深層水泥攪拌樁承載特性研究進展分析

付佰勇，師啟龍

（中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京100088）

0 引言

深層水泥攪拌樁以其直徑大、自動化控制程度高等優點，在日本橋隧工程、港口工程地基加固中得到廣泛應用。我國的香港機場第三跑道、深中通道沉管隧道、韓國的釜山沉管隧道等工程中也采用了海上深層水泥攪拌樁工法。

理清深層水泥攪拌樁的受力機理與破壞模式是合理設計與工程利用的前提。深層水泥攪拌樁的長期強度與變形特征也亟待探究。圍繞這些問題，本文進行了詳細的文獻綜述與調研工作，對近年來國內外在深層水泥攪拌樁受力機理、破壞模式及強度增長方面的研究進展進行了分析，提出了未來需要關注和研究的重點。

1 受力機理及破壞模式研究進展

宋二祥等[1]結合某填海工程，就深層攪拌樁復合地基數值分析模型及作用機理進行了研究。研究表明，對于帶加筋墊層的復合地基，采用有限變形理論能較好地反映水平加筋墊層的承載作用。對于施工周期較長的工程，有必要模擬其飽和軟土的滲流固結過程，用以正確計算樁土荷載分擔及復合地基的變形。當樁與樁間土剛度相差懸殊時，路堤的工后變形將依賴于路堤內部壓力拱的長期穩定性，同時路堤運營期發生的差異沉降也需要引起重視。

CHAI Jinchun等[2]研究了日本佐賀縣深層水泥攪拌樁改良軟黏土地基上的路堤在震后2個月和強降雨1 d后的漸進破壞（圖1）。DCM樁長13 m、樁徑1.2 m、樁間距1.93 m，正方形布置，置換率30%，地層為粉質黏土。根據調查和數值模擬發現，含DCM路堤的破壞模式可能不只是滑動破壞，而是某一根DCM樁的樁體受彎（拉）破壞進而導致其他DCM樁逐步發生受彎破壞，直至整個路堤體系形成漸進式滑動坍塌破壞，然而在日本目前的設計中，并沒有要求復核DCM的受彎極限承載力。

圖1 日本佐賀某路堤DCM破壞后的情況Fig.1 DCM failure of an embankment in Saga,Japan

同時指出，對于DCM樁的滲透性，以往文獻的結果表明，DCM的滲透性可以大于、等于或小于原始土層的滲透性。對于水泥處理的Ariake黏土，在相同孔隙比條件下，隨著抗壓強度的增加，處理后DCM樁的滲透性顯著降低，其機理是火山灰反應物進入DCM樁內部，使樁的孔隙減小。利用該項目鉆孔取芯樣，測得DCM樁的孔隙比與原狀土基本相同，因此DCM樁的水平和垂直方向滲透系數（kh和kv）可以設置為周圍粉質黏土滲透系數的1/5。

日本佐賀縣在已有破碎DCM樁的情況下繼續使用DCM樁進行加固處理，在施工新的DCM樁前必須將已有的破碎DCM樁攪碎，因此選擇了EPO柱法。EPO柱法使用強力切割機，在建造DCM樁之前，可以粉碎地面以下的大石塊和其他硬物質。用EPO柱法施工的DCM樁在破壞截面處的直徑為1.6 m，相鄰樁間的直徑為2.5 m，呈正方形變化。樁長與原設計13.0 m相同，為保證達到qu的設計值，采用水泥土穩定劑，軟土中穩定劑用量為150 kg/m3，采用100%的穩定劑/水比。同時在現場進行了3組試驗樁，28 d后在試驗樁進行巖芯鉆孔。圖2為取樣樣品的qu值，幾乎所有樣品的qu值都大于600 kPa，路堤重建于2018年完成，未出現任何穩定性或變形問題。

圖2 重新施工DCM無側限抗壓強度分布Fig.2 Distribution of unconfined compressive strength of reconstructed DCM

NGUYEN Binh T.T.等[3]針對DCM樁在荷載作用下的破壞問題，提出了一種大面積淺層水泥攪拌層的加固方式，用以提高DCM加固區的穩定性和承載能力（圖3）。

圖3 淺層加固的DCM布置形式Fig.3 DCM layout of shallow reinforcement

針對路堤下淺層水泥攪拌層DCM群樁的破壞模式，通過對單樁破壞機理的研究，揭示淺層攪拌對深層水泥攪拌樁破壞形態的影響。在平面應變條件下，用PLAXIS程序進行有限元分析，得到如下主要結論：

1）沒有淺層的攪拌層，滑動破壞不是DCM變形破壞的主要機制。低強度DCM樁以彎曲破壞模式為主要的內部破壞機制，在高強度DCM樁中，傾斜破壞模式是樁變形破壞的主要機制。

