低含水率粉質壤土中攪拌樁施工方案試驗研究

摘 要：為解決中國北方地區低含水率粉質壤土中水泥土攪拌樁施工過程中鉆頭鉆進攪拌困難的實際問題，以河北省白溝河治理工程（涿州段）東茨排水涵閘閘基水泥土攪拌樁地基處理工程為背景，開展預浸水法和較高水灰比法兩種施工方案的可行性現場試驗研究，通過對現場施工速度和水泥土抗壓強度等參數的實測，對比分析了2種方案在該場地條件下的可行性。結果表明，預浸水法和較高水灰比法在低含水率粉質壤土中均具有工程適用性，但較高水灰比法在施工效率和施工效果等方面均優于預浸水法，且在粉質壤土條件下，采用較高水灰比法施工時，同時滿足施工質量和經濟性的最優水灰比為1. 5。該研究成果為低含水率粉質壤土中水泥土攪拌樁施工方案選擇提供了新的思路，也為類似條件下的水泥土攪拌樁施工提供了可靠的施工技術參數。

關鍵詞：低含水率粉質壤土；水泥土攪拌樁；施工方案優化；最優水灰比

中圖分類號：TV522 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）09-0093-08

水泥土攪拌樁法以水泥為固化劑，在與土顆粒混合后形成固化土，與天然土相比具有較高的結構性強度［1］，不僅在解決水利工程中地基承載力不足、堤壩滲漏等工程問題時效果良好［2-5］，在中國多個工程領域地基加固中也得到了廣泛應用［6-10］。根據場地土層的含水率不同，可以采用濕法和干法兩種施工方法。當地基土的天然含水率小于30%時不宜采用干法施工［11］。在中國北方地區，對于絕大多數水利水電工程項目來說其施工期均處于旱季，地下水位埋深相對較大。因此，地基土含水率相對較低，土質相對堅硬，抗剪強度較高，導致水泥土攪拌樁施工過程中在施工速度和成樁質量兩個方面均存在突出問題。在施工速度方面，由于土質堅硬，直接導致攪拌鉆頭下鉆困難，鉆頭葉片變形嚴重甚至卡鉆的情況時有發生，從而嚴重降低施工效率，影響施工工期；在成樁質量方面，由于土體含水率較低，攪拌后水泥土在后期取芯過程發現夾泥較為嚴重，均勻性較差，影響水泥土強度的發揮。對于采用水泥土攪拌樁處理地基土時出現的相關問題的研究，多數國內外學者研究重點主要包括基于室內試驗研究水泥土攪拌樁復合地基承載力和沉降特性分析［12］；利用數值模擬方法通過模型來分析水泥土攪拌樁承載性狀［13-15］；以及水泥土攪拌樁與其他形式樁體組合處理地基的質量評估和質量評價方法等［16-17］方面的研究，而對于低含水率粉質壤土條件下水泥土攪拌樁施工方案改進和關鍵施工技術參數的研究相對較少。因此，針對該內容開展試驗研究具有重要工程實際意義。

為解決以上實際施工問題，本文結合河北省白溝河（涿州段）治理工程東茨排水涵閘閘基水泥土攪拌樁地基處理工程，對預浸水法和較高水灰比法2種施工方案進行現場探索性試驗研究，重點分析2種施工方案中水灰比對施工速度和水泥土強度的影響。通過試驗結果評價2種施工方案的工程適用性，并結合實際工程分析低含水率粉質壤土地基條件下的水泥土攪拌樁優選施工方案，同時分析滿足施工效率和水泥土質量的最優水灰比取值范圍。

