水泥攪拌樁聯合堆載排水固結法加固軟基的效果評價

陳盛原， 葉華洋， 張偉鋒*， 韋 未

(1.華南農業大學水利與土木工程學院，廣州 510642; 2.河海大學水利水電學院，南京 210098)

珠三角地區廣泛分布著軟土，該地區的工程建設與軟土地基脫不了關系[1]。在土建工程中，除了上部結構會影響工程質量，軟土不良地基引起的地基沉降過大或不均勻沉降同樣會影響工程質量。針對該地區的軟土不良地基，如何加固軟基成為城市建設亟需解決的難題之一。

珠三角地區的軟土主要由東江、西江和北江河流在珠江出海口受內海岸浪流及潮汐水動力作用逐漸淤積而成，屬于第四紀沉積物，多為高含水率的淤泥、淤泥質黏土及粉細砂[2]。軟土具有高含水量、高壓縮性、低滲透性、低抗剪強度、顯著的靈敏性與流變性等特點，軟土地基的加固處理顯得尤為重要[3-4]。

排水固結法是處理軟土地基的有效方法之一。根據加壓方式的不同，排水固結法又分為堆載預壓、真空預壓、降水預壓及真空-堆載聯合預壓等[5-8]。眾多的軟基處理方法中，塑料排水板堆載預壓法的應用非常廣泛，而水泥攪拌樁具有施工便捷和工期短等優點，同樣是處理軟基的重要技術之一[9-11]。

針對上述問題，結合現階段常用的塑料排水板堆載預壓固結法及水泥攪拌樁工藝，擬進行“先堆后樁”(用DPZ表示)及“先樁后堆”(用ZDP表示)兩種工藝處理軟土地基的試驗研究，采用鉆孔取芯法開展樁體標貫試驗和芯樣無側限抗壓強度試驗來探究兩種工藝對樁體質量的影響，并通過土壓力、水平位移的監測以及靜力觸探檢測來研究樁間土的力學性質，探究兩種工藝的工程特性差異以及加固軟基的效果，以期為實際工程提供服務，為大面積軟基工程的施工優化提供參考。

1 試驗簡介

1.1 工程概況

現場試驗的場地位于廣東省中山市浪網工業園附近。試驗場地各土層分布的情況為：0～2.3 m為素填土；2.3～5.2 m為淤泥；5.2～9.1 m為粉砂；9.1～11.3 m為粉質黏土；11.3～14.6 m為泥炭質黏土；14.6～18.6 m為粉質黏土。

該試驗場地存在較深厚的軟土，若不采取措施對軟土地基進行加固處理，軟弱的土層可能會對土建施工過程造成不良影響；同時，由于軟弱土層的固結會造成建(構)筑物的不均勻沉降，即使在工程建成后進入使用階段，軟土地基也會危及建(構)筑物上部結構的安全，產生不良影響，因此需對軟土進行加固處理。

1.2 施工工藝

根據“先樁后堆”和“先堆后樁”這兩種施工工藝的工程特性，進行不同工藝的聯合使用研究，現場試驗的施工流程如圖1所示。

圖1 現場試驗施工流程Fig.1 Construction procedure of field test

依據現場試驗的設計圖，對規定的場區(兩個區的堆載范圍尺寸均為9.5 m×6.5 m)進行地面平整工作，插塑料排水板前預先在非成樁的區域外鋪設400 mm的砂墊層，并設置好排水溝。為避免塑料排水板對成樁過程的影響，在各堆載區內的四周通過履帶式插板機插打塑料排水板一圈，打設深度為16 m，平面呈三角形布置，同時在場區內安裝了土壓力盒和測斜管；先對DPZ區進行2.5 m高的堆載預壓，當DPZ區沉降逐漸穩定下來后，對DPZ區、ZDP區同時打水泥攪拌樁，樁徑500 mm，樁長15 m，樁距1 m，成樁時每米樁長水泥摻量為65 kg，按四攪四噴工藝進行，成樁28 d后的芯樣無側限抗壓強度fc需達到設計要求，即fc>2.0 MPa；成樁7 d后對ZDP區進行堆載，堆載高度同樣為2.5 m。現場試驗平面布置示意圖、試驗現場分別如圖2和圖3所示，現場試驗所用到的儀器設備如表1所示，表2所示為各區主要施工節點統計。

