：樁間土的承載力及發揮情況、水泥土強度與齡期的關系，本次研究都按較低的水平取值。

（5）總體來說，現場檢測強度是否合格，與工程地質條件、荷載水平等有較大的關系。因此，用一個標準來評判所有水泥攪拌樁樁體的質量，對于工程地質條件好、荷載水平低的情況，是不經濟的；而對于工程地質條件差、荷載水平較高的情況，是不安全的。

3 下部樁身強度分析

水泥攪拌樁既不同于碎石樁等柔性樁，也不同于鉆孔灌注樁等剛性樁，是介于柔性樁和剛性樁之間的一種樁。因此，其受力特點和荷載傳遞規律既不同于柔性樁，也不同于剛性樁。設計者往往將水泥土樁理解為樁基，要求其像剛性樁那樣，在樁長范圍內強度一致，且樁強度越高越好，這違反復合地基基本假定。《規范》認為，水泥攪拌樁樁身軸向應力自上而下逐漸減小，其最大軸力位于樁頂3 倍樁徑范圍內。因此，在水泥土單樁設計中，為節省固化劑材料和提高施工效率，《規范》（JGJ79—2012）推薦設計時采用變摻量的施工工藝。現有的工程實踐證明，這種變強度的設計方法可獲得良好的技術經濟效果。

根據式6，假設樁身深度范圍內，土質均勻，則可以得到如下關系式：

式中：fi為樁身任一界面處承載力（kPa）；f0為樁頂承載力（kPa），如圖3 所示為樁身受力示意圖。

圖3 樁身受力示意圖

根據現場的實際情況，樁身直徑取0.5m；根據工程經驗及《規范》相關規定，qsi對淤泥可取4～7kPa；對淤泥質土可取6～12kPa；對軟塑狀態的黏性土可取10～15kPa；對可塑狀態的黏性土可取12～18kPa，此處保守地取qsi為4kPa。根據《細則》規定，江蘇省現有的水泥攪拌樁上、下部以5m為劃分界限；li取5m。水泥攪拌樁綜合評分時規定，上部應達到75 分（對應強度要求0.25MPa）以上，下部應達到60 分（根據評分標準，用線性內插得到60 分對應的強度為0.098MPa≈0.01），則判定為不合格樁。由此，式12可以變換為：

可以看出，5m以下部分規定的承載力應比5m以上部分至少小160kPa，假設樁頂的承載力f0取合格值（f0=0.25MPa）時（《細則》中的規定），5m以下樁身承載力fi合格值的上限應小于0.09MPa，而《細則》規定樁身質量達到0.098MPa 時合格，說明《細則》規定上、下部合格值的差值范圍科學合理。

4 結語

（1）設計中要求的水泥攪拌樁樁身強度，在實際檢測中往往達不到。其主要原因是，設計中的強度要求并未根據承載力的要求和沉降計算來確定，而基本上是千篇一律。建議在今后的設計文件中，對不同的填土高度和沉降要求，分別驗算樁身強度。

（2）設計中未對室內配合比試件抗壓強度和現場檢測強度分別提出要求，導致施工單位按照室內配合比進行現場施工的樁身強度達不到要求。而從歷史檢測資料來看，現場檢測強度有時候僅為相同配合比試件強度的1/3～1/4。為此，《規范》（JGJ79—2012）也對室內試件強度采用了折減系數。建議在今后的設計文件中，必須分別明確室內配合比試件和現場檢測強度的要求。

（3）本次研究采用幾種接近極限的工況對樁身強度進行驗算，表明《細則》是基本合理的。但對于填方超過6.0m 的高填方路段，檢測標準還需要進一步優化和嚴格。

（4）本次研究選取的是承載力對樁身強度的要求，未考慮沉降對樁身強度的要求。后續研究中應充分考慮沉降對樁身強度的要求。

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