1 工程概況

白溝河治理工程（涿州段）主要是針對河流左右有兩岸的排水涵閘進行的拆除重建。由于該段兩岸村莊地勢低洼，在強降水過程中容易出現洪澇災害，在河流兩岸均修建有排水涵閘，其主要作用是在兩岸村莊出現內澇時，將洪水排入白溝河。現存排水涵閘自投入使用至今已有近60 a，其鋼筋混凝土結構已出現局部損壞，設備不能正常使用，涵閘也出現嚴重堵塞，其防洪功能基本喪失，需拆除重建。該治理工程共涉及劉園子、塔西郭、雙柳樹、二龍坑和東茨5個涵閘工程，地基土存在問題主要是承載力和抗液化能力不能滿足要求，因此采用水泥土攪拌樁復合地基進行處理，提高承載力和抗液化能力。具體試驗研究場地位于白溝河左堤東茨排水涵閘穿堤涵洞靠近上游位置。根據勘察報告成果，該場地主要地基土層以粉質壤土為主，稍濕，堅硬到硬塑狀態，取樣實測土體粒徑0. 075～0. 050mm粉粒平均含量為36. 4%，0. 05～0. 01 mm粉粒平均含量為38. 5%，0. 010～0. 005 mm粉粒平均含量為8%，0. 005 mm 以下黏粒平均含量為14. 9%，因此，土層中粉粒含量所占比重較大。設計采用水泥土攪拌樁對地基進行處理，施工方式為單軸攪拌。

2 試驗方案

2. 1 對比試驗方案的選定

從現場的工程地質條件、項目研究的可行性和研究成果的實用性出發，要解決低含水率粉質壤土地基中水泥土攪拌樁施工速度和施工質量存在的問題，通常采用的主要方案包括2個方面，一方面從鉆機改進角度出發，通過提升鉆機的功率和改進鉆頭形式來提升施工效果［18］；另一方面從改善低含水率粉質壤土的含水率出發，通過提高土體含水率，降低其抗剪強度來減小鉆頭在鉆進攪拌過程中來自于地基土的抗扭力矩。在實際工程中，水泥土攪拌樁施工設備相對固定，在已選定施工設備的前提下，采取具體措施來提高土體含水率成為解決實際問題的首選方案。因此，考慮實際工程條件、施工設備情況和試驗的可操作性，特制定以下2種具體試驗方案。

a）在水泥土攪拌樁施工前對樁長范圍內的土體預先浸水，增加土體的含水率，即預浸水法。在樁中心點位置設置先導孔并在孔內注水，水在自然狀態下在土中的滲透使孔周圍土體浸水軟化，通過提高攪拌范圍內土體的含水率來降低土體抗剪強度，降低鉆頭鉆進難度，在水泥土攪拌樁施工時采用相對較小水灰比。

b）在水泥土攪拌樁施工過程中直接采用較高水灰比水泥漿進行施工，即較高水灰比法。通過超常規水灰比水泥漿進行攪拌施工，水泥漿中增加的水量可用于軟化土體，降低土體抗剪強度，提升攪拌效果，其余水量用于水泥漿水化反應，確保水泥土的工程質量。

2. 2 試驗研究技術路線及相關指標測定方法

針對已選定的2種試驗方案，制定具體試驗流程見圖1。試驗過程中，預浸水法主要是測定場地土層在浸水后不同水灰比條件下水泥土攪拌樁的施工速度和水泥土強度；較高水灰比法主要測試天然地基土條件下不同水灰比時水泥土攪拌樁的施工速度和水泥土強度。

水泥土攪拌樁施工速度是通過鉆機上的自帶控制儀記錄每次下鉆和提鉆所用時間，從而計算每次鉆進的平均施工速度。采用萬能材料試驗機在室內開展水泥土鉆芯無側限抗壓強度測試。

2. 3 現場試樁總體實施方案

為全面評價預浸水法與較高水灰比法2種方案的工程適用性，將現場試驗試樁的施工區域分為2個部分。圖2所示為現場試樁平面布置，圖中左側部分為預浸水法現場試驗試樁布置，共設計3根試樁，平面布置為等邊三角形，樁徑600 mm，試樁中心距為2. 4 m，編號為a、b、c，對應施工水灰比取較低值，分別為0. 5、0. 8和1. 0；另一部分地基土未浸水，在天然含水率條件下采用不同水灰比進行施工，試樁位置見圖2右側部分區域。試樁共10根，分為2排，試樁中心距為1. 4 m，編號為1—10號，水灰比取值分別為0. 5、0. 8、1. 0、1. 3、1. 5、1. 8、2. 0、2. 3、2. 5、2. 7。施工完畢后，在養護28 d齡期時現場試樁見圖3。

