浮筒式水泥攪拌加固軟土地基的工后沉降分析

徐 悅 童曉榕 周文歡

（廈門路橋百城建設投資有限公司，福建 廈門 361000）

軟土具有含水率高、壓縮性高和承載力低的特點，在軟土地基中直接修建公路工程，在長期車輛周期荷載作用下不可避免地產生大沉降變形，給道路的使用性能和行車安全造成影響[1]?？刂栖浲谅坊墓ず蟪两?，提高地基的承載力是公路工程建設面臨的問題之一[2]。在現有的軟土地基處理工法中有不同加固機理的處理工藝，例如豎向排水法、強夯法以及CFG 樁法等。這些工法的施工原理、施工成本和施工周期各不相同，因此在實際工程中選擇科學合理的軟土地基加固工藝顯得尤為重要。當軟土地基的承載力小于60kPa 時，一般的軟土地基機械設備進場存在困難，在水泥攪拌樁基礎上發展出的浮筒式水泥攪拌樁能夠很好地適應這種特殊地質條件[3]。該文結合實際工程，使用浮筒式水泥攪拌樁對軟土地基進行處理，并運用現場實測的方法對軟土地基加固效果進行測試，研究成果可以應用于超軟土長距離的公路工程地基加固。

1 工程概況

廈門新機場蓮河片區沙美路（翔安南路-濱海旅游路段）工程項目道路等級為城市主干路，道路設計起點為翔安南路，沿設計終點為濱海公園大道（濱海旅游路），道路長約2.810km（K0+000～K2+810.394），實施范圍K0+030.344～K2+760.741。項目設計速度為60km/h，道路標準斷面紅線寬43m。

場地內各層巖土的物理力學指標及技術參數見表1。從表中可以看出，各土層的力學強度指標存在明顯的差異，土層承載力特征值按照③層吹填淤泥、④-a 層淤泥、④-b 層粗砂、⑤-a 層粉質黏土、⑤-b 層粗砂、⑦層殘積砂質黏性土的順序不斷增加。其中，③層吹填淤泥、④-a 層淤泥的力學強度軟弱，黏聚力和內摩擦角指標較小，③層吹填淤泥和④-a 層淤泥的黏聚力分別為10.0kPa、18kPa，內摩擦角分別為5.0°和3.2°，具有高壓縮性、高含水率的特點，在天然狀態下土層流塑狀，在開挖或者擾動條件下，土層極易產生坍塌、回淤等現象，靈敏度較高，力學性能較差，機械設備難于進場。經過論證和驗算，需要采取必要的工程措施對③層吹填淤泥和④-a 層淤泥進行軟基處理，以滿足道路長期沉降的控制要求。

表1 場地內各層巖土的物理力學指標及技術參數

浮筒式攪拌樁施作范圍為樁號K1+700～K2+760.741，共145429m。由于場區的表層土③層吹填淤泥，其地基承載力特征值小于60kPa，不滿足傳統的深層攪拌樁機械設備進場要求，而浮筒式攪拌樁施工設備不受此限制?？紤]場區軟土的力學特性，浮筒式攪拌樁采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥作為膠凝劑，并適當加入一定程度的粉煤灰以降低工程造價，粉煤灰摻量大小為加固土體質量的18%，水灰比0.7，樁直徑為800mm，樁實鉆長度5.5m～10m，空鉆長度1.2m～3m，間距1.8m，梅花形布置。

2 浮筒式水泥攪拌樁地基處理施工工藝及控制參數

浮筒式水泥攪拌樁地基的加固機理是在軟土中噴攪固化劑普通硅酸鹽水泥，水泥與軟土、水發生一系列的物理化學反應，水泥顆粒與軟土充分結合。首先，為水解和水化反應，水泥表面的氧化物與軟土中的水生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣等物質，使軟土中的自由水大幅度降低。其次，軟土中的黏土礦物與水泥水化硬凝，形成穩定的結晶化合物，如公式（1）、公式（2）所示，結晶化合物結構相對致密，黏土中的顆粒帶有負電荷，會吸附水泥中的Na+與K+礦物，粒子交換和團?；\動形成膠體微粒。另外，水化反應生成的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳發生碳酸化作用形成碳酸鈣沉淀物，沉淀物的穩定性好，且可以增加水泥土的強度[4]。如圖1 所示，浮筒式水泥攪拌樁的施工順序為設備定位→下鉆噴漿攪拌→提升攪拌→下鉆噴漿攪拌→提升復攪→移位。具體的施工控制如下。浮筒式水泥攪拌樁施工工藝如圖2 所示。在施工前，應根據不同的地質情況設置試驗段，其目的是為了保證處理路段的路基整體承載力、沉降等[5]。施工前必須采集工點最軟弱土層試樣進行室內配比試驗，確定合適的配合比、水泥摻量、水灰比以及施工參數等，如公式（1）和公式（2）所示。

