水泥土搅拌桩在滨海地区软基处理中应用研究——以福州滨海新城屿中路软基处理项目为案例

张 华

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

0 引言

水泥土搅拌桩是将水泥作为固化剂，通过深层搅拌设备将水泥与地基土搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，形成竖向增强体的优质地基的一种地基处理方法。水泥土搅拌桩具有造价低、处理效果好、工期短、设备简单等优点，广泛应用于我国各类软土地区地基加固和基坑支护中。根据规范，水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、素填土、粘性土、粉土、粉细砂、中粗砂、饱和黄土等土层，适用范围广。

滨海地区广泛分布海相和潮相沉积的软土地质。在软土地区修建道路首先应解决软土地基问题。相对其他软土地区来说，滨海软土存在含水量高、软土层厚、有机质含量、氯离子、硫酸根离子含量高等特性。若处理不当，将给公路工程建设带来安全隐患。

基于此，本文通过福州滨海道路软基处理具体案例，论证水泥土搅拌桩在福州滨海地区软土处理中的可行性，并探讨水泥土搅拌桩在滨海地区应用需要注意的问题，为类似工程提供参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

福州滨海新城屿中路(东南快速～万新路)道路工程地处古槐镇与文武砂镇，位于福州市滨海新城东南大数据产业园西片区内，南北向贯穿天大福州国际校区，项目设计长度1692.362m，红线宽度40m。道路起点接东南快速路，向北延伸，沿线相交主次干路分别有金滨路、南港西路等，终点止于万新路。

屿中路道路等级为次干路，设计车速为40km/h。

1.2 地质概况

拟建场地地势稍有起伏，沿线主要为田地、渔塘、河道、水沟、土路、菜地等。根据现场踏勘及参考当地工程地质经验，拟建场地地貌单元主要属冲海积、淤积平原。

根据野外钻探揭示岩土芯鉴别，场地岩土层按其成因、力学强度不同划分工程地质层，各岩土层特征如下：

①杂填土：浅灰色，松散为主，主要成分为粘性土，层厚度0.40m～1.60m。

②粉质粘土：局部为粘土，灰黄色，湿，可塑为主，揭示厚度0.50m～1.60m。

③淤泥质土：局部为淤泥，深灰色，饱和，流塑，含腐殖质，有臭味，厚度不均匀，层厚度1.70m～8.70m。

④(含泥)粉砂：灰色，褐黄色，稍密为主，局部松散、中密，主要由细粒石英砂组成，不均匀系数1.79，曲率系数0.86，颗粒级配不良。层厚度3.10m～14.50m。

④-1淤泥质土：深灰色，饱和，流塑，含腐殖质，有臭味，层厚度1.90m～3.90m。

⑤淤泥质土：局部为淤泥，深灰色，饱和，流塑，含腐殖质，有臭味，层厚度2.50m～14.10m。

⑥(含泥)砾砂：灰黄色、浅灰色，中密为主，局部呈稍密状，饱和，含泥不均。层厚度为0.70m～3.90m。

⑦淤泥质土：局部为淤泥，深灰色，饱和，流塑，含腐殖质，有臭味，局部为淤泥，层厚度1.70m～11.30m。

⑧粉质粘土：灰黄色，湿，可塑为主，揭示厚度1.00m～6.00m。

⑨残积砂质粘性土：局部为残积砾质粘性土，褐黄色，可塑为主，层厚度4.00m～13.50m。

⑩全风化花岗岩：浅灰、灰黄色，硬塑，湿，层厚度7.50m～16.10m。

根据上述地层情况，该场地地层属于不均匀地基，水平及垂直向变化较大，均匀性较差；基岩中未发现洞穴、临空面、破碎岩体或软弱岩层。

2 软基处理方案

2.1 软基特点及方法选择

该工程表层为1.0m～3.2m杂填土和粉质黏土，下卧层为1.7m～12.6m厚的淤泥质土，再下层为粉质黏土等较硬土层。因此，该工程以控制沉降为主。

根据地质条件和使用要求，该地基处理方式有：预压法、强夯法、水泥土搅拌桩法、旋喷桩法、CFG桩法等。其中：

(1)预压法可达到工后沉降小于30cm，承载力不小于60kPa的处理目标，但需先将表层1.0m～3.2m的表土运走后再施工，工程单价较高。

(2)强夯法不宜用于软土层厚度大的区域。经计算，该工程采用强夯法工后沉降大，无法满足要求。

(3)水泥土搅拌桩法、旋喷桩法、CFG桩法等均适用于该工程。其中，CFG桩适用于加固十字板抗剪强度不小于20kPa的软土地基，水泥土搅拌桩适用于加固十字板抗剪强度10kPa的软土地基。该工程淤泥质土的十字板抗剪强度10～12kPa。因此，初步选定采用水泥土搅拌桩法。