由于水泥土在硬化過程中水泥漿中含水量的多少對水泥土后期強度影響較大［19-20］，因此，較高水灰比方案在現場試驗時考慮了較大變化范圍的水灰比取值，目的在于一方面可以用較大水灰比的試驗成果評價該施工方案的可行性，詳細研究水灰比持續增加對試驗成果的影響，進而可以確定采用該方案的最優水灰比值范圍；另一方面，水灰比為0. 5、0. 8和1. 0時與預浸水法3根試樁施工水灰比相同，測試成果同時可用于對比分析預浸水和天然地基條件下水泥土攪拌樁的施工效率與成樁質量的差異，從而評價預浸水法施工方案的可行性，同時通過試驗數據分析得出該場地條件下的滿足施工要求的最優水灰比取值范圍。

3 現場和室內試驗及試驗成果分析

現場試驗在工程大范圍施工前開展，現場試驗重點測試參數為鉆機鉆進速度，室內試驗測試參數為水泥土鉆芯的無側限抗壓強度。

3. 1 試驗具體方案

3. 1. 1 預浸水法

由于現場成孔數量較少，浸水孔采用洛陽鏟人工成孔，孔徑為90 mm，孔深按照現場粉質壤土層的厚度取為7. 0 m。為防止孔內浸水過程中導致孔壁土體坍塌，在浸水前在孔內放入直徑75 mm的PVC管，起到護壁作用。管壁人工設置透水孔，采用管內注水方式使浸水孔內保持滿水狀態，從實際工程工期角度考慮，浸水時間不宜過長，否則失去實際工程應用意義，本試驗浸水時間為24 h。浸水試驗完成后取出PVC管，在3個試驗孔位置進行攪拌樁試樁的施工，水泥摻入與工程設計要求一致，取為20%。地基土浸水后含水率增加，按《深層攪拌法地基處理技術規范》DL/T 5425—2018中建議，1、2和3號試樁施工水灰比值分別取0. 5、0. 8和1. 0。

3. 1. 2 較高水灰比法

根據方案安排，試樁a、b、c完成后，在其東側天然地基中進行不同水灰比的1—10號試樁的施工。在施工過程中嚴格控制水泥漿的配比和噴入量，確保水泥土樁的水泥摻入量與設計方案要求的20%水泥摻量一致。試樁施工過程中注意垂直度，防止出現樁體傾斜而導致相鄰試樁之間的影OLXYRBwpWTSpFG09wDF/EaZOsL//1sIoRrrbMnzk5RU=響。

2個方案現場試驗過程中重點監測試樁施工過程中每根樁的施工速度，并記錄試樁完成時間。在現場條件下養護到齡期28 d。28 d齡期時對13根試樁進行取芯，到試驗室進行加工后測定其無側限抗壓強度值。

3. 2 試驗成果分析

3. 2. 1 預浸水后地基土中水泥土攪拌樁施工速度的變化規律

在3個先導孔預浸水達到24 h后采用同一臺鉆機對3個試驗點分別進行試樁施工，施工過程中記錄每鉆進1 m所用時間，換算出每米深度范圍內鉆頭鉆進平均速度，得出3根試樁施工鉆進速度隨鉆進深度之間的關系曲線見圖4。

從圖4中曲線變化規律可知，總體上來看，地基浸水的3根試樁的施工速度較未浸水試樁均有明顯提升，且浸水試樁施工時，水灰比越大施工速度越快。該規律說明在現有場地條件下，浸水后的地基土在水泥土攪拌樁施工過程中，當水灰比在一定范圍內變化時對施工速度具有明顯影響。因此，在實際工程中施工時，地基浸水后仍應考慮施工速度要求來合理地選用水灰比值。

綜合分析圖4和表1中的施工速度值可知，在施工水灰比為0. 5、0. 8和1. 0時，未浸水試樁的平均施工速度均小于0. 5 m/min，而工程要求的下鉆速度為0. 5～0. 8 m/min，顯然在未浸水條件下較低水灰比時施工效率不能滿足要求。浸水后的試樁除1號試樁6～7 m深度范圍的施工速度為0. 49 m/min外，1—3號試樁其他深度范圍的施工速度均在0. 5 m/min 以上，最高為0. 79 m/min，均滿足施工速度要求。該結果說明預浸水法可以提高地基土含水率，對于提高施工效率具有顯著作用。

