公路軟土地基深層水泥攪拌樁處治效果分析

趙 鑫

（山西省交通建設工程質量檢測中心（有限公司），山西 太原 030032）

0 引言

軟土地基承載能力差，在荷載作用下容易產生沉降和剪切破壞，進而造成路基路面變形破壞、橋梁基礎沉降等問題，降低道路使用性能，甚至影響行車安全。深層水泥攪拌樁是利用深層攪拌機械將軟土和水泥等固化劑混合均勻，形成具有一定強度的樁體，提高地基承載力[1]。與其他公路軟土地基處治方法相比，深層水泥攪拌樁法可最大程度利用原狀土體，具有操作簡單、施工工期短、對周邊環境影響小等技術優勢[2-3]。結合高速公路軟土地基深層水泥攪拌樁施工案例和工程地質情況，合理制定施工方案，在深層水泥攪拌樁完工后開展試驗對成樁質量和地基承載力進行檢測與評定。考慮到軟土地基具有很多不良工程特性，在軟土地基承載力滿足要求的情況下，還應該在路基施工和完工后開展沉降監測，分析路基路面的沉降變形情況，作為判斷道路結構穩定性的主要依據。通過試驗確定成樁質量、地基承載力和路基沉降變形情況，不僅可以用于評價軟土地基深層水泥攪拌樁處治效果，還可以防止道路結構產生變形或破壞，提高行車安全，節約養護維修成本。

1 施工方案設計

1.1 工程簡介

山西某高速公路有一段軟土路基，主要為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、黏土，可塑性差，中壓縮性，軟土層厚度為5.6～7.1 m。軟土層上部填土層厚度為2.1～3.2 m，填土層淺部含有大量的植物根系和腐殖質。軟土層局部厚度較大，不同深度天然含水量分布范圍18%～37%，液限24%～52%，塑限16.5%～30.4%，干密度1.32～1.75 g/cm3，軟土地基承載力僅45 kPa。為了提高軟土地基的壓實度，擬采用深層水泥攪拌樁進行處理，設計樁徑為600 mm、樁間距為1.2 m，采用正方形布置，設計樁長為8 m。單樁面積為0.262 8 m2，水泥攪拌樁置換率為22%。固化劑選用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.55，水泥摻量占總量的15%，水泥攪拌樁設計抗壓強度為1.6 MPa。

1.2 施工方案

深層水泥攪拌樁施工選用SJB型深層攪拌樁機，攪拌頭轉速為60 r/min，額定扭矩為8 500 N·m，最大鉆進深度可達到18 m。配套機械選用LMCJA智能壓漿機，工作壓力最大值可達到1.5 MPa，壓降流量3 m3/h。施工過程中嚴格控制樁間距，偏差不得超過50 mm，垂直度偏差控制在1%以內。水灰比控制在0.50～0.60，深層攪拌樁采用“四噴四攪”成樁工藝，停灰面不低于樁頂設計標高500 mm，提漿速度應低于1.2 m/min。深層攪拌樁施工工藝主要包括以下工序：平整場地→樁機就位→配制水泥漿→攪拌成樁→成樁后關閉送漿泵，將樁機移動到下一個樁位[4]。

2 深層水泥攪拌樁加固效果分析

為了確定深層水泥攪拌樁的施工質量，分析軟基的加固效果，完工后采用鉆芯取樣檢測樁身強度，采用動力觸探試驗和靜荷載試驗檢測地基承載能力。

2.1 鉆孔取芯法檢測

深層水泥攪拌樁完工后28 d，對水泥攪拌樁取芯進行無側限抗壓強度試驗，檢測樁體成型質量。取芯是在樁體全長范圍內進行，一方面可以檢驗樁體的樁長、完整性、均勻性和連續性，另一方面制作試件檢測樁體的無側限抗壓強度。隨機取15個深層水泥攪拌樁作為試驗樁，鉆芯取樣后檢測得出樁體完整性良好，水泥在樁體內部分布均勻，固結效果好，繪制樁體完整性和強度代表值檢測結果散點圖如圖1和圖2所示。

圖1 樁長檢測結果散點圖

圖2 試驗樁強度代表值檢測結果散點圖

分析圖1和圖2試驗樁檢測結果散點圖，所選15個試驗樁樁長和強度代表值絕大多數合格，少數結果超出合格范圍，但總體滿足設計要求。樁長檢測結果平均值為8.13 m，除6號試樁樁長為7.99 m外，其余試樁樁長均超過了設計樁長8 m。樁體強度代表值平均值為1.63 MPa，除5號試樁為1.54 MPa，其余均大于1.6 MPa，強度檢測結果合格。因此，結合上述15個試樁檢測結果，可以得出深層水泥攪拌樁成樁質量和強度均滿足設計要求。

