佛山地區公路軟土路基水泥攪拌樁檢測及驗收問題探討

袁耀波

（佛山市交通運輸工程質量監督站，廣東佛山 528200）

佛山地區公路軟土路基水泥攪拌樁檢測及驗收問題探討

袁耀波

（佛山市交通運輸工程質量監督站，廣東佛山 528200）

對比目前水泥攪拌樁檢測要求，結合公路工程水泥攪拌樁成樁、受力特點和佛山地區檢測具體情況，提出了佛山地區公路工程水泥攪拌樁以樁長、完整性（均勻性）和強度為主的質量檢測體系，對攪拌樁質量檢測項目、頻率和評定標準等進行了闡述。

公路；水泥攪拌樁；軟土路基；質量檢測與評定

水泥攪拌樁是目前佛山地區道路建設采用復合路基處理方法中應用最廣泛的樁型之一。其原理是利用水泥作為固化劑，通過攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌，使水泥與土發生一系列物理化學反應，軟土硬結而提高基礎強度，適用于處理淤泥、淤泥質土、泥炭土和粉土土質。但普遍攪拌均勻性欠佳，很難全程復攪。隨著近年公路項目的快速發展，水泥攪拌樁處理軟土地基的施工工藝日益成熟，但目前國內尚無專門的水泥攪拌樁檢測技術規范，雖然相關設計、施工、驗收等規范對其檢測都有相應要求，但不系統、不全面，不同地區、不同行業、不同單位在質量檢測內容、檢測方法及質量評價標準上都不能統一。該文將從水泥攪拌樁的檢測項目、檢測頻率和檢測指標等方面進行探討，并初步建立適合佛山地區使用的水泥攪拌樁質量檢測體系。

1 檢測項目的選定

根據JTG/T D31-02-2013《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》（以下簡稱《技術細則》）和《廣東省公路軟土地基設計與施工技術規定（試用）》（以下簡稱《技術規定》），水泥攪拌樁工后質量檢測要求如表1所示。

表1　水泥攪拌樁質量檢驗要求對比

由表1可知：水泥攪拌樁檢測和評價內容分為樁長、完整性（均勻性）和強度三部分，其中強度包括樁身強度和單樁或復合地基承載力兩部分。兩規范對樁長和強度的檢測要求是強制而明確的（雖然個別指標有所區別），但對于樁身完整性（均勻性）并沒有作強制要求。實際應用中水泥攪拌樁普遍存在攪拌均勻性欠佳和全程復攪困難的問題，當樁體不均勻時，承載力檢測結果也可能失真。根據水泥攪拌樁的荷載傳遞機理，按現有一般設計設置50 cm厚褥墊層，樁身最大軸力出現在樁頂以下2～4倍樁徑范圍內，且在7 m樁長以下樁身軸力已非常小（如圖1所示）。基于上述原因，樁身完整性和均勻性（尤其是樁頂以下7 m范圍內）對其承載力的影響較大，如果有條件，應適當提高樁頂以下2～4倍樁徑范圍樁身強度，以提高復合地基承載力。

圖1　樁身應力變化曲線

水泥土強度檢查方面，樁身無側限抗壓強度的試驗要求是統一的，且樁身強度和均勻性對樁身的荷載受力起到關鍵作用。不同物質組成的地層因其滲透性的差異，與同等比例水泥攪拌混合所形成的水泥攪拌土的強度大大不同，水泥攪拌樁穿越不同地層時樁體強度也千差萬別。與砂、粉質粉土摻和，其強度往往很高，測試樣品強度在幾兆帕、十幾兆帕的比比皆是，都能輕易超過樁體一般設計強度。但與淤泥或淤泥質土層拌和，芯樣成型性時常不好，凝固膠結程度較低（因為多裂紋和均勻程度較差），常不能獲得進行抗壓強度測試的樣品，抗壓強度值也不易獲得。然而這些力學性質很差的軟土層也正是工程技術人員花大力氣要改造的主要對象，不能因為難于采樣而不評價。為此，對不能獲取抗壓試驗芯樣的攪拌土，建議引入原位標準貫入的方式進行評價。標貫方法操作簡單，機具易掌握，省力省錢，檢測深度較大，易于大面積多點普遍檢測，其優勢明顯，用于質量評價其效果比較可靠。

