变径水泥土搅拌桩处理软土地基的应用研究
向玮,刘松玉,经绯,刘志彬
(东南大学岩土工程研究所,南京210096)
摘要:本文介绍了变径水泥土搅拌桩作为一种新型的地基处理方式在高速公路软基处理中的应用情
况,并对其施工机械和施工工艺进行说明。通过现场试验和理论分析,分别从桩身强度、承载力及
工程经济等方面与同标段的常规水泥土搅拌桩进行了比较。结果表明,通过对常规水泥土搅拌桩机
械设备的改造,采用了双向搅拌的施工工艺,从而保证了桩身的水泥掺入量,提高了桩身强度;变
截面的设计使得扩大头部分的面积置换率得到提高,有利于提高单桩和复合地基的承载力;同时,
相对节约了工程成本,经济效益较明显。
关键词:变截面;双向搅拌;桩身强度;承载力;经济效益
中图分类号:TU476136文献标识码:A
Applicationofsoil2cementdeepmixingcolumnswithdifferent
cross2sectionpartstothetreatmentofsoftsoil
XiangWei,LiuSongyu,JingFei,LiuZhibin
(InstituteofGeotechnicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)
Abstract:Theapplicationofthebi2directionalsoil2cementdeepmixingcolumnswithdifferentcross2sectionused
inexpresswayengineeringisbrieflydescribed,andthecorrespondingconstructionequipmentsandtechniquesare
explainedindetail.Thecolumnquality,bearingcapacityandeconomicefficiencyofthecolumnsarecompared
withthoseofthecommonsoil2cementdeepmixingcolumnsadoptedindifferentconstructionsectionsalongthe
expresswaythroughthefieldtestsandtheoreticalanalysis.Theresultsindicatethatthesaidcolumnsareofthe
superiorengineeringcharacteristicsandthegoodeconomicefficiencyforthetreatmentofsoftsoil.
Keywords:differentcross2section;bi2directionalmixing;columnstrength;bearingcapacity;economic
efficiency
收稿日期:2008205226;修订日期:2008207205
作者简介:向玮(1983-),男(汉族),湖北松滋人,博士
生.
0引言
水泥土搅拌桩法作为一种常用的软弱地基处理
方法,具有施工简单、快速、振动小等优点,能有
效地提高软土地基的稳定性,减少和控制沉降量。
在具备较多优越性的同时,在应用过程中也暴露出
一些弊端[1～3]:(1)水泥土搅拌桩桩体掺入量达不
到设计要求;(2)水泥土难以搅拌均匀,上部强度
较高,而下部强度较低,水泥土芯样存在成块的土
团和水泥浆凝固体,成桩质量难以保证;(3)桩土
共同作用难以协调,需要在桩顶设置垫层或土工织
物加筋层;(4)桩间距较小,既破坏了土体的天然
结构,又导致造价较高。
由东南大学岩土工程研究所发明的变径水泥土
搅拌桩[4,5]较好地解决了水泥土搅拌桩在实际工程
应用中所出现的问题。根据处理的需要,可以对其
桩身任意部位进行变径。在本次试验路段中,主要
是对水泥土搅拌桩的上部桩体进行了扩径,形成扩
大头和下部直杆段两部分(如图1)。扩大头采用的
主要桩径D有90cm、100cm和110cm,下部桩体采
用的桩径d主要有50cm、60cm和70cm;采用的桩
间距较大,主要有210m、212m、215m、216m和
312m。
1施工机械和施工工艺
变径水泥土搅拌桩采用了全新的施工机械[6,7]
和施工工艺。它主要是对常规水泥土搅拌桩的动力
传动系统、钻杆和钻头进行了改进。在成桩过程
22工程勘察GeotechnicalInvestigation&Surveying2009年第3期
图1变径水泥土搅拌桩示意图
中,由动力系统带动分别安装在内、外同心钻杆上
的两组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌水泥土,通
过搅拌叶片的伸缩使桩身部分截面扩大而形成具有
变截面的水泥土搅拌桩。
变径水泥土搅拌桩的施工工艺对常规水泥土搅
拌桩的施工工艺也进行了较大改进。常规水泥土搅
拌桩的施工工艺为四搅两喷工艺,现改进为对上部
桩体四搅三喷、下部桩体两搅一喷的工艺。桩位布
置形式同样可以采用梅花形或者是正方形。具体的
操作步骤如下(如图2),图中序号A～H对应了下
面步骤的①～⑧。
图2变径水泥土搅拌桩施工工艺流程示意图
首先平整、压实施工场地,定位放线。桩机运
至工地后,先进行安装调试,待钻机运转正常、浆
泵及计量设施调试正常后,桩机移至桩位。
①搅拌机定位:起重机悬吊搅拌机到指定桩位
并对中;
②边喷浆边搅拌下沉:启动搅拌机,使搅拌机
沿导向架向下切土,同时开启送浆泵向土体喷水泥
浆,两组叶片同时正、反向旋转切割、搅拌土体,
搅拌机持续下沉,直到扩大头设计深度;
③边喷浆边搅拌提升:搅拌机提升、边喷浆边
提升钻头,两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土,
直至原地面;
④边喷浆边搅拌下沉:边喷浆边下沉钻进,直
至扩大头深度;
