內陸地區水泥攪拌樁復合地基應用問題探討

余潛 四川省建筑設計研究院有限公司市政工程設計所

周波 中鐵二院工程集團有限責任公司路基設計所

一、概述

由于我國海岸線綿長，江河湖泊眾多，因此軟土分布廣泛。城市道路工程建設中，軟土也是最常見的不良工程地質之一，水泥攪拌樁復合地基作為不良地質地基處理的常用手段，在沿海地區已經得到了較為廣泛的應用，但在內陸地區，尤其是內陸市政道路工程中應用還較少。究其原因，一是軟土大量分布于沿海省份，內陸地區相對較少；二是內陸地區的軟土其工程地質性質要好于沿海地區軟土；第三，也是最主要的原因，當前我國的水泥攪拌樁施工機具尚無法較為精確地控制施工質量，并且目前對于成樁質量還沒有廣泛統一的檢測理論和方法。以上三點原因是制約水泥攪拌樁復合地基在內陸地區廣泛應用的主要限制因素。因此，本文旨在技術層面探討如何將這種比較好的軟土地基處理方法在內陸城市道路工程建設中更好地應用。

二、水泥攪拌樁復合地基理論

（一）復合地基理論

軟土，根據我國各主要規范的定義，應滿足以下幾項主要指標：1.天然含水量大于等于液限；2.孔隙比不小于1.0；3.細粒土，即為黏性土或粉土。其特性，主要表現為高含水量、高壓縮性、低滲透性和低強度低承載力。

復合地基的概念最初是由日本學者在20世紀60年代初提出的。隨著地基處理技術的發展，復合地基處理技術也得到了不斷地進步，如今已有三大類多種樁型的復合地基?，F在，復合地基一般指天然地基的一部分被人工置換或加強，增強體與原地基共同承擔荷載的人工地基，增強體一般指多種類型的樁。按樁的不同類型，復合地基也分為三大類，即散體樁復合地基；柔體樁復合地基；剛體樁復合地基[1]。

散體樁復合地基主要指碎石樁、砂樁及灰土樁等樁身材料沒有內聚力或內聚力很小的復合地基。散體樁復合地基對地基的加固作用主要有三點：1.擠密作用。施工成樁過程中，樁周土被擠密從而使地基承載力提高；2.置換作用。原地基軟弱土被樁體材料置換而使地基承載力提高；3.增加豎向排水通道的作用。對于軟土地基而言，由于其排水固結過程很緩慢，因此天然地基受荷后很長時間內強度都在緩慢地增長，地基沉降過程也會持續很久，成樁后，樁身也起到了加速排水固結的作用。柔體樁復合地基主要指高壓旋噴樁、水泥攪拌樁、CFG樁復合地基等。柔體樁的樁身材料可以粘接在一起，其具有一定的強度，這點與散體樁不同。樁體承載力主要來自于樁周的側阻力和樁端的端阻力。該類復合地基對地基的加固作用主要源于樁體材料的置換作用，由于樁身具有較高的強度和承載力，所以置換后復合地基承載力較高，要明顯高于散體樁復合地基。剛體樁復合地基主要指疏樁基礎、復合樁基等，具有代表性的是鋼筋混凝土樁網和樁板結構。這種類型的復合地基一般是在地基承載力滿足要求的情況下使地基沉降盡可能減小的要求下出現的，它不在本文討論的范圍之內。

如前所述，水泥攪拌樁復合地基是樁身具有一定強度和剛度的柔體樁復合地基，但在外荷載作用下，樁身仍然會發生一定的壓縮變形，它的破壞形式主要是壓曲破壞（發生在樁端以下有硬土層的情況下）和刺入破壞（一般情況）。

