水泥攪拌樁在沿海地區道路軟基中的應用

張兵兵

（廈門市市政工程設計院有限公司，福建 廈門 361006）

0 項目概述

中興街（錦川小區段）位于泉州市泉港區山腰街道，西起驛峰中路，向東止于縱一路，道路全長664 m，為城市主干路，設計行車速度40 km/h，道路紅線寬度為50 m與40 m，四幅路與一幅路形式，雙向六車道標準，水泥混凝土路面。主要建設內容有道路、市政管線及其他附屬工程。

1 工程地質情況及分析

1.1 工程地質情況

項目東北側為錦川小區，地形較平坦，現狀高程為5.0 m～6.0 m；西南側為農田及荒地，地形有一定起伏，高程為3.0 m～5.5 m，場地屬濱海平原地貌單元。中興街的路面設計高程為5.1 m～6.3 m。

場地上覆第四系人工填土、海積層，下伏花崗巖風化層。根據勘察鉆探揭露，在鉆孔深度范圍內，其巖土層自上而下如下所述。

1.1.1 第四系人工填土

地層代號①-1雜填土：雜色，松散～稍密，濕～稍濕，由粉質黏土和砼、磚塊等建筑垃圾組成，塊徑為2 cm～20 cm，成分不均勻，堆填時間約1 a，平均厚度為0.7 m。

地層代號①-2素填土：褐紅色～褐黃色，稍濕，松散～稍密，以粉粘粒為主，含砂、碎塊石等，粒徑為2 cm～10 cm，均勻較差，堆填時間約1 a，平均厚度1.4 m。

①-2素填土：褐紅色～褐黃色，稍濕，松散～稍密，以粉黏粒為主，含砂、碎塊石等，粒徑為2 cm～10 cm，均勻較差，堆填時間約1 a，平均厚度為1.4 m。素填土天然快剪C=16.0 kPa，Φ=11.0 °。

1.1.2 第四系海積層

地層代號②-1粉質黏土：灰褐～灰黑色，可塑，濕，以粉粘粒為主，砂質成分含量為15%～20%，干強度及韌性較高，稍有光澤，無搖震反應，切面較光滑，平均厚度為1.4 m。粉質黏土承載力fa0=140 kPa。

地層代號②-2淤泥：灰黑色，流塑，飽和，以粉、粘粒為主，粉細砂含量約10%～15%，富含有機質、腐殖質，具腥臭味，污手，干強度及韌性中等，稍有光澤，無搖震反應，切面較光滑，平均厚度為12 m。淤泥承載力fa0=50 kPa。

地層代號②-3粉質黏土：灰黃色，可塑，濕，以粉粘粒為主，砂質成分含量為15%～20%，干強度及韌性較高，稍有光澤，無搖震反應，切面較光滑，平均厚度為3.8 m。粉質黏土承載力fa0=170 kPa。

地層代號②-4中砂：灰黑～灰黃色，稍密～中密，飽和，粒徑大于0.25 mm顆粒約占總質量的60%～80%，粒間以粉粘粒充填為主，含泥量約10%～15%，分選性較好，級配較差，平均厚度為2.1 m。中砂承載力fa0=180 kPa。

1.1.3 燕山早期花崗巖

③-1全風化花崗巖：灰黃色～黃褐色，中粗粒結構，散體狀構造，原巖結構依稀可見，巖體極破碎，巖芯呈砂土狀，手捏易散，遇水易軟化，屬極軟巖，平均厚度為3.9 m。

1.2 工程地質分析

項目存在深厚的淤泥層，該軟土層天然孔隙比大于1.0，天然含水率大于液限、具有高壓縮性、低強度、高靈敏度、低透水性和高流變性等特點。

對項目進行整體沉降分析，主要分為以下2個部分：1）為了不進行地基處理，直接填挖修筑道路，不考慮施工期的沉降，道路荷載考慮路基路面荷載以及運營車輛荷載。2） 為了不進行地基處理，直接填挖修筑道路，同時考慮施工期的沉降，道路荷載考慮路基路面荷載與運營車輛荷載，以及施工機械荷載，分析最終的沉降結果。

由于道路兩側地塊先于該項目或者同期填筑施工，道路與周邊的場平高程基本相同，因此不考慮道路的整體穩定性。

經過分析，如果不進行地基處理，該項目道路的整體沉降均超過0.3 m，不滿足規范及道路使用要求，所以需要進行地基處理。

2 處理原則與技術指標

2.1 處理原則

軟土地基的處理對于道路建成后的使用質量至關重要，綜合考慮項目所在地的自然條件及項目的工程地質與水文情況、道路及管線的工后沉降要求等因素，合理選材、方便施工，并結合當地條件和實踐經驗，力求選用技術經濟合理、綜合效果較好的地基處理方案。

2.2 技術指標

道路軟土路基主要控制2個指標。1）路基的容許工后變形。2）路基的承載力指標（復合地基承載力和單樁承載力）。該項目根據規范要求以及設計情況，合理地確定技術指標：容許工后變形（管線區域）≤0.2 m，允許工后變形（管線區域外的路基）≤0.3 m，復核地基承載力≥100 kPa，單樁承載力≥120 kN。