圖1 軟土地區浮筒式攪拌法施工工藝流程

圖2 浮筒式水泥攪拌樁施工工藝圖

為了確定合適的水泥攪拌樁配合比，在室內試驗中制備6 中不同水泥摻入比，分別為8%、10%、12%、14%、16%和18%，并分別測定各個水泥摻入比試樣7d、28d、90d 和180d 的無側限抗壓強度，室內試驗測試結果如圖4和表2 所示。

表2 不同水泥摻入比條件下水泥土試樣的無側限抗壓強度

從圖3 中可以看出，在同一水泥摻入比條件下，隨著養護時間增加，水泥土試樣無側限抗壓強度呈現不斷增加的趨勢，且增長速率分成明顯的2 段，當試樣養護時間小于90d 時，水泥土試樣無側限抗壓強度增長較快，試樣養護時間大于90d 后，水泥土試樣無側限抗壓強度增長速度降低。在同一養護時間條件下，隨著水泥摻入比增加，水泥土試樣無側限抗壓強度不斷增加。綜合考慮工程的施工工期，為了獲得較高的早期強度，確定選用水泥摻入比為18%。

為了確定合適的水泥攪拌樁配合比，在室內試驗中制備6 中不同水灰比試樣，水灰比分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0，并分別測定各個水泥摻入比試樣7d、28d、90d 和180d 的無側限抗壓強度，室內試驗測試結果如圖4所示。

圖4 不同水灰比和養護時間條件下水泥土試樣的無側限抗壓強度曲線

從圖4 中可以看出，在同一養護時間條件下，隨著水泥土水灰比增加，試樣無側限抗壓呈現冪指數降低的趨勢，當水灰比小于0.70 時，試樣無測限抗壓強度下降較快，而水灰比大于0.7 后，試樣無側限抗壓強度趨于收斂；在同一水灰比條件下，隨著養護時間增加，試樣無側限抗抗壓強度不斷增加。綜合考慮經濟和工期因素，確定水灰比為0.7。

3 浮筒式水泥攪拌樁施工載荷試驗現場測試

為驗證浮筒式水泥攪拌樁的軟土地基加固效果，在里程K2+000.000、K2+100.000、K2+200.000 路基中心選取具有3 個具有代表性的監測點進行載荷試驗，加載荷載范圍從0kPa～320kPa，荷載增加等級為40kPa，累積加載時間360min。測試結果如圖5 所示。

圖5 軟土路基不同里程位置處載荷試驗荷載-沉降曲線

從圖5 中可以看出，在不同里程處軟土路基的載荷曲線的變化規律一致，數值相近，表明采用浮筒式水泥攪拌樁對工程的軟土路基加固效果均勻，從圖5 中可知，里程K2+000.000、K2+100.000、K2+200.000 的地基承載力值均為180kPa，最大累積沉降量分別為14.99mm、13.49mm和14.17mm，最大回彈量分別為10.45mm、9.29mm 和9.65mm，回彈率分別為69.71%、68.86%和68.09%，滿足軟土路基的承載力和沉降變形要求，路基地基處理效果良好。

4 結論

該文以廈門新機場蓮河片區沙美路（翔安南路-濱海旅游路段）工程項目為研究背景，運用浮筒式水泥攪拌樁對軟土地基進行處理，采用室內試驗的方法確定水泥摻入比和水灰比，并運用現場載荷試驗測試浮筒式水泥攪拌樁的地基處理效果，得到以下3 個結論：1）在水泥摻入比相同的條件下，隨著養護時間增加，水泥土試樣無側限抗壓強度呈不斷增加的趨勢，且增長速率分成明顯的2 段；在養護時間相同的條件下，隨著水泥摻入比增加，水泥土試樣無側限抗壓強度不斷增加。2）在養護時間相同的條件下，隨著水泥土水灰比增加，試樣無側限抗壓呈現冪指數降低的趨勢，當水灰比小于0.70 時，試樣無測限抗壓強度下降得較快，當水灰比大于0.7 時，試樣無側限抗壓強度趨于收斂；在水灰比相同的條件下，隨著養護時間增加，試樣無側限抗抗壓強度不斷增加。3）載荷試驗表明，在不同里程處軟土路基的載荷曲線的變化規律一致，數值相近，表明采用浮筒式水泥攪拌樁對工程的軟土路基加固效果均勻，處理后地基承載力值為180kPa，最大累積沉降量為14.99mm，回彈率分別為69.71%，滿足軟土路基的承載力和沉降變形要求，路基地基處理效果良好。