此外，從浸水后施工速度沿深度變化曲線規律可知，地基浸水的3根試樁的施工速度均大致在深度4 m以下出現不同程度的下降，結合現場土質條件分析原因主要是在孔內浸水后，一方面由于土體顆粒粉粒和黏粒含量很高，浸水孔周圍土體內產生的毛細水致使土體產生假黏聚力并體現出“假塑性”而使土體滲透性顯著降低；另一方面粉質壤土在浸水飽和后強度降低，部分土體在自重作用下沿護壁PVC管與孔壁之間的孔隙向下坍塌，而試驗場地粉質壤土中的黏粒含量較高，黏粒、粉粒與水混合形成泥漿混合液，在孔的下半部形成泥漿護壁，導致孔內水在泥漿護壁的阻隔下向周圍土中持續滲流變的非常困難，越靠下部泥漿護壁作用越顯著，因而周圍土的含水率增加不顯著。從而導致下半部分孔周圍土體含水率提升不明顯，施工速度也相應較低。

3. 2. 2 預浸水條件下水泥土試樁鉆芯抗壓強度分析

每根試樁每米范圍內鉆芯分別加工3個試件進行無側限抗壓強度測試，取平均值作為該1 m深度范圍內樁體無側限抗壓強度，并將地基浸水條件下的3根試樁與對應水灰比0. 5、0. 8和1. 0的未浸水條件下的3根試樁進行對比，繪制水泥土攪拌樁無側限抗壓強度沿深度變化曲線見圖5，2種不同施工方案的水泥土無側限抗壓強度對比分析結果見表2。

從圖5中曲線整體上分析，每根試樁的水泥土抗壓強度均呈現隨深度減小的趨勢，該規律符合實際工程水泥土樁成樁質量隨深度增加不斷降低的實際情況。但浸水后的3根試樁在深度4 m左右位置處以后出現較為明顯的降低，該變化規律與圖4中施工速度隨深度變化趨勢具有一致性，該規律表明，由于下部土體含水率增加幅度較小引起施工速度降低的同時，水泥土的施工質量同樣受到影響，而后期對水泥土鉆芯的表觀均勻性觀察結果也證實了該情況的存在。

對比a、b、c和1、2、3兩組試樁的無側限抗壓強度變化曲線可知，在地基浸水后，相同水灰比條件下，水泥土樁不同深度的無側限抗壓強度均明顯提升。結合表2中的對比結果可知，相同水灰比條件下浸水后的水泥土攪拌樁抗壓強度均得到有效提高，水灰比0. 5 和0. 8 時提高幅度較大，分別為37. 50%和31. 58%，水灰比1. 0時提高幅度較小，僅為8. 00%。該結果說明預浸水法可以有效改善水泥土均勻性，提高其樁身強度，且提高幅度與水灰比大小密切相關，較小水灰比取值時效果更為顯著，水泥土平均強度可達到2. 2～2. 7 MPa。

3. 2. 3 水灰比變化對施工速度的影響

為分析不同水灰比對施工速度的影響規律，取1—10號試樁的各自平均施工速度得出施工速度與水灰比變化關系曲線見圖6。從曲線變化規律可知，從總體上來看，鉆頭鉆進速度隨水灰比增加而增大，該規律表明在增大水灰比后，增加的水量可以加速土體軟化，使其抗剪強度降低，有效減小鉆頭所受到的來自于土體的抗扭力矩，使鉆進速度顯著提升。

此外，在水灰比為0. 5～1. 0范圍內，由于水灰比取值較低，鉆進速度雖然隨水灰比增加而增大，但增速相對較為緩和；在1. 0～2. 0范圍內鉆進速度顯著增加，而水灰比2. 0 之后，鉆進速度基本趨于穩定。從鉆進速度與水灰比的關系變化曲線可知，對于本場地低含水率粉質壤土來說，較高水灰比法可以顯著提升施工效率，但能顯著提升施工效率的水灰比是有合理范圍的，水灰比過大，水泥土漿液沿樁頂位置溢出量也越多，從而會導致施工后的攪拌樁水泥摻入量達不到設計要求，因此過大水灰比不僅不會進一步提升施工效率，而且有可能影響水泥土的物理力學特性，最終影響水泥土樁的工程質量。

