水泥搅拌桩在沿海地区道路软基中的应用

张兵兵

（厦门市市政工程设计院有限公司，福建 厦门 361006）

0 项目概述

中兴街（锦川小区段）位于泉州市泉港区山腰街道，西起驿峰中路，向东止于纵一路，道路全长664 m，为城市主干路，设计行车速度40 km/h，道路红线宽度为50 m与40 m，四幅路与一幅路形式，双向六车道标准，水泥混凝土路面。主要建设内容有道路、市政管线及其他附属工程。

1 工程地质情况及分析

1.1 工程地质情况

项目东北侧为锦川小区，地形较平坦，现状高程为5.0 m～6.0 m；西南侧为农田及荒地，地形有一定起伏，高程为3.0 m～5.5 m，场地属滨海平原地貌单元。中兴街的路面设计高程为5.1 m～6.3 m。

场地上覆第四系人工填土、海积层，下伏花岗岩风化层。根据勘察钻探揭露，在钻孔深度范围内，其岩土层自上而下如下所述。

1.1.1 第四系人工填土

地层代号①-1杂填土：杂色，松散～稍密，湿～稍湿，由粉质黏土和砼、砖块等建筑垃圾组成，块径为2 cm～20 cm，成分不均匀，堆填时间约1 a，平均厚度为0.7 m。

地层代号①-2素填土：褐红色～褐黄色，稍湿，松散～稍密，以粉粘粒为主，含砂、碎块石等，粒径为2 cm～10 cm，均匀较差，堆填时间约1 a，平均厚度1.4 m。

①-2素填土：褐红色～褐黄色，稍湿，松散～稍密，以粉黏粒为主，含砂、碎块石等，粒径为2 cm～10 cm，均匀较差，堆填时间约1 a，平均厚度为1.4 m。素填土天然快剪C=16.0 kPa，Φ=11.0 °。

1.1.2 第四系海积层

地层代号②-1粉质黏土：灰褐～灰黑色，可塑，湿，以粉粘粒为主，砂质成分含量为15%～20%，干强度及韧性较高，稍有光泽，无摇震反应，切面较光滑，平均厚度为1.4 m。粉质黏土承载力fa0=140 kPa。

地层代号②-2淤泥：灰黑色，流塑，饱和，以粉、粘粒为主，粉细砂含量约10%～15%，富含有机质、腐殖质，具腥臭味，污手，干强度及韧性中等，稍有光泽，无摇震反应，切面较光滑，平均厚度为12 m。淤泥承载力fa0=50 kPa。

地层代号②-3粉质黏土：灰黄色，可塑，湿，以粉粘粒为主，砂质成分含量为15%～20%，干强度及韧性较高，稍有光泽，无摇震反应，切面较光滑，平均厚度为3.8 m。粉质黏土承载力fa0=170 kPa。

地层代号②-4中砂：灰黑～灰黄色，稍密～中密，饱和，粒径大于0.25 mm颗粒约占总质量的60%～80%，粒间以粉粘粒充填为主，含泥量约10%～15%，分选性较好，级配较差，平均厚度为2.1 m。中砂承载力fa0=180 kPa。

1.1.3 燕山早期花岗岩

③-1全风化花岗岩：灰黄色～黄褐色，中粗粒结构，散体状构造，原岩结构依稀可见，岩体极破碎，岩芯呈砂土状，手捏易散，遇水易软化，属极软岩，平均厚度为3.9 m。

1.2 工程地质分析

项目存在深厚的淤泥层，该软土层天然孔隙比大于1.0，天然含水率大于液限、具有高压缩性、低强度、高灵敏度、低透水性和高流变性等特点。

对项目进行整体沉降分析，主要分为以下2个部分：1）为了不进行地基处理，直接填挖修筑道路，不考虑施工期的沉降，道路荷载考虑路基路面荷载以及运营车辆荷载。2） 为了不进行地基处理，直接填挖修筑道路，同时考虑施工期的沉降，道路荷载考虑路基路面荷载与运营车辆荷载，以及施工机械荷载，分析最终的沉降结果。

由于道路两侧地块先于该项目或者同期填筑施工，道路与周边的场平高程基本相同，因此不考虑道路的整体稳定性。

经过分析，如果不进行地基处理，该项目道路的整体沉降均超过0.3 m，不满足规范及道路使用要求，所以需要进行地基处理。

2 处理原则与技术指标

2.1 处理原则

软土地基的处理对于道路建成后的使用质量至关重要，综合考虑项目所在地的自然条件及项目的工程地质与水文情况、道路及管线的工后沉降要求等因素，合理选材、方便施工，并结合当地条件和实践经验，力求选用技术经济合理、综合效果较好的地基处理方案。

2.2 技术指标

道路软土路基主要控制2个指标。1）路基的容许工后变形。2）路基的承载力指标（复合地基承载力和单桩承载力）。该项目根据规范要求以及设计情况，合理地确定技术指标：容许工后变形（管线区域）≤0.2 m，允许工后变形（管线区域外的路基）≤0.3 m，复核地基承载力≥100 kPa，单桩承载力≥120 kN。