（二）水泥攪拌樁復合地基作用機理

水泥攪拌樁是把水泥作為固化劑，通過施工機具注入到深層地基，使之與周圍的軟土充分混合攪拌，固化劑與軟土發生一系列的物理化學反應，從而生成具有一定強度和剛度的水泥土固化體，達到加固地基的目的。從所使用的水泥固化劑狀態和施工工藝來分，水泥攪拌樁分為干法和濕法兩類。

干法，也叫做粉體噴射攪拌法，所形成的攪拌樁即為粉噴樁。該法是使攜帶著水泥粉或石灰粉的壓縮空氣通過高壓軟管和攪拌軸從噴嘴噴出，經過攪拌裝置的旋轉，將粉體與周圍的軟土攪拌混合在一起，實現攪拌樁的化學加固作用。經過國內外多年的使用經驗得知，噴粉攪拌樁一般使用在天然含水量50%以上的軟土地基，當天然含水量低于30%時，加固效果會下降。

濕法，又稱作漿液攪拌法，該法是以水泥漿作為固化劑，通過專門的施工機具，將水泥漿與軟土在地基深處充分攪拌，從而形成具有較高強度和剛度的水泥土，實現對地基的加固。

干法與濕法的區別在于固化劑狀態不同，施工機具和施工工藝不同。干法相比濕法有如下特點：1.固化劑粉體相比于漿液流動性較小，被攪拌裝置噴射到土體中并強制攪拌，因此其固化劑的均勻性較好，成樁后的樁體質量分布更均勻；2.干法更適用于含水量極高的軟土及其含有機質的軟土，相比于噴漿攪拌樁，噴射粉體成樁后水泥濃度更高，因此其對于高含水量的軟土地基加固效果更好。

（三）水泥攪拌樁復合地基理論計算

復合地基是由兩種強度和剛度不同的材料，即豎向增強體和原狀土組成的地基，它們共同承擔上部荷載并協調變形，由于樁的強度和剛度比樁間土大，因此樁土應力比很高，這也就使得復合地基承載力比原地基有較大提高，變形比原地基顯著減少。

復合地基承載力需要根據原位試驗的方法得到，比較準確的是采用靜載荷試驗。但在方案比選和初步設計階段，還是需要根據設計參數進行估算。目前，比較統一一致采用的計算理論是認為復合地基承載力由樁和樁間土的承載力組合構成。根據我國現行的《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2012）的要求，對于有粘接強度的豎向增強體的復合地基承載力特征值應按下式確定[2]：

式中，λ―單樁承載力發揮系數，可按地區經驗取值；

Ra―單樁豎向承載力特征值（kN）；

Ap―樁的截面積（m2）；

β―樁間土承載力發揮系數，可按地區經驗取值；

單樁豎向承載力特征值可按下式估算：

式中，up―樁的周長；

αp―樁端端阻力發揮系數，應按地區經驗確定；

qp―樁端端阻力特征值（kPa），可按地區經驗確定；對于水泥攪拌樁、旋噴樁應取未經修正的樁端地基土承載力特征值。

復合地基變形計算應采用現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）的規定，地基變形計算深度應大于復合土層的深度。地基最終變形量應按下式估算[3]：

式中，s'―按分層總和法計算的地基變形量（ mm）；

φs―沉降計算經驗系數；

p0―基礎底面按荷載效應準永久組合計算的附加應力值（kPa）；

Ei―基礎底面以下第i層土的壓縮模量（MPa），應按土的自重應力到自重應力加附加應力段計算；

zi，zi-1―基礎底面以下第i層土、第i-1層土的底面深度（m）。

從以上的變形計算公式可以看出，復合地基變形模量是計算地基變形的重要參數，其可以按這一原則進行計算，即復合土層的壓縮模量是原天然地基壓縮模量的ξ倍，ξ值可按如下公式確定：