3. 2. 4 水泥土鉆芯室內抗壓強度分析

圖7所示為不同水灰比水泥土無側限抗壓強度隨深度位置變化曲線。總體上看，所有水灰比對應的水泥土無側限抗壓強度隨深度變化與圖5中曲線變化規律相似，依然隨深度增加強度不斷降低。相比浸水條件下的強度變化趨勢，較高水灰比法成樁的水泥土無側限抗壓強度沿深度降低幅度相對較小。從圖中每個水灰比對應曲線的位置可以看出，較高水灰比法施工時，水灰比取值對樁體水泥土6sK6EFSQaO6ppUanhtH/8g==強度影響較大，選用該方案特別需要重視水灰比取值的合理性。

圖8為28 d齡期水泥土樁無側限抗壓強度隨水灰比變化關系曲線。從曲線變化規律可知，隨著水灰比的增加，現場試樣的抗壓強度呈先增加后減小的變化規律。當水灰比較小時，水泥土施工過程中水泥土拌和均勻性相對較差，強度較低，隨著水灰比增加，水泥土的均勻性越來越好，強度逐漸增大；當水灰比大于1. 5后，繼續增加水灰比，水泥漿溢出量的增加在一定程度上會降低水泥土中的水泥摻入量，從而導致強度降低。此外，過大水灰比會導致部分水分未參與水泥的水化反應而滯留在水泥土中，最終在水泥土內部結構中形成孔隙，導致水泥土強度降低，該現象在對水泥土攪拌樁鉆芯取樣后，觀察其表觀狀態也得到了驗證。

結合不同水灰比條件下水泥土攪拌樁施工速度和水泥土強度的分析可知，在低含水率粉質壤土條件下，較高水灰比法具有較好的可行性，但要特別注意選擇合理的水灰比取值，根據現場試驗分析可知，若在提高施工效率的同時要兼顧水泥土強度要求，水灰比值應在1. 5～2. 0是較為合理的。

本工程要求水泥土攪拌樁28 d試件無側限抗壓強度大于1. 9 MPa，從水泥土強度角度考慮，預浸水法和較高水灰比法均可以滿足工程要求，但考慮實際工程工期要求，預浸水法工期相對較長，因此較高水灰比方案更適合本工程施工要求。實際工程中在大面積施工時，水泥漿水灰比均采用1. 5。工程全部施工完成后，檢測結果表明，施工水灰比取值合理，施工效率和工程質量均滿足工程要求。

4 結論

綜合現場試驗、室內試驗分析結果及工程應用效果得出以下結論。

a）在低含水率粉質壤土地基條件下，預浸水法可以通過預浸水提高地基土的含水率，而后采用較低水灰比來實現水泥土攪拌樁施工速度和水泥土強度的提升，相較未浸水條件，預浸水后當采用水灰比為0. 5和0. 8時進行施工，施工速度均可以提升60%以上，水泥土無側限抗壓強度均可提升30%以上，預浸水對提升水泥土攪拌樁施工速度和施工質量效果顯著。因此對于一般水泥土強度要求不太高且工期相對較寬松的工程，特別是北方地區多年未受水浸潤的堤防，其土質堅硬程度較高，采用較高水灰比法仍不能改善施工速度和水泥土強度的情況下，該方案的優勢將更加明顯。

b）較高水灰比法在水灰比取值合理時，既可以提升施工速度，也可滿足水泥土強度要求，具有較好的可行性，在北方地區低含水率粉質壤土地基中較為適用，但不同場地地基土性質不同，工程要求側重點不同，其最優水灰比取值范圍也隨之變化。若單從施工效率角度考慮，最優水灰比在1. 8～2. 0達到最優；若單從水泥土無側限抗壓強度角度考慮，最優水灰比取值為1. 5。因此，在實際工程中確定最優水灰比取值應考慮工程具體要求和關鍵問題，綜合確定最終采用的水灰比取值才合理。在東茨涵閘閘基水泥土攪拌樁地基處理工程中，綜合考慮施工效率和水泥土強度要求，最終施工采用的水灰比為1. 5，后期檢測結果表明，地基處理效果良好。在類似實際工程中可將水灰比1. 5作為最優水灰比取值的參考值，再根據實際工程場地的土質條件進行適當調整。

c）預浸水法和較高水灰比法均具有工程適用性，但在施工方案選擇時需結合方案特點，考慮工程現場地質條件、工程技術參數、工程經濟性等方面的要求，綜合對比后選擇最合理的施工方案。

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（責任編輯：高天揚）

基金項目：河北省水利科技計劃項目（2020-71）