3 处理方案的确定与加固原理

3.1 处理方案的确定

根据上述的处理原则及需要达到的技术指标，将以下几种处理方案进行对比：挖除换填法（不适用于厚淤泥层）；强夯置换法（对周边已建小区建筑影响大）；堆载预压或真空预压加塑料排水板（工期长）；刚性桩（造价高）均不适合在该项目使用。水泥搅拌桩加固深度深、对周边建筑影响小、工期快、造价经济，所以适用于该项目的软土处理[1]。

3.2 水泥搅拌桩的加固原理

水泥搅拌桩是用固化剂水泥浆与外加剂通过专用的搅拌机械输送到软弱土层中，并充分搅动拌和，固化剂与软弱土层之间产生了一系列物理化学反应，从而改变原状土的结构，使其硬结成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土固化材料。

水泥搅拌桩的加固原理主要是通过水泥的水解反应和水化反应（水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙和硫酸钙等，与软土中的水反应，生成一系列的化合物，如氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等）；水泥的各种水化物生成后，有的水化物自身继续硬化，从而形成水泥石骨架，有的水化物与周围具有一定活性的粘土颗粒进行离子交换，通过凝结反应、团粒化作用以及碳酸化作用等一系列化学反应，从而形成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。

4 水泥搅拌桩的设计参数

4.1 水泥搅拌桩桩径与桩间距的确定

根据规范要求及计算结果，确定桩径采用0.6 m，桩间距采用1.4 m，桩的布置方式采用等边三角形布置。

4.2 单桩承载力与复合地基承载力的计算

在该项目的计算过程中，分别对每个断面进行了力学计算，现仅列出最不利位置桩基复核的结果。

单桩承载力计算：水泥搅拌桩90 d无侧限抗压强度fcu不小于1.8 MPa，通过计算水泥搅拌桩周边土体和桩端土体的抗力所提供的单桩承载力和水泥搅拌桩桩身材料强度确定的单桩承载力，最终采用2种计算结果较小值。水泥搅拌桩周边土体和桩端土体的抗力所提供的单桩承载力Ra1=up×qs×l+a×Ap×fk=389.811 kN（式中up为桩的周长、qs为桩周土的侧阻力特征值、l为土层的厚度、a为桩端地基土的承载力折减系数、Ap为桩的截面积、fs为桩端地基土承载力特征值）；水泥搅拌桩桩身材料强度确定的单桩承载力Ra2=η×fcu×Ap=127.23 kN（式中η为桩身强度折减系数、fcu为水泥搅拌桩90 d无侧限抗压强度、Ap为桩的截面积）。

复合地基承载力的计算如公式（1）所示。

式中：fspk为复合地基承载力；m为桩土面积置换率；Ra为单桩承载力；Ap为桩的截面积；β为桩间土承载力折减系数；fsk为处理后桩间土承载力。根据计算结果，单桩承载力和复合地基承载力均满足设计要求。

4.3 桩顶褥垫层设计

考虑到水泥搅拌桩和淤泥的力学性质差别较大，并且道路下布置市政管线，为保证复合地基的整体受力性能，所以在桩顶设置50 cm碎石垫层，并且碎石垫层中每隔一段距离设置碎石反滤包，通过φ400 mmPE管就近接入雨水井，PE管坡向雨水检查井≥3%，从而也起到排水的效果，如图1所示。

4.4 沉降分析

地基总沉降计算方法采用经验系数法，主固结沉降计算方法采用e-p曲线法，沉降修正系数采用1.1，沉降计算的分层厚度采用 0.50 m，压缩层厚度判断应力比采用15%。

路面竣工时，地基沉降为0.101 m；路面竣工后，基准期内的残余沉降为0.199 m；基准期结束时，地基沉降为0.300 m；最终地基总沉降为0.392 m。

根据计算结果，路基的容许工后变形满足设计要求。

4.5 管基与井底等特殊部位的处理

该项目的雨水、污水管管底高程低于复合地基顶面高程，且管径较大，为了保证管底有足够的承载力，同时减少路基沉降对管道的不利影响，在管底至少应该保证有3根水泥搅拌桩形成复合地基来承载管道，管道检查井井底也采用同样的处理方式，如图2所示。

5 水泥搅拌桩的施工方法及质量控制要点

水泥搅拌桩的施工方法如下：1） 整平场地，暴晒；采用两喷四搅工艺打入水泥搅拌桩；待复合地基满足要求，检测合格后，再进行管线及路基路面施工。2）施工流程：定位→预搅下沉→制备水泥浆→提升喷浆和搅拌→重复上下搅拌→清洗→移位→施工下一根桩。桩基施工后回填50 cm厚的碎石垫层并整平压实，同步设置土工格栅。

