单向和双向水泥土搅拌桩软基处理效果试验研究

郝忠，王馨玉，焦慰

（1.镇江市建设工程安全监督站，江苏 镇江 212003；2.泰兴市第一建筑安装工程有限公司，江苏 泰州 225400）

0 引言

随着我国经济社会的快速发展， 交通运输及物流业增长迅猛，对道路运行能力提出更高要求。道路选线应尽量避免软土等不良地质路段， 但有时为满足线形和道路等级要求， 不得不经过软土地区，特别是东部沿海，因淤泥、淤泥质土等软土分布广泛， 软基处理成为影响公路建设工期、造价、质量及安全的重要因素。

软土普遍具有低强度、高压缩性、高含水量、高灵敏度、低渗透性等特点，在这类软基上进行建设，路基在荷载作用下产生较大的不均匀沉降，且持续时间长，直接影响行车舒适性和安全性。 目前我国公路软基处理的方式众多， 有强夯法、 换填法、排水固结法、各种桩承式路堤法（复合地基法）等。 其中水泥土搅拌桩作为一种柔性桩的桩承式路堤处理技术已被广泛应用于公路、 市政道路工程中。

1 水泥土搅拌桩特点

1.1 水泥土搅拌桩加固机理

水泥土搅拌桩实际是一种土体改良加固技术，是以水泥作为主要固化剂，采用专用搅拌机械，将固化剂与软土强制搅拌， 通过物理化学反应，在一定深度范围内形成具有一定水稳定性、强度和加固范围的承载桩体。通过固化桩体与土体形成桩承式复合地基，共同承受道路路堤荷载，控制地基及路面沉降。

1.2 水泥土搅拌桩特点

水泥土搅拌桩属于弱挤土桩，施工简单、快速、振动小，能有效减小和控制沉降，适用于软基处理，与预应力管桩等预制桩相比， 具有较好的经济性；与沉管灌注桩相比，挤土效应、震动较小，对周边环境影响小；与真空预压、塑排板等排水固结法相比，工期短、强度高、工后沉降小；与换填法相比，处理深度大。 但其也存在一些比较明显的缺点，主要适用于饱和软粘土，常规加固处理深度有限而不能用于具有深厚软土层的路段，对于桥头“跳车”等沉降控制要求高的路段加固效果显得不理想，且成桩质量不易控制。

1.3 双向水泥土搅拌桩特点

普通单向水泥土搅拌桩采用一根钻杆上设置搅拌叶片及喷浆口，通过钻杆钻进、喷浆、搅拌达到加固土体的目的。 但单向水泥土搅拌桩机下沉、提升过程中，钻杆只能单向搅拌切削土体，一是在水泥浆液固化剂随着叶片转动方向的附和效应作用下单向聚集，部分土体与浆液不能充分拌合，造成搅拌不均，桩体夹杂土块及水泥浆块，影响成桩承载力；二是钻杆进入土层后，上层土体因叶片切削作用变得松散，对下部约束作用减弱，水泥浆液在搅拌叶片螺旋升力、喷浆压力、钻杆钻进压力、土压力及超空隙水压力作用下，沿着钻杆上行，甚至出现地面冒浆，造成桩长范围内水泥含量上下分部不均，影响成桩整体性及质量。 现场取芯实验也反映出，单向水泥土搅拌桩沿桩长范围内的桩体强度离散型较大。

双向水泥土搅拌桩则是利用内、外同心钻杆上分别设置的搅拌叶片同时正、反双向强制切削、搅拌土体。 与单向水泥土搅拌桩相比，其内钻杆设置叶片及喷浆口，并正向搅拌；外钻杆同时设置反向搅拌叶片搅拌土体。通过反向搅拌叶片的异向搅拌压制、切削作用，起到三种效果，一是限制水泥浆液在压力作用下的上升通道，使得浆液始终集中在两组叶片之间；二是通过同时正反向切削、搅拌土体，减小浆液集中效应，使得在两组叶片之间的土体与水泥浆液充分搅拌均匀，提高成桩质量；三是正反向叶片搅拌产生的剪切力相互抵消，减小对桩周土体的扰动。

2 现场软基处理效果试验研究

2.1 试验场地地质条件

本项目为浙江省某高速公路工程，长江中下游冲积平原，地形平坦，地貌形式单一。 地表分布约1~2 m 厚软塑状亚粘土，底下为流塑状、软塑状高压缩性软土，其间多分布池塘，硬壳层缺失，局部淤泥质土层较厚。 试验段落土层参数如表1 所示。

表1 试验段落土层物理力学参数

2.2 试验成果分析

现场选取临近场地内静载试验用桩长相近的单向水泥土搅拌桩、 双向水泥土搅拌桩各2 根，双向水泥土搅拌桩采用2 搅1 喷工艺，单向水泥土搅拌桩采用常规的4 搅2 喷工艺，桩径均为500 mm，桩长13 m 左右。 并分别选取两种桩型典型断面各两个，填土高度相近，每个断面均在清表后地基表面左、右路肩及、中线埋设沉降板各一个，测量路堤填筑后断面沉降控制效果。

