公路軟土路基水泥攪拌樁承載力影響及優化研究

柴高理

（甘肅路橋第三公路工程有限責任公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

在公路工程項目施工中，軟土路基處理是難點問題。水泥攪拌樁是一種重要的軟土路基處理方式，該方式具有處理效果好、綜合成本低等特點，能夠有效提升路基施工質量。應用該技術處理軟土路基時，需要準確計算樁體承載力，確定最適宜的置換率，優化樁體剛度、長度等參數，并優化上部結構設計方式，如此才能在滿足施工質量控制要求的前提下，有效提升施工效果，控制整體施工成本。

1 水泥攪拌樁法概述

水泥攪拌樁是當前公路工程中處理軟土路基的重要技術形式之一。在施工過程中，以水泥或石灰材料作為固化劑，利用攪拌機械在地基深處進行強制攪拌，通過物理和化學變化將軟土硬結為高強度、高水穩定性的整體結構，能夠有效提高地基強度及變形模量，有效提升軟土路基的運行性能，為后期施工提供有力保障[1]。依照現行的《公路軟土地基路堤設計與施工技術細則》（JTG/T D31-02—2013）要求，水泥攪拌樁質量檢測內容如表1 所示。

表1 水泥攪拌樁質量檢測要求

2 水泥攪拌樁承載力影響因素試驗分析

2.1 工程概況

2.1.1 工程地質概況

某公路工程項目總長度為712m，設計為填土路基。一般路段最小填土高度為1.6m，路堤最大填土高度為8.7m，路基邊坡為1∶1.5，路基頂面寬度為25.5m。路段地貌為沖積平原，地表地形較為平坦，含水量較大。經人工回填平整后，路基基本能夠滿足施工現場技術應用要求，但由于路段整體為軟土路基，其承載能力與施工設計要求偏差較大，運行穩定性不足，因此需要采用水泥攪拌樁技術進行加固處理，提升地基綜合運行性能。

2.1.2 試驗方案設計

為切實保證水泥攪拌樁施工技術的應用成效，使路基經過處理能夠滿足道路施工需求，需采用試驗方式對施工效果進行預評估，并對具體施工參數進行優化。試驗方案設計如下：試驗樁徑為0.5m，樁間距為1.5m，整體布置為正三角形；地基承載力設計為120kPa，最大試驗載荷為500kN；檢測方式為取芯法和慢速維持荷載法，結合現場參數采集，通過載荷試驗與室內試驗結果對比的方式，評估水泥攪拌樁技術應用效果，分析水泥攪拌樁承載力的具體影響因素，為后期應用施工技術提供參考。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 室內試驗結果及分析

室內試驗是在現場采集主要土體類型，將每種土體制作成不同當量配合比的試塊，并在不同養護周期下進行組合試驗，采用無側限抗壓試驗設備進行檢測，分析不同因素對水泥攪拌樁承載力的具體影響[2]。該研究中確定的試驗土體主要有細砂、粉土、粉細砂等種土體；試塊當量配合比分別設定為55kg、60kg 和65kg；養護周期設定為7d 和28d。試驗分析結果顯示：在其他條件一致的情況下，試塊力峰值為65kg＞60kg＞55kg；在其他條件一致的情況下，試塊力峰值為粉細砂＞粉土＞細砂；在其他條件一致情形下，養護周期設定為28d＞7d。

2.2.2 載荷試驗結果及分析

依照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)，采用單樁豎向靜載荷方法進行現場試驗，該方式能夠較為準確地評估地基土的支承能力，有助于準確分析樁身材料強度對承載力的影響[3]。現場載荷試驗平面示意圖如圖1 所示。

圖1 某公路軟土路基工程水泥攪拌樁現場載荷試驗平面示意圖

該研究中，現場試驗選擇1-1、1-2、1-3 三根單樁進行試驗，利用有限元分析法計算單樁承載力，并與室內試驗結果對比，對水泥攪拌樁承載力影響因素進行分析。

2.3 模型驗證

有限元模型是分析力學關系的主要方式，依照有限元分析方法應用要求和該項研究的實際情況，模型驗證流程如下：第一，模型簡化。有限元模型構建需要排除非必要影響因素，優化計算過程，以減少不必要的計算量。第二，網格劃分。將模型劃分為八節點六面體單元，該試驗共劃分25404 個單元和37790 個節點。第三，底部選擇為全部自由度約束，側面選擇為法向自由度約束。第四，導入素填土、黏土及樁等材料的密度、層厚、楊氏模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等參數，采用單樁加壓方式進行處理。借助系統計算出樁頂端節點豎向應力平均值，結合樁橫截面面積，繪制荷載沉降曲線。

2.4 結果分析

基于模型繪制的承載力曲線、不同當量配合比承載力曲線、不同養護齡期承載力曲線分析，對比室內試驗結果，可以看出模型模擬結果較為吻合。可以證明，在公路軟土路基施工中，在特定范圍內，當量配合比對水泥攪拌樁的承載力有直接影響，當量配合比越大，水泥攪拌樁的承載力就越高，尤其是在后期，差異更顯著[4]。養護周期對水泥攪拌樁的承載力也有明顯影響，養護周期越長，樁體的承載力也越高，尤其是在15～28d 養護期間，強度增加更為顯著。

綜合分析試驗過程可以看出，水泥攪拌樁的承載力主要受以下因素影響：第一，施工材料。在其他相同條件相同，土體材料不同的條件下，力峰值有明顯差異。第二，當量配合比。在其他條件相同，當量配合比不同的情況下，單樁承載力也有明顯不同。第三，養護齡期。在限定時段內，水泥攪拌樁的承載力與養護齡期呈正比，且整體強度呈加速增長狀態。但是水泥攪拌樁現場施工條件較為復雜，施工人員技術水平也有明顯不同，因此在施工管理中，應注意技術應用要點，對施工組織方式進行優化，確保水泥攪拌樁的承載力能夠達到規范要求，有效解決軟土路基問題。

