基坑工程中水泥土樁強度檢測方法的研究

羅磊

上海眾合檢測應用技術研究所有限公司 上海 201900

1 概述

水泥土樁是一種有效的處理軟黏土的地基處理的方法，水泥土樁既可以作為重力式的圍護墻抵抗土體的變形，還可以作為臨時的止水帷幕，更可以作為地基的加固形式，因此在上海地區，水泥土樁的應用非常廣泛，隨著技術的進步，水泥土樁的形式也越來越多，目前廣泛應用的形式主要有，水泥土攪拌樁、水泥土攪拌墻，高壓噴射水泥土樁，其中水泥土攪拌樁的典型代表主要有：單軸攪拌樁、雙軸攪拌樁、三軸攪拌樁、五軸攪拌樁等；水泥土攪拌墻的主要代表包括區渠式切割水泥土攪拌墻（TRD）、銑削式水泥土攪拌墻（CSM）等；高壓噴射水泥土樁的典型代表主要有：高壓旋噴樁、MJS、RJP等。這些水泥土樁的形式在上海的基坑工程中已都廣泛的存在。

2 水泥土樁樁身質量檢測的方法

水泥土樁屬于隱蔽工程，施工工序比較多，主要工序的施工都在地下，如何做好施工質量的管控一直是工程中的重點[1-2]，目前水泥土樁的質量檢測目前針對水泥土樁質量檢測方法很多，主要包括原位檢測試驗和室內試驗檢測兩種。

其中原位試驗方法主要包括靜力觸探、標貫試驗、以及地基承載力試驗等；室內試驗主要包括現場取漿后的漿液試塊試驗，鉆孔取芯后的抗壓強度試驗、抗滲試驗、剪切強度試驗等，目前在上海的基坑工程中，參考上海市建設工程建設規范《基坑工程技術標準》中要求采用鉆孔取芯和漿液試塊強度試驗和鉆取樁芯強度試驗進行質量檢測[3]。

水泥土樁的強度一直是工程上矛盾比較集中的問題，當水泥土樁作為止水帷幕的時候，采用強度指標去評價其止水效果，是不合適的，另外在基坑圍護設計圖紙的要求中，往往對強度指標的值提的會比較高，在上海地區常規的水泥土樁一般設計要求的強度指標均在0.8MPa以上，從實際的強度檢驗結果上看，現場的施工難以達到，但是在較多的工程實踐中基坑工程也可以順利的實施，所以水泥土樁僅采用抗壓強度試驗檢測的方法是比較片面的。

本文結合在上海的某項目，針對水泥土樁的質量檢測從三個方向進行研究。1.鉆孔取芯抗壓強度試驗的比較；2. 抗剪試驗在水泥土樁的應用；3. 靜力觸探法在水泥土樁的應用。

3 結合某上海項目研究水泥土樁樁身質量的檢測方法

3.1 工程概況

本項目位于上海市區，本項目總建筑面積約139540m2，地上面積約80420m2，地下面積約59120m2。

根據勘察單位的的勘察報告，本場地的土層分布及部分物理力學性質指標見下表1。

表1 場地土層分布及基本物理力學指標

本場區地基土屬軟弱場地土，本次勘察揭露深度范圍內主要由一套中壓縮性和高壓縮性土組成。本次實驗在場地內施工兩根60m長的單軸水泥土樁，直徑700mm，水泥摻量為20%。

3.2 試驗內容

分別從室內試驗以及現場試驗兩個方面探索研究不同水泥土樁質量檢測的方法的差異性，室內試驗主要包括兩種不同抗壓強度試驗的對比，以及抗剪強度試驗數據的分析，現場試驗主要從成樁前后不同時間段的靜力觸探曲線分析樁身質量的情況。

3.3 兩種不同抗壓強度試驗的對比

在中華人民共和國行業標準《建筑地基檢測技術規范》中[4]針對水泥土鉆芯法強度試驗為單軸抗壓試驗，試驗儀器采用的是高精度小型壓力機，抗壓強度的計算式為：

式中: fcu—芯樣試件抗壓強度（MPa）

P—芯樣試件抗壓試驗測得的破壞荷載(N);

d—芯樣試件的平均直徑（mm）。

在上海市建設工程建設規范《基坑工程技術標準》[3]中要求水泥土鉆芯法強度試驗為無側限抗壓強度試驗，而對于無側限抗壓強度試驗，可參考中華人民共和國國家標準《土工試驗方法標準》，采用的儀器是應變控制式無側限壓縮儀，抗壓強度的確定方法為： 以軸向應力為縱坐標，軸向應變為橫坐標，繪制應力—應變曲線。以最大軸向應力作為無側限抗壓強度。若最大軸向應力不明顯，取軸向應變15%處的應力作為該試件的無側限抗壓強度[5]。

選取的芯樣統一制成直徑90mm，高徑比1:1的芯樣

圖1 制作90mm芯樣照片

圖2 單軸抗壓試驗以及無側限抗壓試驗

通過兩種不同的試驗方法，針對同一深度的芯樣強度計算如下：

圖3 兩根水泥土樁不同試驗方法數據對比

通過試驗數據對比可以發現：兩種試驗方法采用的儀器并不相同，規范的要求也不一樣，通過本次試驗數據，發現其結果并未有較大差異，但在實際檢測過程中是否可以通用，需要大量試驗數據的對比。