承載力檢測方面，《技術細則》要求同時做單樁承載力和復合地基承載力試驗，而《技術規定》只要求做單樁承載力試驗。其中單樁承載力特征值應通過現場荷載試驗確定，初步設計時可按式（1）估算，并滿足式（2）的要求。

式中：Ra為單樁承載力特征值（kPa）；up為樁的周長（m）；n為樁長范圍內所劃分的土層數；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值（k Pa）；a為樁端天然地基土的承載力折減系數；qp為樁端地基土未經修正的承載力特征值（k Pa）；Ap為樁的截面積（m2）。

式中：η為樁身強度折減系數；fcu為與攪拌樁樁身加固土配合比相同的室內加固土試塊在標準養護條件下90 d齡期的立方體抗壓強度平均值（k Pa）。

單樁承載力確定后，復合地基承載力特征值可按式（3）計算：

式中：fspk為復合地基承載力特征值（k Pa）；m為面積置換率；β為樁間土承載力折減系數；fsk為處理后樁間土承載力特征值（k Pa）。

根據式（1）～（3），水泥攪拌樁單樁承載力是按剛性樁原理計算的，而復合地基承載力是在基于樁與樁間土之間存在協調變形且未相對滑移假定的情況下計算得出的，即按柔性樁原理計算，兩者之間存在力學概念上的不一致。同時國內個別試驗研究表明單樁承載力在工作狀況中的實際承載力比式（1）和式（2）計算得出的承載力低，在缺乏當地工程經驗的情況下，應按照規范要求進行單樁荷載試驗確定單樁承載力特征值，而且復合地基承載力更能準確、直觀地反映軟基處理效果。因此，建議將單樁承載力作為單樁施工質量與設計理念對比校驗或檢驗單樁施工質量的指標；在保證樁身強度和完整性的前提下，將復合地基承載力作為軟土路基處理效果的驗收性指標。

綜上所述，水泥攪拌樁的交工檢測項目應包括樁長、樁身完整性和均勻性及強度三部分，其中強度包括樁身無側限抗壓強度和原位標準貫入擊數結合評價的樁身強度及復合地基承載力確定的地基強度兩部分。

2 檢測頻率的選定

檢測頻率應在保證工程質量的前提下盡可能減少檢測費用和檢測周期。樁長、樁身完整性和樁身強度均可通過取芯的手段進行，荷載試驗則按相關規程進行。按粵價函［2012］1490《廣東省物價局關于交通建設工程現場檢測和工程材料試（檢）驗收問題的復函》的標準，抽芯檢測收費為180元/m、荷載試驗為10 000元/處（不含輔助費）、水泥攪拌樁成樁單價約為50元/m；按照佛山地區交（竣）工檢測收費標準，路基部分費用為建安費的0.5%。假定某項目水泥攪拌樁平均樁長12 m、共10 000根，建安費為600萬元，檢測費約為3萬元，如按表1所示檢測頻率，檢測費用為40萬～100萬元，遠遠超過預算費用。

參照《技術規定》中袋裝砂井20 m做一次長度試樁的標準，假定20 m區域內地質均勻、施工材料和工藝等均不變，以單幅18 m處理寬度、1.2 m樁徑梅花形布置和12 m樁長為例，20 m范圍內約有288根樁，以此為1個評定單元并進行一次抽芯檢測，則檢測頻率為0.35%。綜合考慮不同項目的特殊性和質量控制應在前中期嚴格執行的原則，建議抽芯檢測頻率定為0.2%～0.5%且單次不少于3根。綜合水泥攪拌樁復合地基荷載傳遞特點和復合地基承載力的目的及其特征值的計算原理，可結合設計鉆探情況和工藝試樁情況確定復合地基承載力的檢測頻率，以300～500 m測1處且每標段不少于3處為宜。按該頻率，10 000根長12 m的水泥攪拌樁，驗收性檢測費為5萬～12萬，較為合理。