2.2.1 单桩承载力分析

单桩承载力试验根据《建筑基桩检测技术规范》均采用反力架堆载静压法，并采用快速维持荷载法测量读数。 所得4 根试验桩荷载—沉降曲线如图1 所示。 各单桩Q-S 曲线呈现缓变型特征，取S=40 mm 对应的荷载值作为试验承载力判定值，如表2 中所示。

图1 单桩承载力Q-S 曲线试验结果对比图

静载试验表明，在地质条件相似，桩长、桩径等相近的条件下，双向水泥土搅拌桩承载力明显高于单向水泥土搅拌桩。 图1 中Q-S 曲线反映出，两种桩型曲线在加载初期即分化明显， 在同级荷载下，单向水泥土搅拌桩桩顶沉降量明显大于双向水泥土搅拌桩。 从四根试验桩数据来看，双向水泥土搅拌桩承载力平均提高约47%。 在现场大量工程桩检测统计数据中也表明了相似特征。双向水泥土搅拌桩因其桩身搅拌均匀、成桩质量好，在荷载作用下，发挥了良好的承载性能，能有效控制工后沉降。

表2 单桩试验承载力一览表

2.2.2 断面沉降分析

图2~图5 所示为试验断面路堤填筑工后沉降量变化曲线，四个断面路堤填筑高度均在4.1~4.5 m左右，EC 断面为双向水泥搅拌桩处理，EA 断面为单向水泥搅拌桩处理，路堤填筑完毕后沉降基本收敛稳定。

图2 EC4+090 断面时间-荷载-沉降量关系曲线

图3 EC4+150 断面时间-荷载-沉降量关系曲线

从水泥土搅拌桩的承载机理来看，水泥搅拌桩属于柔性摩擦桩，依靠桩土摩擦力将桩顶荷载传递至地基土体。 由于桩身本身刚度不大，当桩顶作用荷载时而产生部分轴向压缩变形，桩、土之间产生相对位移，桩侧土体对桩身产生侧向摩阻力。 随着桩顶荷载的增加，桩土间相对位移增大，桩侧摩阻力逐渐发挥，达到极限，因此桩身成桩质量是水泥土搅拌桩沉降控制的关键。

图4 EA3+498 断面时间-荷载-沉降量关系曲线

图5 EA3+186 断面时间-荷载-沉降量关系曲线

如图2~图5 所示， 随着路堤填筑高度增加，沉降逐渐增大，在荷载填筑期内沉降变化较大，填筑完毕后沉降趋于稳定。 双向水泥土搅拌桩处理路段工后沉降在350 ~380 mm 左右，单向水泥土搅拌桩处理路段工后沉降在650~750 mm 左右， 单向水泥土搅拌桩沉降量接近双向水泥土搅拌桩的一倍。

填土速率直接影响到路堤的稳定和变形，适当的填土速率有利于地基的排水固结及沉降的稳定，而过快的填土速率会破坏土体结构， 导致地基失稳。 一般，填土速率宜控制在日沉降速率10 mm/d以内。 图6、图7 为两个断面对应路堤荷载填筑时的沉降速率变化曲线。双向水泥土搅拌桩处理路段对路堤填筑荷载的适应性较好，在测量周期内沉降速率相对稳定，最大速率4 mm/d，能较好的控制路基固结沉降，容易达到稳定；单向水泥土搅拌桩处理路段在路堤荷载填筑期内沉降速率急剧上升，最大速率接近9 mm/d，沉降稳定性较差。在相同的填土速率下，双向水泥土搅拌桩对路基沉降变形的控制效果较好。

上述沉降试验结果均表明双向水泥土搅拌桩因其良好的承载性能表现出较好的沉降控制效果，能有效减少工后路基路面不均匀沉降，有利于保障道路通行质量和安全。

图6 EC4+090 断面沉降速率变化曲线

图7 EA3+186 断面沉降速率变化曲线

3 结论

通过对两种搅拌桩的成桩特点、单桩承载力及沉降试验对比分析，表明双向水泥土搅拌桩较单向水泥土搅拌桩具备良好的成桩质量及承载性能。

（1） 双向水泥土搅拌桩改进了成桩搅拌工艺，水泥浆液与土体搅拌均匀，减小了桩身强度沿桩长方向分布的离散型，保证良好的成桩质量。

（2）双向水泥土搅拌桩与单向水泥土搅拌桩相比具有较高的单桩承载能力。

（3） 双向水泥土搅拌桩能够改善桩土摩擦性能，控制和减少工后沉降，容易达到稳定，有利于提高道路通行质量和行车安全性、舒适性。