3 處理方案的確定與加固原理

3.1 處理方案的確定

根據上述的處理原則及需要達到的技術指標，將以下幾種處理方案進行對比：挖除換填法（不適用于厚淤泥層）；強夯置換法（對周邊已建小區建筑影響大）；堆載預壓或真空預壓加塑料排水板（工期長）；剛性樁（造價高）均不適合在該項目使用。水泥攪拌樁加固深度深、對周邊建筑影響小、工期快、造價經濟，所以適用于該項目的軟土處理[1]。

3.2 水泥攪拌樁的加固原理

水泥攪拌樁是用固化劑水泥漿與外加劑通過專用的攪拌機械輸送到軟弱土層中，并充分攪動拌和，固化劑與軟弱土層之間產生了一系列物理化學反應，從而改變原狀土的結構，使其硬結成為具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥土固化材料。

水泥攪拌樁的加固原理主要是通過水泥的水解反應和水化反應（水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣和硫酸鈣等，與軟土中的水反應，生成一系列的化合物，如氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等）；水泥的各種水化物生成后，有的水化物自身繼續硬化，從而形成水泥石骨架，有的水化物與周圍具有一定活性的粘土顆粒進行離子交換，通過凝結反應、團粒化作用以及碳酸化作用等一系列化學反應，從而形成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥土樁體。

4 水泥攪拌樁的設計參數

4.1 水泥攪拌樁樁徑與樁間距的確定

根據規范要求及計算結果，確定樁徑采用0.6 m，樁間距采用1.4 m，樁的布置方式采用等邊三角形布置。

4.2 單樁承載力與復合地基承載力的計算

在該項目的計算過程中，分別對每個斷面進行了力學計算，現僅列出最不利位置樁基復核的結果。

單樁承載力計算：水泥攪拌樁90 d無側限抗壓強度fcu不小于1.8 MPa，通過計算水泥攪拌樁周邊土體和樁端土體的抗力所提供的單樁承載力和水泥攪拌樁樁身材料強度確定的單樁承載力，最終采用2種計算結果較小值。水泥攪拌樁周邊土體和樁端土體的抗力所提供的單樁承載力Ra1=up×qs×l+a×Ap×fk=389.811 kN（式中up為樁的周長、qs為樁周土的側阻力特征值、l為土層的厚度、a為樁端地基土的承載力折減系數、Ap為樁的截面積、fs為樁端地基土承載力特征值）；水泥攪拌樁樁身材料強度確定的單樁承載力Ra2=η×fcu×Ap=127.23 kN（式中η為樁身強度折減系數、fcu為水泥攪拌樁90 d無側限抗壓強度、Ap為樁的截面積）。

復合地基承載力的計算如公式（1）所示。

式中：fspk為復合地基承載力；m為樁土面積置換率；Ra為單樁承載力；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數；fsk為處理后樁間土承載力。根據計算結果，單樁承載力和復合地基承載力均滿足設計要求。

4.3 樁頂褥墊層設計

考慮到水泥攪拌樁和淤泥的力學性質差別較大，并且道路下布置市政管線，為保證復合地基的整體受力性能，所以在樁頂設置50 cm碎石墊層，并且碎石墊層中每隔一段距離設置碎石反濾包，通過φ400 mmPE管就近接入雨水井，PE管坡向雨水檢查井≥3%，從而也起到排水的效果，如圖1所示。

4.4 沉降分析

地基總沉降計算方法采用經驗系數法，主固結沉降計算方法采用e-p曲線法，沉降修正系數采用1.1，沉降計算的分層厚度采用 0.50 m，壓縮層厚度判斷應力比采用15%。

路面竣工時，地基沉降為0.101 m；路面竣工后，基準期內的殘余沉降為0.199 m；基準期結束時，地基沉降為0.300 m；最終地基總沉降為0.392 m。

根據計算結果，路基的容許工后變形滿足設計要求。

4.5 管基與井底等特殊部位的處理

該項目的雨水、污水管管底高程低于復合地基頂面高程，且管徑較大，為了保證管底有足夠的承載力，同時減少路基沉降對管道的不利影響，在管底至少應該保證有3根水泥攪拌樁形成復合地基來承載管道，管道檢查井井底也采用同樣的處理方式，如圖2所示。

5 水泥攪拌樁的施工方法及質量控制要點

水泥攪拌樁的施工方法如下：1） 整平場地，暴曬；采用兩噴四攪工藝打入水泥攪拌樁；待復合地基滿足要求，檢測合格后，再進行管線及路基路面施工。2）施工流程：定位→預攪下沉→制備水泥漿→提升噴漿和攪拌→重復上下攪拌→清洗→移位→施工下一根樁。樁基施工后回填50 cm厚的碎石墊層并整平壓實，同步設置土工格柵。