2 樁體的工程力學性質

標貫試驗、鉆孔取芯和芯樣無側限抗壓強度試驗這“三件套”是常用的水泥攪拌樁質量檢測方法，通過取芯檢查兩種工藝下樁身不同深度的成型和攪拌均勻性情況；通過標貫試驗分析兩種工藝處理后水泥攪拌樁的質量情況；而抗壓力學試驗同樣可輔以評價樁體的強度情況[12-15]。

2.1 樁體標貫試驗

在水泥攪拌樁成樁28 d后，分別在兩個區各抽取3根樁進行標貫試驗(SPT)，現場試驗如圖4所示，試驗采用自動脫鉤自由落錘法進行測試，沿著樁長分別在樁體3、6、9和12 m處打標貫，把各區不同樁深對應的3個標貫擊數的平均數作為代表值。ZDP區和DPZ區對應各樁體深度的標貫擊數N統計如表3所示，樁體標貫擊數N隨深度變化的曲線如圖5所示。

靜探點Z-J1、D-J1為第一檢測批次(原狀土)； Z-J2、Z-J3、D-J2、D-J3為第二檢測批次(改良土) 圖2 現場試驗平面布置示意圖Fig.2 Layout diagram of field test

圖3 試驗現場Fig.3 Field test

監測/檢測項目設備土壓力HCH-301型振弦式土壓力盒、HCH-108頻率讀數儀靜力觸探NDJT-3T鏈式靜力觸探機(雙橋探頭)水平位移HCH-863-2滑動式測斜儀取芯、標貫XY-1A型油壓鉆機無側限抗壓強度WA-300KE電液伺服萬能試驗機

表2 各區主要的施工時間節點

圖4 現場鉆探、標貫試驗Fig.4 Drilling and standard penetration test on site

區域深度/m標貫擊數N335DPZ區6419361222333ZDP區6369281217

圖5 樁體標貫擊數隨深度變化曲線Fig.5 Curve of SPT strike number with depth

從圖5中可看到，兩個區的樁體上部標貫擊數比較接近，是因為上部樁體均勻性好，因此離差性小。DPZ區樁體各深度的標貫擊數都比ZDP區大，表明DPZ區樁體質量要相對較好，究其原因，主要是因為DPZ區在成樁前已經對地基進行了堆載預壓，土層得到了一定程度的固結，土體孔隙率減小，在成樁時對應的土體相對ZDP區更加密實，更有利于樁體的成型及強度的增長。

此外，兩個區樁體標貫擊數隨深度變化的曲線走勢相似，總體上都表現為標貫擊數隨著樁長的增加而減小，其中，最大擊實數出現在6 m左右深的位置，主要跟該深度的地層土體是粉砂土有關，這與徐肖華等[16]研究的結論相似：水泥攪拌樁樁體標貫擊數與樁體加固效果隨深度的變化規律會受到地層性質的顯著影響。可見，同種加固方式對不同土體的加固效果有一定區別，因此在今后的施工過程中，對于大面積且各土層較厚的軟基，可根據不同土層深度的土質情況來適當調整水泥的配比，這樣可以節約成本。

2.2 樁芯無側限抗壓強度試驗

在對水泥攪拌樁做標貫試驗的過程中，同時進行了鉆孔取芯工作。從樁頂開始，約每2 m取一個試件，每根樁各取了7個不同深度的試件，并把所取試件帶回室內做無側限抗壓強度試驗。取樁體各深度對應3個芯樣抗壓強度的平均值作為試驗結果，兩個區樁體不同深度的芯樣抗壓強度統計如表4所示，水泥攪拌樁樁身強度隨深度的變化曲線如圖6所示。

表4 兩個區的樁體芯樣抗壓強度

圖6 樁身無側限抗壓強度隨深度變化曲線Fig.6 Curve of unconfined compressive strength of pile with depth

從圖6中可以看到，兩種施工工藝對樁體強度影響有一定區別，整體上表現為DPZ區的樁身強度比ZDP區大，這主要是DPZ區前期進行了堆載預壓，孔隙水消散，土顆粒間隙減小，土體固結度得到提高，因此成樁后樁身強度更高。

