水泥土攪拌樁在市政工程中的應用及其檢測方法探討

繆勤榮 蘇邑設計集團有限公司

水泥土攪拌樁作為一種成熟的地基處理方法，在我國市政工程建設中得到廣泛應用，但面對水泥土攪拌樁的不同功能要求，現有規范和標準對水泥土攪拌樁的設計及檢測方法規定不完整，難以指導實際工程應用。本文旨在從水泥土攪拌樁作用機理角度，并結合實際工程應用經驗，探索各類市政工程中水泥土攪拌樁設計和施工要點，并從水泥土攪拌樁的應用功能出發，提出不同工程應用時水泥土檢測方法。

1.水泥土攪拌樁的發展

水泥土攪拌樁作為一種應用最廣的軟土地基處理方案，上世紀二戰后由美國最先開發使用，50年代日本從美國引進這種工法，廣泛應用于防波堤、碼頭岸壁及高速公路高填方下的深厚層軟土地基加固。我國于1977年開始室內試驗及施工機械的研究，并于70年末開始在工程上的應用，距今已有40多年。

圖1 水泥土攪拌樁施工流程

圖2 提高地基承載力應用示意圖

圖3 減少地基沉降應用示意圖

圖4 支護或止水應用示意圖

水泥土攪拌樁施工方式分為干法與濕法，干法即通常講的粉噴樁，通過高壓空氣將干水泥粉末噴入土體攪拌形成，該方法對土體含水量有要求，如土體含水量低于30%，則可能導致水泥水化不充分，影響樁體強度，不宜采用干法施工。實際工程中濕法施工用的較多，也即通常講的深攪樁，預先含合適的水灰比拌好水泥漿，將水泥漿噴入土中，攪拌形成加固樁體。濕法施工樁體質量較易控制，實際施工中較多采用。濕法加固深度不宜大于20米，干法加固深度不宜大于15米。

水泥攪拌樁的作用機理是基于水泥在土中的水化和水解作用，形成硬質骨架，水泥與土攪拌后形成的樁體可以提高原狀土體強度、壓縮模量，降低滲透系數。根據相關資料，在淤泥質土中，水泥摻入比為15%的水泥土攪拌樁90天強度可達1.2～2.5MPa，壓縮模量可提高至60～100Mpa，滲透系數降低至原狀土的數千分之一。

2.水泥土攪拌樁在市政工程中的應用

2.1 加固原狀土，提高地基承載力

水泥攪拌樁利用水泥加固土體，形成半剛性水泥土樁，由于摻入水泥后，土體力學特性得到了大幅增強，最主要表現在水泥土攪拌樁強度上，因此水泥土攪拌樁在工程上早期應用的工程多為地基處理工程。

基于水泥土樁的半剛性的性質，水泥土樁可以與樁間原狀土形成變形協調，發揮原狀土的承載能力，共同承擔上部結構荷載，構成復合地基，極大提高地基承載力。這一特性的應用常見于構筑物地基處理，如重力式墩臺基礎、過水箱涵基礎、路基擋土墻基礎、河道駁岸基礎等工程的地基加固。

2.2 加固原狀土，減小地基沉降量

根據相關文獻，水泥土攪拌樁的壓縮模量范圍為60～100MPa，基于復合地基樁、土變形協調原理，《深層攪拌法技術規范》（DLT 5425-2009）規定，處理后的復合地基壓縮模量與水泥土攪拌樁面積置換率呈正相關，復合地基壓縮模量根據原狀土的壓縮模量和攪拌樁體的壓縮模量按樁、土面積占比加權平均，原狀地基土經水泥土攪拌樁加固后，壓縮模量提高數倍，可極大的減小處理段地基沉降量。這一特性的應用常見于高填方路堤地基處理、軟土層深厚路段地基處理、橋頭填方地基處理、對沉降敏感的構筑物地基處理等。

2.3 加固原狀土，提高土體抗剪強度和抗滲性能。

水泥土攪拌樁可提供較高的抗剪能力和抗滲能力，工程中常有以下幾種應用方式：①連續施打形成重力式水泥土擋墻，作為基坑支護；②根據基坑開挖深度的增加，還可在水泥土攪拌樁內插型鋼形成SMW工法樁，或與鋼筋混凝土灌注樁或預應力混凝土管樁等剛性樁組合應用，提高結構支擋能力，適應深基坑施工；③基坑底部滿堂施打，作為坑底止水措施；④施打在河道堤壩下方，作為止水帷幕，阻斷河水滲流。

3.水泥土攪拌樁設計和施工要點

相關研究表明，水泥土攪拌樁成樁質量與地基土土質、地基土含水量、水泥標號、水泥摻量、攪拌均勻度、養護周期關系密切，在設計和施工過程中應注意以下幾點：

（1）砂性土加固效果好于粘性土，粘土加固效果好于粉質黏土及淤泥質粉質黏土。

（2）水泥土攪拌樁強度隨地基土含水量的增加而降低。因此水泥土攪拌樁在一些流砂地質、飽和軟粘土中加固效果一般。

（3）PO.42.5水泥攪拌樁強度比采用PO.32.5水泥攪拌樁強度高30%～50%，實際工程中一般使用PO.425水泥作為固化劑。

（4）水泥土攪拌樁強度隨水泥摻量增加而提高，研究表明，在水泥摻量小于5%時，水泥與土的反應過弱，水泥土固化程度低，強度離散性也較大，故在水泥土攪拌法的實際施工中，水泥摻量應大于5%。經大量研究數據回歸分析，水泥土攪拌樁的抗壓強度與水泥摻量呈冪函數關系，其表示式為：