其含義是ξ值為復合地基承載力與原天然地基承載力的比值。

（四）水泥攪拌樁復合地基承載力影響因素

根據國內外眾多的研究和工程經驗表明，水泥攪拌樁復合地基的承載力主要受水泥土自身強度和地基土的性質影響，主要表現在以下幾個方面：

1.水泥土強度

由試驗研究發現，水泥土強度與水泥摻量、水泥土齡期、水泥類型有關。一般而言，隨著水泥摻量的增大，水泥土強度隨之增大；隨著齡期增長，水泥土強度也增大，據統計發現，水泥土強度在齡期達到30天以后仍在增長；據使用經驗得出，使用礦渣水泥比使用普通硅酸鹽水泥加固的水泥土強度要高。

2.軟土有機質含量

根據不少學者的研究發現，隨著軟土中有機質含量的增加，水泥土的強度也在不斷下降，這個影響主要存在于沿海地區，相比較而言，內陸地區軟土有機質含量更低。其原因主要是有機質的存在延緩了水泥水化的進程，并且使得水泥的水化產物解體，破壞了水泥土的結構的形成，而水泥土強度主要來源于水泥水化產物對土顆粒的加強作用。

3.樁長

一般情況下，水泥攪拌樁復合地基的承載力隨水泥土樁長的加長而增大，但是，水泥土樁長存在一個臨界樁長，在達到臨界樁長以前，水泥攪拌樁復合地基承載力與樁長呈正相關關系，超過臨界樁長以后，復合地基承載力不再有顯著變化。

4.置換率

水泥攪拌樁復合地基的承載力隨著面積置換率的提高而提高，當設計樁徑太小而樁間距太大時，置換率不夠，地基加固的程度不夠，復合地基承載力就偏低。

三、水泥攪拌樁復合地基應用現狀及建議

世界上是美國首先在工程中使用水泥深層攪拌樁加固地基。我國早在1977年就引進和研究了水泥攪拌樁復合地基工法，并在1980年開始應用于工程實踐。經過幾十年的不斷使用和改進，目前在我國的軟土分布較多的省份，如福建、廣東、廣西、浙江、江蘇和上海以及部分內陸省份如湖南湖北等已經得到了比較廣泛的應用。從行業來區分，工業與民用建筑行業、公路建設行業比市政道路建設行業應用多。就作者所在的內陸地區西南某省會城市而言，在城市道路的工程建設中，從業主到設計、施工和監理單位，普遍不首選水泥攪拌樁加固地基，而喜歡使用碎石樁復合地基或者直接用碎礫石換填，即使是在理論論證中水泥攪拌樁具有明顯的適用性的情況下。作者對此進行了分析，主要歸納了以下幾個原因：

1.建設單位更青睞施工簡便、工期易于保證的碎石樁復合地基。根據《建筑地基處理技術規范》的要求，對于沉降變形要求不太高的飽和軟黏土地基，也可以采用碎石樁等散體樁來加固。碎石樁具有材料質量有保證，施工簡便、施工質量容易保證的優點。在作者所在的城市，地基中碎石和砂卵石資源豐富，取材非常容易，因此在建設工程中，設計方也非常自然地首選碎石樁，同時，內陸地區的軟土含水量一般不是太高，使用碎石樁復合地基加固也勉強能滿足工后沉降的要求。但是，近年來，隨著碎礫石資源的大量開采和使用，城市已經開始出現碎礫石不足，價格不斷上漲的趨勢，因此，為保護環境資源、為可持續發展考慮，擴大水泥攪拌樁的使用面和范圍也是一種不錯的選擇。

2.目前水泥攪拌樁應用不多，施工機具利用率太低。由于現在城市道路工程中水泥攪拌樁使用不多，施工單位不愿意為了小片區域動用施工機具進場，這樣將增大施工單位的設備和人力成本。長期以來，建設各方單位習慣于使用換填法和碎石樁處理軟土地基，因此，水泥攪拌樁的使用不多，所以容易出現施工經驗和準備不足的問題。