另外，成樁28 d后兩個區樁身無側限抗壓強度隨深度變化曲線的趨勢比較相似，樁身強度沿樁長方向存在差異性，取芯深度越深，對應的樁身芯樣無側限抗壓強度就越小，這主要是攪拌樁施工時對深層土體攪拌不均勻導致的，從現場取芯的圖片(圖7)也可以得到驗證，因此在攪拌樁施工時隨著攪拌深度的增加，攪拌移動速率也要適當減緩，以增加攪拌時間從而提高樁體的均勻性與連續性，避免出現斷樁現象。從表4中可知，兩種工藝對應的28 d樁體芯樣無側限抗壓強度都滿足設計要求(fc>2.0 MPa)。

圖7 樁體鉆孔芯樣Fig.7 Core sample of pile

總的來看，通過對比兩個區的標貫和芯樣抗壓試驗數據，不難發現芯樣抗壓強度、標貫擊數隨深度變化的曲線走勢一樣，說明在樁體檢測方面，樁身的無側限抗壓強度與樁體的標貫擊數存在正關系性。DPZ區的樁體質量比ZDP區要好，但是在同一深度位置，兩個區的試驗數據差別不是特別大，說明“先樁后堆”工藝處理后的復合地基承載力比“先堆后樁”工藝稍低，因此在一些非重要建筑物的軟基處理中可以考慮采用“先樁后堆”工藝。

3 樁間土的力學性質

3.1 土壓力

在試驗中，沿DPZ區、ZDP區的堆載范圍向非堆載范圍布置了土壓力盒，并且在同一位置的不同深度(深度為1 m及2 m處)各安裝了一個土壓力盒。為監測水平方向的土體應力變化情況，土壓力盒安裝時保證其受壓面與水平方向垂直。土壓力盒的平面布置如圖2所示，圖8為測量土壓力時的現場圖，DPZ區、ZDP區土壓力隨時間的變化關系如圖9所示，表5所示為各區土壓力變化特征統計。

圖8 土壓力監測現場Fig.8 Monitoring earth pressure on site

圖9 土壓力隨時間的變化曲線Fig.9 Curve of earth pressure over time

區域位置儀器編號儀器埋深/m堆載壓力傳遞值/kPa平均值/kPa堆載區內D-T115.976.6828.14D-T215.00DPZ區27.60堆載區外D-T313.063.3624.16D-T412.8223.38堆載區內Z-T113.003.4824.14Z-T212.92ZDP區23.85堆載區外Z-T311.491.6221.84Z-T411.3421.79

從兩個區土壓力隨時間變化的曲線可以看出，在插排水板前期，兩個區的土壓力有一定的波動，這主要是前期在安裝及埋設各種儀器的過程中，有機器設備(如鉆探)施工的影響。在堆載后，各區的土壓力值都有上升的趨勢，到達后期都趨于平穩，由各區的“土壓力變化特征表”可知，在經過上部荷載的堆載作用后，在各區不同位置、不同深度的壓力傳遞值有所區別，但DPZ區和ZDP區都顯示出了相類似的規律，從各堆載區內到外側，其壓力的傳遞值依次減小。

在同等堆載條件下，對比DPZ區及ZDP區相應位置的土壓力傳遞值可以發現，DPZ的堆載區內的壓力傳遞值為ZDP的堆載區內的1.92倍，在對應的堆載外側土壓力傳遞值也表現出相同的趨勢，DPZ區堆載外側的壓力傳遞值為ZDP區的2.24倍。其原因主要是工藝上的差別所致，DPZ區在堆載時所處的地基土質較為松散，外來荷載直接施壓土體時，易被壓縮而產生固結，由于土層間無特殊的支撐體來限制或改變其應力的傳遞途徑，因此在土體之間的壓力傳遞值就表現得相對較大；而在ZDP區，在堆載前已經進行了水泥攪拌樁的打設，樁體對施加的上部荷載產生了一定的抵制，對土體框架結構起到了一定的支撐作用，導致土體不易被壓實，大部分荷載已經被樁體所承載，這也就不利于土壓力在土粒間傳遞，因此ZDP區整體土壓力傳遞到各土層間的值就不如DPZ區大。從另一個方面來說，對于該試驗的基礎處理，DPZ區的處理方式能使得土壓力更多地傳遞到各土層間，以至土體的有效應力增加，更有利于土體間的壓縮及固結。

