水泥土攪拌樁加固軟土技術的設計研究

蔡先強

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

軟土是指天然孔隙比大于或等于1，且天然含水量大于液限的細粒土，包括淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等[1]。軟土具有觸變性和顯著的流變性，修建在軟土地區的路基，主要是路堤填筑荷載引起軟基滑動破壞的穩定問題和量大且時間長的沉降問題，是高速公路常見的特殊路基病害。在多種處理軟土的方法中，水泥攪拌法加固軟土技術正日益被廣泛應用推廣，值得我們深入探討。

1 工程概況及軟基處理方案選擇

1.1 工程概況

廣靈至渾源高速公路工程位于山西省東北部，大同市的東部，行政區劃隸屬大同市廣靈縣、渾源縣。本項目路線全長77.268 km，設計速度采用100 km/h，路基寬度26 m。自然地理屬廣靈盆地、恒山山脈北延之六棱山南部、大同盆地東南部的渾源谷地。地形地貌復雜，溝壑縱橫，因地質構造、巖性特征、風化剝蝕差異，明顯分為三大地貌單元，即中東部蓋層為主的構造剝蝕侵蝕低中山區；中部老變質巖出露的構造剝蝕中山區；兩側為斷陷盆地，其間穿插河谷平原區、黃土丘陵區、洪積臺地區、山間河谷區。

軟基所處地形較為平坦，地勢開闊，總體向盆地中心方向傾斜，傾斜坡度一般在2°～3°左右，地表被近代河流所切割，深度一般在3～10 m。出露地層為新生界第四系沖洪積成因的粉土、砂土、砂礫石層，形成0.5～1 m的表面硬殼層，其下為淤泥質土，厚度為5～8.5 m，經試驗測定大部分軟土的天然含水量在40%～60%，e=1.75，抗剪強度低，承載力判定為40～50 kPa，而路基填方高5 m以上，要求承載力達150 kPa。

1.2 處理方案選擇

軟土地基處理方法較多，常用的處理方法有砂墊層、換填法、重壓法、強夯法、垂直排水固結法、水泥樁、粒料樁等。每種方法都有其適用性、局限性，需要根據具體工程情況，對幾種處理方案進行技術、經濟以及施工進度等方面的比較，從而確定合理的處理方法。初步分析，砂墊層和換填法顯然不適合本項目（換填法處理深度宜在3 m以內）；重壓法施工時間太長；強夯法對周邊環境影響較大，不符合項目要求；垂直排水固結法相對于水泥樁法處理效果不太理想；水泥土攪拌法具有最大限度地利用了原土、無噪聲、無污染、對周圍原有建筑物及地下管溝影響很小等特點。結合本項目的土質情況、進度要求、經濟技術要求等方面，綜合分析確定采用水泥土攪拌法。水泥土攪拌法是利用水泥等材料作為固化劑通過特制的攪拌機械，就地將軟土和固化劑（漿液或粉體）強制攪拌，使水泥固化劑與土體發生一系列的物理和化學反應，軟土硬結成具有整體性、水穩性和一定強度的水泥加固土，從而提高地基土強度和增大變形模量[2]。

2 設計計算

水泥土攪拌法用于處理泥炭土、有機質土、pH值小于4的酸性土、塑性指數大于25的黏土，或在腐蝕性環境中以及無工程經驗的地區使用時，必須通過現場和室內試驗確定其適用性。設計前應分析研究場地的巖土勘察報告，對報告中填土的成分、厚度、水平、垂直向的分布；軟土的分布范圍、分層、厚度；地下水的pH值、腐蝕性；土的含水量、塑性指數、有機質含量等進行分析研究以確定水泥土攪拌法的適用性[1]，同時有必要了解攪拌樁的承載特性。

2.1 水泥攪拌樁的承載性狀

圖1所示為某典型攪拌樁的現場靜載試驗所得出的P-s曲線（黃自彬等，1990），如圖1所示尚有該樁樁身不同深度處的荷載—沉降曲線。由圖中可以看出，水泥攪拌樁在承受豎向荷載時，樁體的變形是逐漸增加且無明顯的拐點，屬典型的柔性樁的承載特性[3]。

圖1 水泥攪拌樁的承載性狀

水泥攪拌樁的這種承載性狀可歸納為：

a）在樁頂荷載作用下，樁的沉降主要是由樁身壓縮引起的，壓縮量逐漸減少。

(1)定量分析處理T1、T2、T3、T4與CK試驗結果。不同處理下的土壤浸水飽和后，測得其體積含水率數據結果如圖3所示，由圖可知，各處理CK、T1、T2、T3、T4組分別在水吸力為63.1 cm、67.07 cm、31.55 cm、31.14 cm和147.59 cm時達到田間持水量，且田間持水量隨著生物炭施加量的增大而增大。因此施加生物炭整體上能提高土壤的持水能力。

b）樁身上部壓縮較大，類似純摩擦樁的特征。由以上分析可知，攪拌樁應有一臨界樁長，當樁長超過該臨界樁長時，超過部分的樁體承載作用實際很小，甚至不起作用。臨界樁長計算：