3 水泥攪拌樁在軟土路基施工中的應用要點

3.1 前期準備

軟土路基施工技術應用場景較為復雜，技術應用要求高，在施工前期必須做好相應的準備工作，尤其是要做好場地平整工作，為施工組織和施工安全提供有力保障。前期準備需做好如下工作：第一，做好雜草及雜物清理，在低洼地區換填黏性土或砂墊層，確保樁基礎承載力達到相應要求[5]。第二，做好地表水排放處理，確保路面達到良好硬化，將洞口位置偏差控制在2m 以內，準確做好現場測量并記錄測量結果，確保混凝土高度能夠達到施工要求。第三，人員準備。技術人員應具備豐富的施工經驗，能夠準確把握施工技術要點，配合現場管理人員做好技術指導工作，做好施工材料配合比及當量配合比優化工作。第四，機械設備方面的準備。施工開始前，要全面細致地做好對各個機械設備的運維檢修，機械設備經監督單位審查合格才能進入施工現場。第五，材料方面的準備。確保材料質量達到檢測要求，廠家和第三方檢測單位出具材料合格報告后，才能進行施工組織。

3.2 準確定位

在水泥攪拌樁施工作業前，需要準確做好測量定位，這是保證施工質量的重要環節。在現場管理中，應確保起重機等機械設備定點停放，避免隨意停放影響實際測量結果。在現場條件較為復雜的施工區域，應提前進行處理，確保攪拌樁機位置合理，提升樁位位移安全水平[6]。在作業過程中，還應采用錘擊法調整鉆桿和地面的垂直角度，將垂直偏差控制在1%以內。鉆桿鉆進后，要做好鉆孔深度測量和記錄，為后續施工作業奠定良好的基礎。在施工過程中，如出現施工臨時中斷，應將中斷時間控制在40min 之內。如超出時間要求，則必須對設備和管道進行全面清洗，避免出現水泥固結現象。在確保鉆進停漿面比操作面標高多出0.5m 時，才能夠進行后續開挖作業。

3.3 攪拌處理

水泥攪拌樁施工質量、水泥攪拌樁承載力直接受攪拌處理效果的影響。為保證攪拌處理效果，在該環節作業中應注意如下要點：第一，在水泥攪拌樁冷卻裝置正常運行的狀態下，需要將啟閉機打開，松開起重機內的鋼絲繩，確保水泥攪拌樁能夠沿設計方向下沉。第二，合理控制下沉速度，并根據監測速度做好調整，避免出現速度偏高或偏低等問題，對施工質量產生影響。第三，采用均勻提升和下沉相結合的方式，提升水泥攪拌樁施工的均勻性，實現水泥漿與軟土地基的有效結合，提升路基強度。第四，在鉆進過程中，需要嚴格控制噴漿量，在攪拌時長超出2min時，需要關掉攪拌器和換擋齒輪[7]。第五，根據鉆進速度，做好鉆孔與鉆桿的接觸處理，確保漿液噴射均勻，避免噴嘴堵塞。

3.4 優化質量控制措施

在軟土路基施工過程中，需確保水泥攪拌樁承載力達到設計要求，確保整體施工質量得到有效控制，還應依照規范和現場情況，優化質量控制措施，深入、細致地做好各個方面的施工管理工作。例如，在水泥攪拌樁養護階段，應采用雙管取樣法進行采樣，以準確評估水泥攪拌樁的承載力，避免鉆模變形過大對樁體質量產生影響。開展復合軟土路基承載力試驗時，應根據現場施工條件適當增加試驗次數，如果承載力不足，路基強度和硬度無法達到施工要求，應當準確分析問題產生原因，并結合其他軟土路基處理技術，再次對軟土路基進行處理，以有效保證公路工程項目建設質量。

3.5 特殊情況處理

軟土路基水泥攪拌樁施工過程中常會遇到特殊情況，會對樁體承載力及路基承載力產生影響，甚至導致施工流程中斷。因此，要確保水泥攪拌樁施工順利開展，應從實際情況出發，完善應急處理措施，避免對施工組織產生影響。特殊情況主要包括如下幾種類型：第一，鉆進過程中出現卡管情況。為避免卡管現象，應合理控制鉆機速度，采用涂層疏散方式進行處理。如果在鉆桿提升過程中出現卡鉆現象，則應暫停噴漿，待鉆機正常運行再進行鉆進作業。第二，鉆進過程受阻。通常是由于路基中存在石塊、樹根等異物，需要在故障排除后繼續鉆進，或者經設計和監理同意后移位施工。第三，鉆進過程中噴漿中斷。主要原因有管道堵塞、水泥結塊、制漿池濾網破損及清漿不徹底等，需要根據實際情況做好對應處理再繼續下鉆[8]。第四，噴漿量不足。通常是壓力不足導致的，該現象會嚴重影響水泥攪拌樁的承載力，因此在鉆進過程中應將噴漿壓力控制在0.4MPa 以上，選擇合適的制漿池位置，并做好管道維護和檢查工作，確保噴漿量達到施工要求。

4 結語

水泥攪拌樁承載力是公路軟土路基施工質量的重要影響因素，在施工管理工作中，必須采用室內試驗與現場試驗相結合的方式，準確分析影響承載量的主要因素，進而優化施工組織流程，確保承載力達到設計要求，有效提升軟土路基處理效果，為后續施工奠定良好的基礎。