3.2 靜力觸探

為了對比兩種不同處理方式對軟基加固后的效果，明晰各區樁間土力學性能在處理前后的變化情況，在各區特征位置設置了靜力觸探檢測點，具體檢測點位置如圖2所示。檢測總共分為兩個批次進行，分別是處理前的原狀土及不同方式處理后的改良土，第二批次檢測時兩區的樁體齡期為28 d。為了減少首次靜探孔所帶來的影響，同一區域位置的第二批次測點位置錯開第一批次測點水平距離約1 m。圖10所示為靜力觸探檢測時的現場，軟基各土體分層厚度測得的錐尖阻力平均值統計如表6所示，圖11所示為樁間土錐尖阻力隨深度變化的曲線所示。

圖10 現場靜力觸探試驗Fig.10 Static cone penetration test in field

地層土體工況錐尖阻力/MPa側壁摩阻力/kPa原狀土0.4612.80素填土DPZ2.4732.51ZDP2.0623.73原狀土0.3211.09淤泥DPZ0.9416.43ZDP0.7514.79原狀土1.0413.96粉砂土DPZ1.4621.50ZDP1.3419.36原狀土0.679.08粉質黏土DPZ0.8413.63ZDP0.8112.17原狀土0.8823.23泥炭質黏土DPZ0.9934.91ZDP0.9831.34原狀土1.2931.95粉質黏土DPZ1.3538.84ZDP1.3129.76

圖11 樁間土錐尖阻力隨深度變化曲線Fig.11 Cone-penetration curve of adjacent soil varies with depth

對比“先堆后樁”和“先樁后堆”這兩種施工工藝處理后的復合軟土地基靜力觸探數據可以看出，“先堆后樁”工藝對軟土地基淺層的土體作用效果較明顯，而對于軟土地基深層的土體，兩種工藝的作用效果相差不大。

從各區處理前后土層間的錐尖阻力變化可以發現，相比未處理的原狀軟土地基，經過“先樁后堆”及“先堆后樁”工藝處理后的軟基，各土層間的錐尖阻力都得到了提升，而軟土層的錐尖阻力與土體抗剪強度及承載力間呈一定的正相關關系，說明處理后的軟土在力學性質上得到了改善。

研究表明，攪拌樁施工后會影響樁間土的強度，其主要是因為沒有有效的排水通道，攪拌樁施工時噴漿壓力會引起樁周土的孔隙水壓力增大，孔隙水得不到有效地消散，因此會導致樁周土強度降低。本試驗由于預先插打了塑料排水板，保證了軟土地基土體中的孔隙水有豎直向的排水通道，所以在打水泥攪拌樁后，孔隙水壓力增大，孔隙水通過排水板很快得到消散，加上攪拌樁施工時對樁周土產生劈裂作用，樁周土體產生裂隙，水泥漿液充填了樁土接觸面及樁間土的裂隙，固化后改善了樁間土的邊界條件，提高樁間土的強度與剛度，從而加固后樁間土的錐尖阻力較加固前顯著提高，進而提高了樁側摩阻力。這也是經過兩種施工工藝加固后，樁間土各土層的平均錐尖阻力都比原狀土要大的原因。

3.3 水平位移

為研究兩種工藝對周圍環境的影響作用大小，在兩個區距堆載邊界外側2 m處分別安裝測斜管，埋設的測斜管深度為：DPZ區12.5 m，ZDP區12 m。測斜管平面布置圖如圖2所示，圖12所示為兩個區水平位移隨時間變化的曲線。

由于ZDP區在成樁前水平位移變化不太明顯，因此監測頻率適當減小 圖12 堆載區外側的水平位移變化Fig.12 The lateral displacement change of the outside of the heap load area