2）當采用淺層攪拌層時，破壞模式為低強度樁的內部破壞，當增加淺層攪拌層厚度時，樁在連接處發生彎曲破壞。在外部破壞方面，當淺層土厚度增加時，無淺層攪拌層的傾斜破壞被滑動破壞模式所代替。

3）淺層攪拌層對存在水平位移和屈服的路堤壓力有顯著影響，特別是高強度樁。

KITAZUMED MASAKI論證說明了DCM樁破壞模式對準確評價DCM樁外部穩定的重要性[4]。指出目前日本DCM群樁地基設計方法假定了兩種破壞模式：外部穩定性中的滑動破壞和內部穩定性中的斷裂破壞，如圖4所示。通過離心模型試驗研究了改進后復合地基的內部穩定性，發現DCM樁的破壞形式有剪切破壞、彎曲破壞和拉伸破壞，這不僅取決于地基和荷載條件，還取決于DCM樁的作用位置?？紤]外部穩定性時，DCM樁會發生傾斜破壞，類似多米諾骨牌式的坍塌破壞模式，如圖5所示，而不是滑動破壞。同時采用離心模型試驗和彈塑性有限元分析相結合的方法，研究DCM群樁改良地基在路堤荷載作用下的外部穩定性，主要結論如下：

1）面積置換率的增大會降低作用在樁身的彎矩，提高內部穩定性，但對外部穩定性的提高幫助不大。

2）樁直徑的增大，能影響外部穩定性，適當搭接能增大外部穩定性。

3）對于正常固結土或上軟下硬的填土路堤，不會出現滑動破壞，在底部存在軟弱下臥層且DCM樁較短時才會發生滑動破壞。

圖4 日本現有規范中假定的破壞模式（內部穩定性）Fig.4 Failure mode assumed in the existing Japanese code(internal stability)

圖5 DCM改良地基的坍塌破壞模式Fig.5 Collapse failure mode of DCM improved foundation

2 長期強度及變形特征研究進展

HASHIMOTO Hiiiri等[5]研究了水泥攪拌樁30年的長期觀測強度特征。分析指出隨著時間的推移，深層水泥攪拌法處理后的樁的強度不斷提高，同時對施工30年后的DCM樁進行了無側限壓縮試驗、針入度試驗和pH值試驗，揭示了水泥攪拌樁的長期強度特性和表面劣化狀況。

試驗表明改良后的水泥攪拌樁的物理特性在時間上幾乎沒有變化，但是其中心強度在施工30年后仍有增加趨勢。針穿透試驗的結果表明，在水泥攪拌樁周圍30 mm范圍外，樁的強度從中心向四周呈增加趨勢，穿透5 mm位置處的水泥攪拌樁的強度大大超過了設計基準強度。

Wu Pei-chen等[6]以香港國際機場第三跑道海相黏土地層采用的DCM復合地基加固為例，通過有限元蠕變模型，對軟土地基沉降的影響及荷載傳遞機理進行研究。在荷載轉移區（LTP區），典型柱直徑為2.3 m，間距為4.8 m，面積置換率為23%，在LTP區域外，DCM置換率在30%~40%。DCM樁的長度通常為6~25 m。通過對比有無蠕變的不同模型，發現DCM樁的面積置換率與楊氏模量對復合地基的長期性能有較大影響，主要總結如下：

1）DCM樁具有良好的沉降控制效果，將荷載從軟土轉移到DCM樁上[7-8]。荷載轉移過程中會導致軟土分擔的荷載減小，從而導致DCM樁的應力集中，對于沒有蠕變的軟土，會使黏土變成蠕變應變率較小的超固結土狀態。

2）軟土和樁所承受的應力及二者的沉降會隨著面積置換率的增大而減小。

3）在面積置換率較高時（>30%），軟土蠕變效應對荷載傳遞的影響可以大幅度降低。

4）作用在軟土上的應力隨著DCM樁楊氏模量的增大而減小，而樁所承擔的應力會隨著DCM樁楊氏模量的增大而增大。軟土和DCM樁的豎向沉降也會隨著樁的楊氏模量的增大而逐漸減小。

5）DCM樁的黏聚力和內摩擦角對復合地基性能的影響不大，主要原因是樁的受力仍處于彈性范圍內。

6）土工合成材料加筋的張拉效應會隨著加筋剛度的增大而增大。

3 結語

深層水泥攪拌樁作為一種地基處理方法，其施工后的強度和剛度變化會表現出獨特的特征。破壞模式除了常規認識的剪切破壞外，還有單樁布置的類似于多米諾骨牌式的破壞模式。深層水泥攪拌樁的承載與長期蠕變特性也與置換率等因素有關，因此在橋梁和隧道工程中使用深層水泥攪拌樁時，要重點關注這些變化規律，以支撐深層水泥攪拌樁的設計與施工。