通過兩根水泥土樁的強度可以發現，在不同的土層，得到的抗壓強度的值離散性較大，因此僅僅通過抗壓強度的最小值來代表整根樁的質量指標并不嚴謹。

3.4 水泥土樁中抗剪試驗的探索

土的抗剪強度是土在外力作用下，其一部分土體對于另一部分土體滑動時所具有的抵抗剪切的極限強度。該試驗是將同一種土的幾個試樣分別在不同的垂直壓力作用下，沿固定的剪切面直接施加水平剪力，得到破壞時的剪應力，然后根據庫侖定律，確定土的抗剪強度指標：內摩擦角和凝聚力。

在上海的基坑工程中，尤其是水泥土重力式的圍護結構中，從設計的角度來說，應該對圍護結構中的素水泥土段的搓動剪切承載力和薄弱面局部的剪切承載力進行驗算，從檢測檢驗的角度來說，水泥土的抗剪強度指標也應該是很重要的指標，因此在本次試驗中加入了水泥土樁抗剪強度試驗的方法，試驗方法采用的是快剪試驗。

圖4 制作70mm芯樣試塊

圖5 快剪試驗

分別選取9m、15m、22m、27m、38m深度的芯樣做快剪試驗，對比S1、S2兩根樁的數據選取典型的曲線分析。

圖6 S1、S2孔9m位置快剪試驗

圖7 S1、S2孔15m位置快剪試驗

圖8 S1、S2孔22m位置快剪試驗

圖9 S1、S2孔27m位置快剪試驗

圖10 S1、S2孔38m位置快剪試驗

通過統計計算得到不同深度芯樣的內摩擦角和凝聚力如圖11所示。

圖11 S1、S2孔不同位置試驗數據分析

從實驗數據分析，S1以及S2孔的水泥土的內聚力和內摩擦角在不同深度的值略有不同，相比勘察報告中的原狀土的值均有提高，在不同深度出的抗剪強度略有不同；對于抗剪強度標準值τck與28d無側限抗壓強度標準值quk的換算關系，目前并未有準確的定性，在上海市建設工程建設規范《基坑工程技術標準》[3], 提到了冶金部建筑研究總院的研究成果，一般認為在垂直壓應力為σ0=0和quk=1MPa～5MPa時，水泥土的抗剪強度τck=（0.3～0.45）quk，通過本次實驗的數據發現，抗壓強度與抗剪強度的對應關系不是非常明顯，用抗壓強度來代替抗剪強度評價水泥土樁尤其是承受剪切破壞力的形式的水泥土樁的樁身質量是值得商榷的。

3.5 靜力觸探法在水泥土樁的應用

靜力觸探法是一種測定圖的力學特性的原位測試方法，目前較廣泛的應用于勘察工作中，一般采用經理方式均勻的將標準規格的探頭壓入土中，通過兩側探頭貫入阻力以測定土的力學參數。在水泥土樁中靜力觸探的方法也有應用，很多學者也做了一些研究，在他們的研究中利用比貫入阻力或錐尖阻力與側壁摩阻力估算樁身強度[6]，但是準確的換算關系，并未有規范做出規定，本次試驗的應用，主要利用比貫入阻力的曲線，來分析水泥土樁的均質性。

本次試驗采用的方式為：在水泥土樁施工前，在兩根試驗水泥土樁的中心及樁周做原狀土的靜力觸探試驗，在成樁完成后4天、8天、14天、28天分別做靜力觸探試驗，分析曲線的變化，其中由于水泥土樁強度的逐漸提高，在14天、28天時靜力觸探法無法鉆進，故試驗數據僅有4天、8天的數據。試驗數據如下：

圖12 S1孔成樁前樁中心與樁周土實測曲線

圖13 S1孔成樁4d、8d后樁中心實測曲線

圖14 S2孔成樁前樁中心與樁周土實測曲線

圖15 S2孔成樁4d、8d后樁中心實測曲線

從上述實測曲線可以發現，成樁前無論是樁中心還是樁周土，比貫入阻力的值相對較小，自上而下逐漸增大，在成樁4天后，S1、S2孔的比貫入阻力逐漸提高，其中④層以下的土層提高速度最快，整根樁自上而下的均勻性一般，在成樁8天后，S1、S2孔整根樁的比貫入阻力均有明顯提高，從整根樁身來看，水泥土樁的均質性較好。比較可惜的是由于水泥土強度的提高，成樁14d、28d的數據缺失。綜上所述，靜力觸探宜在成樁7d以后實施，針對所獲取的曲線，可通過整根樁的比貫入阻力判斷水泥土樁的均質性和完整性，至于強度，無明確的比貫入阻力值的換算關系。

4 結束語

結合具體的工程實例，對上海地區水泥土樁的質量檢測方法做了研究和探索。結論如下：

1.基坑工程中要求芯樣的無側限抗壓強度試驗與通常意義下的單軸抗壓試驗數據差異較小，具體在試驗工程中可參考相應規范實施，從實測數據來看，水泥土樁的抗壓強度存在較明顯的離散性；

2.針對水泥土樁圍護結構，尤其是水泥土樁的重力式擋墻，應把抗剪強度指標作為質量控制的重點，同時在本文中沒有提及水泥土樁的止水形式，在水泥土樁用于止水時，其抗滲性能也是需要重點關注的對象，該項也是作者后續研究的主要方向；

3.從水泥土樁的樁身強度以及樁身的靜力觸探曲線可以發現，通過水泥土樁的形式，大大改善了原狀土的力學性能，但是單一的從強度的角度去評價樁身質量是比較片面的，因此在實際的工程中應結合室內試驗和原位試驗從力學角度和均質性角度綜合評價水泥土樁的質量更為合適。