式中：D為樁徑；Ep為樁的變形模量；Es為土的變形模量；λ為與土體泊松比有關的參數。

攪拌樁的長度除不超過臨界長度外，還應根據上部結構對承載力和變形的要求確定，并宜穿透軟弱土層到達承載力相對較高的土層。干法的加固深度不宜大于15 m，濕法的加固深度不宜大于20 m[2]。

2.2 設計計算

水泥土攪拌樁的設計，主要是確定攪拌樁的置換率和長度。常規的計算可按如下步驟進行。

2.2.1 計算單樁豎向承載力

有式（ 2）、式（ 3）2 個計算公式，原則上取小值[2]。

式中：qu為樁體無側限抗壓強度，kPa；f為樁側土平均摩阻力，kPa；Rsb為樁端土承載力，kPa；L、D 分別為樁長、樁徑，m；η為樁身強度折減系數，η=0.35～0.5；α 為樁端土承載力折減系數，α=0.5；Ap為攪拌樁單樁截面積，m2。

水泥土攪拌樁復合地基的承載力特征值應通過現場單樁或多樁復合地基荷載試驗確定。初步設計時可按式（4）估算。

式中：Rsp、Rs分別為復合地基和樁間天然地基的承載力，kPa；Rp為攪拌樁的單樁承載力，kN；m為樁的面積置換率，即樁體截面積之和與加固土面積之比；β為樁間土承載力折減系數，β=0～1。

確定了m后，即可計算水泥攪拌樁樁數n=m·A/Ap(其中A為布樁基礎底面積)，水泥攪拌樁的布置應根據基礎類型確定，一般采用正方形或等邊三角形，由面積置換率算出樁間距d=(Ap/m)1/2，即可進行布樁。

2.3 設計驗算

進行地基的沉降變形驗算時，要考慮攪拌樁復合土層的平均壓縮變形和樁端下未加固土層的壓縮變形兩個方面。

2.3.1 攪拌樁復合地基的壓縮變形S1

式中：Pz為攪拌樁復合土層頂面的附加壓力值，kPa；Pzl為攪拌樁復合土層底面的附加壓力值，kPa；Esp為攪拌樁復合土層的壓縮模量，kPa；Ep為攪拌樁的壓縮模量；Es為樁間土的壓縮模量。

2.3.2 樁端下未加固土層的變形S2

式中：ψs為沉降經驗系數按《建筑地基基礎設計規范》GB50007查表確定；n1為加固區的土層數；n2為加固區以下土層的數量；Esi為加固以下土層的壓縮模量；αi-1、αi為樁端下計算點至第i-1層土、第i層土底面范圍內的平均附加應力系數；Zi-1、Zi為樁端下第i-1層、第i層土底面的距離，m。

當復合地基中樁體置換率較大（m大于20%），且樁端下臥層依然處于軟土層中時，應將復合地基視作一假想實體基礎，驗算其下臥層的強度。

2.4 項目應用

經上述計算、驗算確定了廣靈至渾源高速的軟基處理方案：樁徑為50 cm，樁長為8 m，正三角形布置，樁距為2 m，立面設計詳見圖2。

圖2 水泥攪拌樁處理立面示意圖

同時要注意以下具體細節：a）選用強度等級為32.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入比為10%。b）砂墊層材料可選用中砂、粗砂、級配砂石等，厚度為30 cm，最大粒徑不宜大于20 mm。c）樁頭需深入軟層以下50 cm，施工時樁長可按實際情況進行調整，由業主、監理、設計代表現場確認，按實際樁長計量。

3 設計后續研究

在完成本項目的軟基設計工作后，對整個設計流程進行了反思和研究，有如下幾點體會，供大家參考。

a）一些設計參數的取值不能做到非常精確，或根據區域經驗確定（比如抗壓強度qu取值，試驗環境與實際有差別），有可能導致設計方案不能取得理想加固效果，實際沉降值較大。建議有些項目在條件允許的情況下，提前對軟基采取加重預壓的方法，在施工期間盡可能消除沉降。

b）從水泥攪拌樁由上至下的承受荷載情況分析，由于周邊土的摩擦力作用，攪拌樁受荷逐漸減小；并且如果在加固區土質情況相同，水泥摻入比越高，則樁體強度越高，沉降量越小。因此在設計中是否可以考慮根據樁的受力情況而調整水泥摻入量，比如上部摻入量為16%，中部為14%，下部為12%，在以后的項目設計中可以探索改進。

c）本項目水泥攪拌樁在施工過程中，設計代表反映有個別樁體出現了沉樁現象，即“空洞”，成樁后自動下沉0.6～0.8 m，經設計、監理的現場試驗檢測，是下部噴粉量不足所致，由于沉樁不深，采用了3%的水泥土回填夯實的補救措施。此質量問題值得警醒，應特別注意預防，比如保證水泥樁底端打入持力層；樁的上部、下部摻灰量都應滿足設計要求；加強土層含水量的監測檢查，局部含水量較大時（大于70%），應采取必要的措施排水等。

4 結束語

影響水泥攪拌樁加固效果的因素是多方面的，不僅需設計計算正確合理，還與施工工藝、施工機械、加固材料等密切相關，比如水泥和土攪拌的均勻程度，直接關系成樁質量。因此，為使水泥土攪拌樁加固軟土技術應用更為廣泛、經濟、合理，需要廣大的設計、施工、監理人員和理論研究者共同努力，不斷探索，取得更大的進步。