3.水泥攪拌樁施工質量難以保證。這是影響水泥攪拌樁復合地基廣泛使用最主要的一個問題。根據不少設計人員的設計經驗和現場反饋，現場施工的水泥攪拌樁成樁質量普遍不盡如人意，甚至出現抽檢樁身開挖出來基本看不到水泥土的情況，因此，為了保證工程質量，廣大設計人員都不愿意在軟土地基處理中首先選擇水泥攪拌樁。造成這種情況的原因，固然可能有施工單位追求利潤，刻意偷工減料的因素，但是也說明了目前水泥攪拌樁施工上存在的一些共性問題。首先，現有的施工機具無法在地基深處自動、準確地控制固化劑噴料的施工質量。這往往造成深層局部無料、少料或者攪拌不均勻；其次，水泥攪拌樁施工對施工人員的操作熟練度和精細度要求較高，在目前應用不太廣泛的情況下，熟練施工人員的儲備不夠，這容易造成施工質量差；最后，現有的施工質量檢測指標和檢測體系不完備，難以為成樁的地基處理隱蔽工程整體質量把好最后一道關。根據封其堅在其碩士學位論文研究中的建議[4]，水泥攪拌樁的質量檢測評價，主要反映在三個方面：樁體強度、均勻性和樁長。他認為，現行規范選用的檢測指標對成樁整體質量的反映有局限性。在現有的超過10種以上的檢測方法中，他推薦的檢測方法是：現場采用標準貫入試驗和鉆芯取樣法，結合室內水泥土無側限抗壓強度試驗的組合檢測方法。本文作者認為，可以嘗試使用他推薦的檢測方法。

四、工程實例分析

本文所研究的工程項目實例位于西南某省會城市國家級新區，是新區的一條起集散作用的交通性城市道路。該道路設計車速30km/h，車道寬度3.5m，按中等交通等級進行設計。道路沿線與三條道路平面交叉，設計范圍全長712.106m，道路紅線寬度16m，兩側再各加4m的規劃管線控制帶。按照路基橫斷面設計的結果，該條道路最大填方高度約1.3左右，最大挖方高度約13m左右。本條道路全線進行了地勘，根據地勘報告顯示，道路沿線地質情況如下：

勘察的路段區全線多為低山淺丘地貌，部分地段為農田、魚塘及拆遷區。在鉆孔深度范圍內所揭露地層為第四系全新統人工填土層（Q4ml）、第四系中下更新統冰水沉積層（Q1+2fgl）、侏羅系蓬萊鎮組（J3p）基巖層。

（一）第四系全新統人工填土層（Q4ml）

1.雜填土：雜色。由粘性土、巖塊、碎屑及少量生活垃圾組成，硬雜質含量約45～50%；為附近工程棄土堆填，主要由巖塊巖屑及粘性土組成，堆填時間約1年左右，結構相對雜亂，欠固結。松散。濕。部分場地分布。

2.素填土：灰色；松散；主要由粘性土混約5%～20%左右磚瓦碎屑塊等硬雜質組成；頂部0.3-0.5m含大量植物根系等有機質，可塑為主；濕。部分場地分布。

場地內人工填土分布連續，厚度變化較大約0.3～9.0m。

（二）第四系中下更新統冰水沉積層（Q1+2fgl）

在本次勘察路段區內第四系中下更新統冰水沉積層（Q1+2fgl），主要為粉質粘土及粘土。

1.粉質粘土：灰黃、棕紅色。軟塑。濕。含鐵錳質氧化物斑痕及其結核。分布不連續（主要分布于K3+00～K3+80段）。

2.粘土：褐黃色。含鐵、錳質氧化物及其斑痕，硬塑為主，局部為可塑；稍濕。分布不連續（主要分布于K3+80～K7+12.106段），為膨脹土。

（三）侏羅系蓬萊鎮組（J3p）基巖

1.強風化砂質泥巖：主要礦物成分為粘土礦物，泥質結構，薄層狀構造。風化裂隙發育，結構面不清晰，巖體完整程度為破碎，呈碎塊狀，手捏易碎，干鉆可鉆進。錘擊聲啞，無回彈，有凹痕，浸水后可掰開，屬軟巖。巖體基本質量等級為Ⅴ級，局部夾一定厚度的中風化砂質泥巖。