其中qu1和qu2為相應水泥摻量α1和α2的水泥土攪拌樁抗壓強度，本式成立的水泥摻量范圍為10%～20%。

（5）具體設計時應根據實際情況選擇合適的水泥摻量：

1）對于滿堂加固地基，相當于復合地基置換率為1，水泥土的強度即為地基土強度，因此這種情況下可適當降低水泥摻量，一般可控制在7%～12%。

2）對于單樁增強體加固，綜合考慮地基土質、置換率等情況確定水泥摻量，一般可取12%～20%。含水量大的軟粘土，水泥摻量取大值，砂土、粉土中可取小值；置換率大時，樁間距小，需考慮群樁影響，樁周摩阻力不能完全發揮作用，單樁承載力較小，對樁身強度要求較小，水泥摻量可取小值；置換率小時，樁間距大，水泥攪拌樁周摩阻力完全發揮作用，這時水泥摻量可取大值。

3）用于基坑支護擋墻或用于SMW工法樁時，對水泥攪拌樁樁身抗剪強度及抗滲性要求較高，水泥摻量不宜小于20%。

4）對于主要承受豎向荷載的水泥土攪拌樁，由樁頂向下，樁側摩阻力越來越大，樁身軸力逐步降低，設計中可采用變摻量設計，對于長度10米以下短樁，可分兩部分設計水泥摻量，樁身上部水泥摻量略高于樁身下部。對于長度超過10米的長樁，可分三段設計水泥摻量，在總摻量不變的情況下，樁身上部1/3樁長范圍內，水泥摻量可適當增加，樁身下部1/3樁長范圍內，水泥摻量可適當減少。

（6）水泥土攪拌樁強度隨齡期增長而增長，數據分析表明，水泥土強度在28天齡期后，強度仍有大幅增加，90d齡期強度相對于28d強度仍可增加約40%～80%，180d強度約為90d強度1.25倍。考慮工期，并為節約工程造價，承受豎向荷載的水泥土攪拌樁可取90d齡期強度作為設計強度，承受水平荷載的水泥土攪拌樁宜取28d齡期強度作為設計強度。實際工程中可根據28d強度，推求90d強度，根據《地基處理手冊（2008版）》（浙江大學龔曉南），經大量研究數據回歸分析，水泥土攪拌樁的抗壓強度與齡期之間呈冪函數關系，其表達式為：

其中qu1和qu2為相應齡期T1和T2的水泥土攪拌樁抗壓強度，本式成立的齡期范圍為15～90d。

（7）采用樁身強度作為設計指標時，設計文件中應明確樁身抗壓強度的設計值，作為驗收檢測依據，樁身上部、中部、下部各部位的抗壓強度設計值根據受力特點可略有區別，下部可低于上部。

（8）采用標貫擊數作為設計指標時，設計文件中應明確樁身設計標貫擊數，作為驗收檢測依據，樁身上部、中部、下部各部位的設計標貫擊數可略有區別，下部可低于上部。

（9）水泥土攪拌樁的長度，應根據上部結構對地基承載力和變形的要求確定，并應穿透軟弱土層到達地基承載力相對較高的土層，當設置的攪拌樁目的為提高地基穩定性時，其樁長應超過危險滑弧以下不少于2.0m。

（10）一般來說樁頭成樁質量較差，施工時應高出設計高程0.5m左右，施工結束后破除樁頭。

4.水泥土攪拌樁檢測方法探討

4.1 水泥土攪拌樁常用檢測方法

4.1.1 量測法（目測法）

成樁7天后，開挖淺部樁頭，觀察樁身水泥土攪拌均勻性，量測樁徑、樁距是否滿足設計要求。該方法是最基本、最常用的檢測方法，通過直接觀察樁體，對成樁質量可以有大致的估計。按樁基受力特點，水泥土樁樁頭受力最大，樁頭施工質量需嚴格把控，因此成樁后需要開挖觀察樁頭成樁效果，同時為了不影響樁基承載力，開挖深度不宜太大，一般只開挖至停漿面以下0.5m處，其下樁身施工質量如何采用其他試驗進行檢測。

4.1.2 輕型動力觸探

在攪拌樁初凝期（成樁3天內）采用N10輕型動力觸探檢測上部樁身均勻性，如齡期太長，水泥土強度發展后，輕型動力觸探試驗難以實現。輕型動力觸探常用來檢測淺層地基水平向的均勻性，貫入深度一般取樁頂以下4m以內，根據水平向天然地基同深度的錘擊數統計，判斷天然地基在水平向的均勻性，檢測結果比較寬泛，主要是供設計者做大概的判斷。《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2012）規定輕型動力觸探檢測頻率為1%，考慮到試驗本身的誤差、土質的變化、齡期的差別，通過錘擊數判斷樁身均勻性，結果誤差較大，而且只能檢測上部4m之內的樁身均勻性，其實際檢測意義并不大，可被取芯試驗或標貫試驗代替。