图1 碎石垫层排水措施平面示意图

图2 管基处理横断面布置图

水泥搅拌桩的质量控制要点有12个：1） 水泥掺入量按加固土室内配合比的实验结果选择，可以先按照14%～16%进行试配，施工前宜作配合比试验来确定水泥掺入量。2） 水泥搅拌桩在施工前，必须进行试桩试验，数量不少于6根，以校核机具性能及施工参数，主要包括灰浆稠度、工作压力、钻进和提升速度等参数，并了解下钻及提升的阻力情况，以便采取相应的措施。3） 施工前应做好场地清理及场地排水工作。4） 复搅次数为2次，搅拌钻进速度宜为0.8 m/min～1.0 m/min，搅拌提升速度宜为0.5 m/min～0.8 m/min。5）注浆泵出口压力应保持在0.4 MPa～0.6 MPa，水泥浆液水灰比宜采用0.45～0.55。6） 停浆面应高于桩顶不少于50 cm，成桩后人工挖除桩端。7）如果水泥搅拌桩位置与地下管线及其他构造物有冲突时，应注意避让。8） 采用的水泥为42.5级的普通硅酸盐水泥，采用饮用水，使用非饮用水需控制硫酸盐和含盐量，pH值≥4。9） 施工过程应保持搅拌桩机底盘的水平与导向架的竖直，单桩的桩位允许偏差为桩径的±40%，桩身的垂直度允许偏差应为±1%，成桩直径和桩长不得小于设计值。10） 在施工中应该定期检查桨叶的尺寸，钻头直径损耗≤1 cm。11）制备好的水泥浆液不能离析，泵送过程必须连续，拌制水泥浆液的罐数、固化剂和外掺剂的用量以及泵送浆液的时间等应有专人记录。12） 施工中因故停浆时，应将搅拌头下沉至停浆面以下0.5 m，待恢复供浆后再喷浆提升。当停机超过3 h时，为了防止浆液硬结堵管，应拆卸输浆管路，清洗后才能继续施工[2]。

6 水泥搅拌桩的质量检验

6.1 水泥搅拌桩的检验要求

水泥搅拌桩复合地基质量检验是保证工程成功的必要步骤，其应贯穿于施工的全过程，并应当坚持施工全过程的监理。

在施工期间主要检验水泥搅拌桩的桩位、桩顶与桩底标高、桩身垂直度、桩身水泥掺入量、水泥标号、搅拌头上提与下降的速度、外掺剂的选用、浆液水灰比以及水泥浆液的均匀性等。

施工后主要对水泥搅拌桩进行钻探取芯试验、单桩载荷试验和复合地基载荷试验等，并且应该进行沉降观测。1） 在成桩28 d后进行钻探取芯，即用钻孔方法连续取出水泥搅拌桩桩芯，取出的芯样用锯、刀切割成试块。抽检频率为总桩数的1%～2%，取芯位置宜在桩直径2/5处。应将代表性芯样应加工成直径φx高度h=50mm×100mm的圆柱体，进行无侧限抗压强度试验。强度值应该达到设计要求，并根据取芯芯样对桩的均匀性和完整性进行检查。2） 在成桩28 d或90 d后进行载荷试验，检验单桩承载力和复合地基承载力。对于承受垂直荷载的水泥搅拌桩，荷载试验是最可靠的质量检验方法，在单桩复核地基荷载试验中，荷载板应有足够的刚度，其大小应根据设计置换率来确定，即荷载板面积应为一根桩所承担的处理面积。抽检频率为总桩数的0.3%～0.5%，且不应少于3处。测定的承载力应达到设计要求。3） 其余项目的检验要求见表1。

表1 水泥搅拌桩质量标准

6.2 路基沉降及稳定观测

沉降和稳定观测是控制路堤稳定的有效方法。根据软基处理的经验，对沉降及位移观测点的布设提出如下要求：每隔100 m设路中沉降板和两侧路基边线沉降板，稳定性较差段落设两侧位移边桩。施工期间按路堤中心线地面沉降速率每昼夜≤10 mm、坡脚水平位移速率每昼夜≤5 mm控制路堤稳定性。路面铺筑必须待沉降稳定后进行。沉降稳定的标准应采用双标准控制，即推算的工后沉降应小于设计容许值，同时连续2个月观测每月沉降不超过5 mm。

7 结语

沿海地区道路中普遍存在软弱土层，软土层具有高压缩性、低强度、高灵敏度、低透水性和高流变性等特点，如果不加以处理，会导致后续道路的沉降大、稳定性差。水泥搅拌桩加固深度大、对周边建筑影响小、工期快、造价经济，所以较为适用于该区域的软土层处理。根据规范与计算合理确定水泥搅拌桩的桩径与桩间距、单桩承载力与复合地基承载力等设计参数，并在桩顶设置褥垫层，保证复合地基的整体受力性能，从而更好地控制路基的工后变形量并且应该规范施工全过程，对水泥掺入量、注浆泵出口压力、水泥浆液水灰比、搅拌头上提与下降的速度、水泥浆液的均匀性等进行控制，再对水泥搅拌桩进行相关检测，保证水泥搅拌桩对软土路基进行有效地处理。