3 評定指標的選定

水泥攪拌樁的驗收性檢測項目包括樁長、樁身完整性、樁身強度（無側限抗壓強度及標準貫入擊數）及復合地基承載力，其中樁長、樁身無側限抗壓強度和復合地基承載力在設計文件中都已明確，只有樁身完整性和標準貫入擊數沒有明確規定。

3.1樁身完整性指標的選定

根據上述分析，樁身在7 m范圍內軸力最大，其樁身完整性應滿足公路質量評定標準中75%的合格值，剩余位置的樁身完整性合格率可適當放寬至60%。

3.2樁身標準貫入擊數指標的選定

廣東省江門市公路局在2006年“高填方軟土路基處治關鍵技術的研究”中通過相鄰樁相同深度的標準貫入擊數和抗壓強度檢測得出抗壓強度與標準貫入擊數經驗公式為qu=0.046N+0.06，相關度R2=0.83（如圖2所示）。《建筑地基基礎設計規范》列示的標貫擊數和承載力特征值的對應關系中，在相關系數r=0.997 5的情況下，二者存在二元二次擬合的統計關系：Y=86.224 8+9.7014X+0.642 9X2（X為標貫擊數；Y為承載力特征值）。綜合江門公路局研究成果和《建筑地基基礎設計規范》，設計抗壓強度（選取常用的3個值）與標準貫入擊數的關系如表2所示。

根據現場試驗，標準貫入擊數為13、17和22擊時，成樁情況如圖3～5所示。

圖2　標準貫入擊數與抗壓強度的關系

表2　水泥土樁身強度與標貫擊數的關系（現有成果）

圖3　標準貫入擊數為13擊時的成樁芯樣

圖4　標準貫入擊數為17擊時的成樁芯樣

圖5　標準貫入擊數為22擊時的成樁芯樣

江門公路局的研究成果是基于相鄰兩樁成樁情況一致的假定進行數據收集得到的，但標準貫入擊數為13～17擊時，樁身完整性（如圖3～4所示）不能滿足無側限抗壓強度試驗要求，故其試驗結果在30擊以下時不能準確反映兩者的關系；且當抗壓強度＞2 MPa時，其數據的離散性明顯增加。而設計規范計算公式所獲得的是承載力特征值（即容許承載力），與設計給出的極限破壞強度值有所不同，需進行修正。因此，無論從數據分析還是從理論計算方面都不能準確定義無側限抗壓強度和標準貫入擊數的關系。建議以理論公式為基礎，根據現場實測數據進行修正，將上述擬合方程的換算值下調20%，即采用試驗數值和規范計算值的均值（如表3所示）。

表3　水泥土樁身強度與標貫擊數的關系（建議）

佛山地區2015年公路工程水泥攪拌樁檢測結果如表4所示。標貫值不合格的樁，其標貫數據大部分分布在3～10擊，芯樣攪拌欠均勻，水泥含量低，呈可塑狀，且所在標段工程質量控制較差。綜合2015年檢測數據分布情況、不合格樁質量狀況及項目部管理水平，上述標準貫入擊數標準可用于指導水泥攪拌樁檢測管理。

表4　佛山地區2015年水泥土樁檢測結果

3.3佛山地區公路工程水泥攪拌樁質量檢測體系

對比目前水泥攪拌樁檢測要求，結合公路工程水泥攪拌樁成樁、受力特點和佛山地區檢測數據，提出表5所示佛山地區公路工程水泥攪拌樁質量檢測體系。

工程實際應用結果證明，該檢測體系適用于佛山地區公路工程水泥攪拌樁質量評價，采用該檢測體系，可滿足水泥攪拌樁的質量管理要求，對加強施工管理、提高施工質量具有實際意義。

表5　佛山地區水泥攪拌樁質量檢驗要求

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2016-05-30