2.中風化砂質泥巖：主要礦物成分為粘土礦物，泥質結構，薄層～中厚層狀構造，節理裂隙一般發育，巖芯較破碎，呈短柱狀或長柱狀，部分巖石被節理、裂隙分割，呈塊狀。巖體基本質量等級為Ⅴ級。局部夾一定厚度的微風化砂質泥巖。該層本次勘察未揭穿。

地基土各項物理力學指標建議值如下表：

土體與錨固體極限摩阻力標準值（kpa）雜填土 19.0 5 10 15素填土 18.5 80 15 5 3.0 0.20 20粉質粘土 17.5 60 8 3 2.5 10粘土 19.5 180 30 10 6.0 0.25 60土名容重γ（kN/m3）地基土承載力基本容許值[fao]（kPa）內聚力Ck（kPa）內摩擦角φk（0）壓縮模量Es（Mpa）基底摩擦系數μ天然單軸抗壓強度標準值frk（MPa）

按地勘報告的建議，軟弱土主要是分布于地勢低洼地段的軟塑粘性土，局部含有機質，含水量高，碾壓彈性過大，不易壓實，不能用于路基持力層，應排干積水、清除換填，當用于下臥層時應對其進行軟弱下臥層驗算。若不滿足設計要求，應進行相應處理。

初步設計階段，本條道路對軟塑粉質黏土層按常規進行的碎石樁復合地基設計處理，但在初步設計專家評審會上，與會專家建議對該層軟弱土進行方案設計比選。因此，對該段軟土，作者進行了碎石樁和水泥攪拌樁復合地基的方案設計比選。

根據地勘報告的試驗數據，軟塑粉質黏土的含水量基本等于其液限，土中有機質含量不高，符合進行水泥攪拌樁處理的條件。設計過程中分別按碎石樁和水泥攪拌樁計算了復合地基承載力、工后沉降及經濟和環境比較，其中樁間距取為1.2m，樁徑0.5m，施工工期取為6個月，工后沉降計算工后1年，計算結果如下：

樁型 復合地基承載力（kPa） 工后沉降（cm）碎石樁 110 23水泥攪拌樁 160 13

從上表明顯可以看出，采用水泥攪拌樁復合地基承載力和工后沉降明顯優于碎石樁復合地基，這為需要保證質量和工期的重要項目提供了保證。并且，本項目經過經濟比較，發現采用水泥攪拌樁的總造價與采用碎石樁相比，并沒有明顯的不可接受地提高。同時，使用水泥攪拌樁還可以避免開采大量的碎石資源，有利于環境保護。最終，經專家評審會評審，施工圖設計時采用了水泥攪拌樁復合地基的方案，經過施工，竣工驗收，到目前為止，本道路運行情況良好。

五、結語

前文對水泥攪拌樁復合地基理論的闡述和其在內陸地區應用情況的進行了分析并給出了建議，值得一提的是，本文的技術研究還依托于國家鐵路局重點研發項目―鐵路路基復合地基承載特性及相關標準（編號：2017JS014），本文的成果也將輔助該課題的研究，對課題研究也有著一定的借鑒意義。文中，結合作者親身設計的西南某省會城市國家級新區的一條道路的軟土地基處理項目，本文作者認為，水泥攪拌樁復合地基作為一種處理軟土地基的有效手段，只要能更好地控制其施工質量和形成統一的全面的質量檢測指標體系，與碎石樁相比，處理效果更優，并且節約資源，有利于環境保護和可持續發展，具有在內陸地區的城市道路建設中更廣泛應用的前景。