2.2 理论计算方法

按照建筑地基处理技术规范(JGJ 79-2012)，水泥搅拌桩的单桩承载力特征值Ra为：

Ra=ηfcuAp

(1)

(2)

式中：η为桩身强度折减系数；

fcu为加固土试块在90d标准养护条件下的立方体抗压强度平均值(kPa)；

Ap为桩的截面面积(m2)；

up为桩的周长(m)；

qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值(kPa)；

lpi为桩长范围内第i层土的厚度；

αp为桩端端阻力发挥系数，取0.4～0.6；

qp为桩端端阻力特征值(kPa)，取未修正的桩端地基土承载力特征值。

复合地基承载力特征值fspk为：

(3)

式中：λ为单桩承载力发挥系数；

m为面积置换率；

β为桩间土承载力发挥系数；

fsk为处理后桩间土承载力特征值。

复合压缩模量Epa为：

Epa=mEpa+(1-m)Es

(4)

式中：Ep为桩体压缩模量(MPa)；

Es为土体压缩模量(MPa)。

总沉降量S为：

S=msSc

(5)

式中：ms为沉降系数，与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素有关；

Sc为主固结沉降。

2.3 计算条件

采用理正软土地基路堤设计软件计算。路堤设计高度3.88m，分两次加荷：第一次填土高度3.18m，时间9个月；第二次填土高度0.7m，时间12个月。土层性质如表1所示。地下水位埋深为-1.0m。主固结沉降采用e-p曲线法计算，沉降修正系数取1.2，分层厚度0.5m。稳定计算采用有效固结应力法，条分法的土条宽度为1.0m。

表1 土层性质

2.4 设计方案

根据采用水泥搅拌桩处理，等边三角形布置，桩间距为1.5m，桩长需进入粉细砂2m，桩长约5m～8m。沉降和稳定计算结果满足规范要求(表2～表3)。由表2、表3可见，采用水泥土搅拌桩处理滨海软土地基满足要求。

表2 沉降计算结果 m

表3 稳定计算结果

2.5 复合地基现场测试

图1为搅拌桩取芯照片，图2为静载荷板试验结果。试验结果表明，该方案切实可行，达到了预期效果。

图1 水泥土搅拌桩取芯法检测

(a)P-S曲线 (b)S-lg(t)曲线图2 静载荷板试验结果

3 工程实践反思

水泥土搅拌桩在滨海地区软土路基加固中应用时候，应注意以下问题：

(1)软土层有机质含量：有机质含量是影响水泥土搅拌桩成桩效果的关键因素之一。当有机质含量超过5%，水泥可能出现无法凝固或后期崩解的情况。究其原因，一方面是有机质中的富里酸与水泥矿物吸附，缓解水泥水化进程；另一方面是有机质中的富里酸和胡敏酸会使水化铝酸钙、水化硫铝酸钙及水化铁铝酸钙等水化产物解体，破坏水泥土结构[1]。因此，在滨海地区采用水泥土搅拌桩加固时，应重点关注软土有机质含量，分析水泥土搅拌桩的可行性。

(2)海水硫酸根离子的浓度：海水中的硫酸根离子对水泥水化产物具有较强的侵蚀性。硫酸根离子会与水泥水化产物氢氧化钙发生化学反应，生产石膏，使水泥土体积膨胀、松动破坏，甚至崩解。特别是当镁离子和硫酸根离子共同存在时，会分解具有较强胶凝性的水化硅酸钙，具有较长的腐蚀性[2]。因此按照规范，在pH小于4的酸性土或在腐蚀性环境中，必须通过现场和室内试验确定水泥土搅拌桩的适用性。

(3)含水量影响：滨海软土含水量与水泥土抗压强度呈反比。研究表明，当土中含水量超过30%时，每增加10%含水量，水泥土强度降低10%～20%[3]。因此，在高含水量的滨海软土地区，采用粉体搅拌法加固的效果优于浆液搅拌法，施工时应采用粉体搅拌法工艺。该工程淤泥质土的含水量为51.7%，进行不同水泥掺量的水泥土无侧限抗压强度试验，结果如表4所示。

表4 不同水泥掺量的水泥土无侧限抗压强度试验结果

经配合比试验，水泥掺量取20%，水灰比0.55，测试90d水泥土抗压强度为3.50MPa，符合设计要求。经实测复合地质承载力特征值为87.5kPa，符合设计要求。

(4)龄期问题：设计上通常采用90d的水泥土立方体抗压强度平均值作为水泥土强度，然而，滨海自然环境条件特殊，采用90d龄期强度难以准确反映单桩承载力。因此，应对不同龄期的水泥土试块进行试验，从而确定合理的强度参数。

4 结语

本文通过福州滨海新城具体道路实例，分析了水泥土搅拌桩在滨海软基处理中应用的可行性，并基此反思了水泥土搅拌桩在滨海地区软土路基加固中应注意有机质含量、硫酸根离子含量、含水量、龄期等问题，可为同类工程提供一定参考。