4.1.3 鉆芯取樣

水泥土攪拌樁達到設計齡期后，通過鉆取芯樣檢測水泥土攪拌樁樁長、樁身強度和均勻性。取芯孔要避開攪拌盲區，一般選擇離樁中心2/5樁徑處。根據芯樣的連續性、完整性、堅硬程度、攪拌均勻度等判斷樁身均勻性，根據取芯樣進尺，測定樁長。選取芯樣，進行無側限抗壓強度試驗，測定樁身抗壓強度標準值，并可根據需要在無側限抗壓強度試驗時測定變形模量。一般水泥土樁設計強度采用90天齡期強度，而現場實際上很多工程無法等待90天后再進行檢測，實際工程中，可測定28天齡期強度，根據28天強度推定90天齡期強度。

4.1.4 標準貫入試驗

可結合水泥土樁取芯做標準貫入試驗，由于取芯孔直徑一般大于91mm，而標貫貫入器外徑51mm，可在取芯后在取芯孔內直接進行標貫試驗。通過標貫擊數判斷樁身硬度，估算樁身強度和壓縮模量。

4.1.5 滲透試驗

取芯芯樣可采用變水頭滲透試驗測定28天齡期的水泥土滲透系數。還可采用現場抽水試驗或壓水試驗，測定水泥土墻的滲透系數，判斷止水效果。

4.1.6 載荷試驗

水泥土攪拌樁達到設計齡期后，可采用單樁載荷試驗檢測單樁承載力，或采用復合地基載荷試驗檢測復合地基承載力，兩種檢測方法均可準確測定復合地基承載力。對于重要工程應在設計之前進行試樁，做載荷試驗確定設計及施工參數，試樁可取工程樁，試驗結束后作為工程樁使用。

4.1.7 低應變法

水泥土攪拌樁作為豎向增強體，具有彈性體變形特征。無側限抗壓強度為40Kpa的天然土體，經攪拌加固后其無側限抗壓強度可達2000KPa，水泥土攪拌樁與天然土體抗壓強度比達50，水泥土攪拌樁與天然土體中的波速差異較大。工程中，可以利用低應變法檢測水泥土攪拌樁長度及完整性。

4.2 不同類型項目水泥土攪拌樁的檢測要求

4.2.1 以提高地基承載力為目的的水泥土攪拌樁

用于重力式墩臺基礎、過水箱涵基礎、路基擋土墻基礎、河道駁岸基礎等工程的地基處理，以提高地基承載力為目的的水泥土攪拌樁，建議檢測方法見表1。

表1 以提高地基承載力為目的的水泥土攪拌樁檢測

由于承受豎向荷載的水泥土攪拌樁一般取90d強度進行設計，而一般工程無法接受停工等待90天進行檢測后再行施工，因此實際工程中對于工期緊張的大型工程，可采用28d強度進行設計，并在成樁28天后要求做載荷試驗檢測地基承載力是否滿足設計要求。

對于一些小型工程項目因為處理范圍小，地層變化小，上部荷載小，根據規范公式估算精度滿足設計要求，做靜載試驗意義不大，一般可不做，如在取芯或標貫試驗發現樁身強度不足，樁長不夠，樁身斷裂等情況，可進行載荷試驗，校核地基承載力，判斷是否需要加固地基。

實際工程中根據情況可采用可取28d無側限抗壓強度推定90d無側限抗壓強度。

4.2.2 以減小地基沉降為目的的水泥土攪拌樁

用于高填方路堤地基處理、軟土層深厚路段地基處理、橋頭填方地基處理、對沉降敏感的構筑物地基處理等工程，以提高地基土壓縮模量，減小地基沉降為目標的水泥土攪拌樁，設計齡期一般取90天，建議檢測方法見表2。

表2 以減小地沉降為目的的水泥土攪拌樁檢測

實際工程中根據情況可采用可取28d無側限抗壓強度推定90d無側限抗壓強度。

4.2.3 以提高土體抗剪強度和抗滲能力的水泥土攪拌樁

用于基坑工程、堤壩工程，以提高土體抗剪強度和抗滲能力的水泥土攪拌樁，設計齡期一般取28天，建議檢測方法見表3。

表3 以提高土體抗剪強度和抗滲能力的水泥土攪拌樁

5.結語

（1）實際工程設計時，應根據不同項目特點、地質條件和水泥土攪拌樁在工程中發揮的作用，合理確定水泥土攪拌樁水泥摻量、設計齡期、置換率、樁長等設計參數。

（2）不同的工程，水泥攪拌樁發揮的作用不同，工程驗收時，應根據設計文件要求以及水泥土攪拌樁的不同功能要求，靈活利用檢測方法的各種組合，選擇合理的檢測驗收方法，增加必要檢測，減少無用檢測，提高檢測結果準確度，保證工程安全。