圖1 碎石墊層排水措施平面示意圖

圖2 管基處理橫斷面布置圖

水泥攪拌樁的質量控制要點有12個：1） 水泥摻入量按加固土室內配合比的實驗結果選擇，可以先按照14%～16%進行試配，施工前宜作配合比試驗來確定水泥摻入量。2） 水泥攪拌樁在施工前，必須進行試樁試驗，數量不少于6根，以校核機具性能及施工參數，主要包括灰漿稠度、工作壓力、鉆進和提升速度等參數，并了解下鉆及提升的阻力情況，以便采取相應的措施。3） 施工前應做好場地清理及場地排水工作。4） 復攪次數為2次，攪拌鉆進速度宜為0.8 m/min～1.0 m/min，攪拌提升速度宜為0.5 m/min～0.8 m/min。5）注漿泵出口壓力應保持在0.4 MPa～0.6 MPa，水泥漿液水灰比宜采用0.45～0.55。6） 停漿面應高于樁頂不少于50 cm，成樁后人工挖除樁端。7）如果水泥攪拌樁位置與地下管線及其他構造物有沖突時，應注意避讓。8） 采用的水泥為42.5級的普通硅酸鹽水泥，采用飲用水，使用非飲用水需控制硫酸鹽和含鹽量，pH值≥4。9） 施工過程應保持攪拌樁機底盤的水平與導向架的豎直，單樁的樁位允許偏差為樁徑的±40%，樁身的垂直度允許偏差應為±1%，成樁直徑和樁長不得小于設計值。10） 在施工中應該定期檢查槳葉的尺寸，鉆頭直徑損耗≤1 cm。11）制備好的水泥漿液不能離析，泵送過程必須連續，拌制水泥漿液的罐數、固化劑和外摻劑的用量以及泵送漿液的時間等應有專人記錄。12） 施工中因故停漿時，應將攪拌頭下沉至停漿面以下0.5 m，待恢復供漿后再噴漿提升。當停機超過3 h時，為了防止漿液硬結堵管，應拆卸輸漿管路，清洗后才能繼續施工[2]。

6 水泥攪拌樁的質量檢驗

6.1 水泥攪拌樁的檢驗要求

水泥攪拌樁復合地基質量檢驗是保證工程成功的必要步驟，其應貫穿于施工的全過程，并應當堅持施工全過程的監理。

在施工期間主要檢驗水泥攪拌樁的樁位、樁頂與樁底標高、樁身垂直度、樁身水泥摻入量、水泥標號、攪拌頭上提與下降的速度、外摻劑的選用、漿液水灰比以及水泥漿液的均勻性等。

施工后主要對水泥攪拌樁進行鉆探取芯試驗、單樁載荷試驗和復合地基載荷試驗等，并且應該進行沉降觀測。1） 在成樁28 d后進行鉆探取芯，即用鉆孔方法連續取出水泥攪拌樁樁芯，取出的芯樣用鋸、刀切割成試塊。抽檢頻率為總樁數的1%～2%，取芯位置宜在樁直徑2/5處。應將代表性芯樣應加工成直徑φx高度h=50mm×100mm的圓柱體，進行無側限抗壓強度試驗。強度值應該達到設計要求，并根據取芯芯樣對樁的均勻性和完整性進行檢查。2） 在成樁28 d或90 d后進行載荷試驗，檢驗單樁承載力和復合地基承載力。對于承受垂直荷載的水泥攪拌樁，荷載試驗是最可靠的質量檢驗方法，在單樁復核地基荷載試驗中，荷載板應有足夠的剛度，其大小應根據設計置換率來確定，即荷載板面積應為一根樁所承擔的處理面積。抽檢頻率為總樁數的0.3%～0.5%，且不應少于3處。測定的承載力應達到設計要求。3） 其余項目的檢驗要求見表1。

表1 水泥攪拌樁質量標準

6.2 路基沉降及穩定觀測

沉降和穩定觀測是控制路堤穩定的有效方法。根據軟基處理的經驗，對沉降及位移觀測點的布設提出如下要求：每隔100 m設路中沉降板和兩側路基邊線沉降板，穩定性較差段落設兩側位移邊樁。施工期間按路堤中心線地面沉降速率每晝夜≤10 mm、坡腳水平位移速率每晝夜≤5 mm控制路堤穩定性。路面鋪筑必須待沉降穩定后進行。沉降穩定的標準應采用雙標準控制，即推算的工后沉降應小于設計容許值，同時連續2個月觀測每月沉降不超過5 mm。

7 結語

沿海地區道路中普遍存在軟弱土層，軟土層具有高壓縮性、低強度、高靈敏度、低透水性和高流變性等特點，如果不加以處理，會導致后續道路的沉降大、穩定性差。水泥攪拌樁加固深度大、對周邊建筑影響小、工期快、造價經濟，所以較為適用于該區域的軟土層處理。根據規范與計算合理確定水泥攪拌樁的樁徑與樁間距、單樁承載力與復合地基承載力等設計參數，并在樁頂設置褥墊層，保證復合地基的整體受力性能，從而更好地控制路基的工后變形量并且應該規范施工全過程，對水泥摻入量、注漿泵出口壓力、水泥漿液水灰比、攪拌頭上提與下降的速度、水泥漿液的均勻性等進行控制，再對水泥攪拌樁進行相關檢測，保證水泥攪拌樁對軟土路基進行有效地處理。