DPZ、ZDP堆載區外側的測斜管最大水平位移量分別為18.05 mm、9.61 mm，DPZ區的最大水平位移量是ZDP區的1.88倍，說明“先堆后樁”工藝對周圍環境的影響程度和范圍都比“先樁后堆”工藝大，這規律從上文的土壓力變化情況中得以驗證，DPZ堆載區外側的壓力傳遞值比ZDP區大，因此“先樁后堆”工藝更有利于對周圍環境的保護。

4 兩種工藝的對比分析

4.1 機理分析

通過對比“先堆后樁”和“先樁后堆”這兩種工藝對軟基加固的效果，從宏觀層面上對其加固機理進行對比分析。

(1)由于DPZ區在成樁前已經對該區的軟基進行了堆載預壓，土層得到了一定程度的固結，土體孔隙率減小，在成樁時對應的土體相對ZDP區更加密實，更有利于樁體的成型及強度的增長，因此DPZ區的樁體力學性能要相對較好。采用“先樁后堆”工藝時，成樁時軟基未經固結處理，樁體的承載力表現得不如“先堆后樁”工藝高。

(2)“先堆后樁”工藝處理的軟基經過長時間的堆載預壓，土體中的孔隙水能夠得到最大限度地消散，土體固結程度比“先樁后堆”工藝高，因此“先堆后樁”工藝處理后的樁間土強度較高。

(3)“先樁后堆”工藝由于預先打了水泥攪拌樁，對后來施加的上部荷載產生抵抗作用，同時攪拌樁在一定程度上限制上部荷載向水平方向傳遞，因此，相比之下“先樁后堆”工藝能減小堆載的影響半徑，對外側的影響較小，更有利于對周邊建(構)筑物的保護。

(4)根據表2的主要施工節點可知，“先堆后樁”工藝的工期約為“先樁后堆”工藝的2倍，“先樁后堆”工藝由于成樁后才開始堆載，這種半剛性樁也發揮著類似預制樁的機理，能快速達到穩定，節約工期。該種處理方式對地基承載力的提升也有一定的潛能。

4.2 應用前景分析

就目前的軟土地基處理方式來看，如果結合采用堆載和水泥攪拌樁兩種處理方式，大多數工程采取的是“先堆后樁”工藝，主要原因是先堆載可以迅速沉降，減少后期的剩余沉降量，同時，“先堆后樁”的承載力相對較大，對上部荷載而言偏安全，但是，“先堆后樁”工藝也存在一些比較突出的工程問題，比如其所需工期相對較長，對周圍環境的影響相對較大等；“先樁后堆”工藝在改善土體固結度方面和地基承載力方面稍不如前者，但同等堆荷條件下該區沉降先趨于穩定，對外側的影響半徑相對較小，同時也縮短工期，節省工程投資，在軟基加固工程中可以參考使用。

對于類似的軟土地基加固工程，針對“先堆后樁”工藝和“先樁后堆”工藝，可以綜合考慮地基承載力、施工環境影響范圍、工期等因素的權重來選擇較好符合工程的施工工藝。

5 結論

基于某軟基處理項目開展現場試驗，進行了“先堆后樁”與“先樁后堆”兩種不同軟基處理方式的試驗，探究了工藝上的差異對軟基處理效果的影響，主要有以下幾方面的結論。

(1)經過兩種施工工藝處理后的水泥攪拌樁強度相差不大，“先樁后堆”工藝的樁體強度稍低，但都滿足設計要求。

(2)“先堆后樁”工藝處理后的樁間土強度要優于“先樁后堆”工藝，但“先堆后樁”工藝需要進行長時間的前期堆載預壓工作，工期相對較長。

(3)兩種施工工藝對周圍環境的影響相差較大，在距堆載邊界相同距離的監測點，“先堆后樁”工藝的最大水平位移量是“先樁后堆”工藝的1.88倍，“先樁后堆”工藝對周圍環境影響較小，更能體現工程建設的環境友好性。

總的來說，“先堆后樁”工藝承載力較強，但工期長，對周圍環境影響大；“先樁后堆”工藝能滿足一定的承載力，施工效率高，節約工期，能弱化堆載對周圍環境(如地下管道、附近重要建筑物等)的影響作用。該工藝在處理軟土地基方面具有一定的應用價值，建議在非重要建筑物的軟土地基處理中可以考慮采取“先樁后堆”工藝。