2.2 動力觸探試驗

結合以往對深層水泥攪拌樁的室內模型試驗分析，樁體軸力最大的位置發生在樁徑3倍左右深度范圍內或樁頂下3～4 m，這是由于這個區域覆蓋土層壓力小或填土均勻性、密實性差等原因造成的。根據《軟土地基深層攪拌加固法技術規程》（YBJ 225—91）中的相關規定，采用輕型動力觸探試驗檢測地基承載力，采用輕型圓錐動力觸探設備，錘重10 kg，探頭面積12.6 cm2，錐角60°。穿心錘落距50.0±2.0 cm，試驗過程中記錄每貫入10 cm錘擊數。試驗選取攪拌樁總數的1%（且不少于3根）作為檢測對象，檢測時間選擇在完工后7 d內。該項目選取4個測點，輕型動力觸探試驗檢測結果如表1所示。

表1 試驗測點輕型動力觸探試驗檢測結果

分析表1試驗檢測結果，4處試驗測點錘擊次數最小42，最大為43，平均為42.5。結合施工經驗，通過查找《軟土地基深層攪拌加固法技術規程》（YBJ 225—91），錘擊次數超過40次，樁間土強度不低于500 kPa，滿足了設計要求。

2.3 靜載試驗

深層水泥攪拌樁養護齡期達到28 d后，即可檢測復合地基承載力，該項目采用靜載試驗。靜載試驗選用方形試驗壓板，面積為1 m2，測力裝置采用100 t油壓千斤頂加壓。公路地基承載力不低于160 kPa，靜載試驗壓力應為320 kPa，試驗過程中逐級加載，分8級加載，每級加載40 kPa。試驗選取攪拌樁總數的1%（且不少于3根）作為檢測對象，試驗過程中采用慢速維持荷載法進行逐級加載，單樁復合地基靜載試驗結果如表2所示，P-S曲線如圖3所示。

表2 單樁復合地基靜載試驗結果

分析表2所示數據，加載過程中地基最大沉降量為14.69 mm，卸載后最大回彈量為10.43 mm，回彈率為71%。分析圖3 P-S曲線變化趨勢，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）中的相關規定，單樁復合地基承載力的特征值對應的是最大壓力值，該試驗最大壓力值為320 kPa，結合上述動力觸探試驗結果，樁間土地基承載力的特征值fak不低于160 kPa，因此單樁承載力特征值不低于160 kPa，滿足設計要求。

圖3 靜載試驗P-S曲線圖

3 路基沉降監測與分析

3.1 測點布置

在路基填筑過程中，通過布置測點對地基開展沉降監測，作為評價地基加固效果的依據。在路基填筑過程中，選取K26+300、K26+500和K26+700三個監測斷面，分別在左、右路肩、路基中央埋設沉降板，沉降板底部與水泥攪拌樁頂部標高相同，測點布置如圖4所示。

圖4 路基沉降觀測點布置（單位：m）

3.2 路基沉降監測結果分析

路基監測時間從2019年4月10日開始，2020年4月10日結束，監測時間為12個月。由于3個監測斷面路基沉降變化情況基本相同，選取K26+500斷面監測數據作為研究對象，左、右路肩、路基中央沉降量隨監測時間變化曲線如圖5所示。

圖5 路基沉降量隨監測時間變化曲線

分析圖5所示K26+300斷面路基沉降量變化曲線，左、右路肩、路基中央沉降變形規律基本相同，均為前期變化速率較高，后期變化速率逐步下降，且逐步趨于平穩。在前4個月路基沉降速率較大，后8個月沉降速率逐漸下降，且趨于穩定。分析原因是由于前4個月屬于施工期，路基填筑施工對路基整體結構產生較大的擾動，造成沉降速率增大，后8個月路基填筑完成，沉降速率下降明顯。左、右路肩、路基中央監測完成后沉降量分別為10.7 cm、11.9 cm、12.8 cm，路基中央沉降略高于兩側路肩。沉降監測完成后，路基沉降變形已趨于穩定，說明路基土體已固結完成，穩定性良好。

4 結語

深層水泥攪拌樁可對軟土地基進行加固，有效提高地基承載力。結合施工案例，制定施工方案采取深層水泥攪拌樁對軟土地基進行處治，并通過試驗檢測承載質量和單樁地基承載力。根據鉆孔取芯試驗結果，深層水泥攪拌樁成樁質量好，強度達到了設計要求。分析動力觸探試驗和靜力觸探試驗結果，樁間土承載力和單樁復合地基承載力均滿足設計要求，地基承載力良好。分析處治后軟土地基沉降監測數據，在路基填筑施工過程中沉降速率較大，完工后沉降量明顯下降，監測完成后路基中央沉降量較兩側路肩略高，且路基沉降已趨于穩定。綜合以上試驗結果，得出該項目深層水泥攪拌樁軟基處治效果達到了預期要求。