⑤收缩叶片,同时喷浆下沉:改变内、外钻杆
的旋转方向,将搅拌叶片收缩至下部桩体直径后,
边喷浆边下沉钻进,两组叶片同时正、反向旋转切
割、搅拌土体,搅拌机持续下沉,直至整桩设计深
度;
⑥提升搅拌:搅拌机提升、关闭送浆泵,两组
叶片同时正反向旋转搅拌水泥土,直至扩大头底面
标高;
⑦伸展叶片,同时提升搅拌:改变内外钻杆的
旋转方向,将搅拌叶片伸展至扩大头直径后提升搅
拌(只搅不喷)。搅拌机提升,两组叶片同时正反
向旋转搅拌水泥土,直到地表;
⑧完成单桩施工,移动设备,清理场地。
2工程现场
211施工场地
施工场地位于申嘉湖杭高速公路某试验段,属
于嘉杭湖平原,多河塘分布,系典型的水网化平原
区,区内地势平坦,软土层深度较厚,工程地质条
件不良。根据地勘资料,该地段全为第四系地层覆
盖,主要由全新统地层Q4、上更新统地层Q3、中生
代白垩纪之粉砂岩地层K2j组成,自上由下为:
①层种植土:灰色,松软,湿,主要成分为粘
性土,含虫孔及植物根系。分布于沿线的农田及耕
地,层厚0130～1180m;
②1层亚粘土:灰褐色,灰色,软塑～可塑,饱
和,含少量铁锰质斑点。表部广泛分布,层厚0160
～4180m;
②2层淤泥质亚粘土:灰色,流塑,饱和,含少
量有机质及云母碎屑,局部为亚粘土夹层,广泛分
布,层厚1150～20180m;
③层亚粘土:灰黄色,可塑,局部硬可塑,饱
和,含少量铁锰质斑点,层厚3130～17150m;
④层亚粘土:灰色,可塑～软塑,饱和,层厚
2130～13130m。
土层主要物理力学性质指标见表1。
212施工情况
在申嘉湖杭高速公路某标段采用变径水泥土搅
拌桩处理软基路段全长830150m,共计施工桩体
7740根,总延米数达到139460m。固化剂采用的是
强度等级为4215的普通硅酸盐水泥,要求水泥浆液
的水灰比不小于0165,比重不小于1173gPcm3。
322009年第3期工程勘察GeotechnicalInvestigation&Surveying
试验场地土层主要物理力学性质指标表1
土层编号厚度(m)密度(gPcm3)含水量(%)孔隙比塑性指数I
p
液性指数
IL
快剪
c(kPa)φ(°)
压缩系数
(MPa-1)
Es1-2
(MPa)
①0130～1180PPPPPPPPP
②10160～41801188321201909131401731214716014174152
②21150～20180117246191132215121146311214110642127
③3130～1715011912912018361318P16151011013475145
④2130～1313011883215019151318017513121012014534133
3桩身强度试验
为进行桩身强度的检测,在成桩28d龄期后,
随即对总桩数3%的桩钻孔取水泥土芯样,观察其
搅拌均匀程度,并进行无侧限抗压强度试验。现场
取芯强度检测的要求是:①对于变径水泥土搅拌
桩,在桩中心和距离中心20cm处分别钻孔取芯,
其中桩体中心处取整个桩身,桩边处只需取到扩大
头高度;对于常规水泥土搅拌桩,在桩中心处对整
桩长度范围内进行钻孔取芯即可;②每根检测桩
钻孔取得的芯样不少于3个,其中桩体上部、中
部、下部各取一段;③28d后水泥土搅拌桩芯样的
无侧限抗压强度平均值不小于0180MPa,最小取芯
无侧限抗压强度不小于0150MPa。
表2和表3分别是试验场地上变径水泥土搅拌
桩中心处(整个桩身)和距桩中心20cm的桩边
(至扩大头)取得芯样的无侧限抗压强度汇总表。
从表中可以看出,桩中心处无侧限抗压强度平均值
为1103MPa,桩边处无侧限抗压强度平均值为
1106MPa,均远大于要求的0180MPa;绝大多数的芯
样的无侧限抗压强度均超过1MPa,取得芯样的最
小无侧限抗压强度为0182MPa,也远远大于要求的
0150MPa。桩身强度随深度的增加而变小,其最小
值也出现在深部,这与该地层含有的有机质含量较
多有很大关系,有机质会阻碍水泥的水化反应,影
响水泥土的固化,从而导致水泥土强度的降低[8]。
变径水泥土搅拌桩桩中心水泥土芯样
无侧限抗压强度(MPa)表2
取芯深度
(m)
桩号
1#2#3#4#5#6#7#
平均值
018～11011111113111511191124113011111118
912～91411001115110311001111110011141103
1914～191601920184018401850194018601820187
平均值11011101110111011110110501991103
变径水泥土搅拌桩扩大头水泥土芯样
无侧限抗压强度(MPa)表3
取芯深度
(m)
桩号
1#2#3#4#5#6#7#
平均值
012～01411151114111511201126113011141119
312～31411101110111111121114111211061111
616～61811051107110611051106110711051106
平均值11101110111111121115111611081112
从表2和表3对比可以看到,从桩边取得芯样
的强度并没有比从桩中心处降低,由此可以看出,
变径水泥土搅拌施工过程中搅拌得很均匀。而且在
20m深度的桩身强度最小值仍可以达到0182MPa,
桩身质量可以得到保证,说明变径水泥土搅拌桩可
以处理深度在20m以上的软基,这突破了常规水泥
土搅拌桩通常最深处理15m软基的瓶颈,扩大了水
泥土搅拌桩的应用范围。
表4是常规水泥土搅拌桩桩身芯样无侧限抗压
强度汇总表,发现变径水泥土搅拌桩身强度大大高
于常规水泥土搅拌桩的桩身强度,特别是需要处理
的软土层(深度大致为2～20m);常规桩随着深度
的增加强度急剧变小,这说明水泥分布的不均匀,
深部桩体水泥浆液很少。在取芯过程中,常规水泥
土搅拌桩芯样出现水泥浆包裹土团的现象和成块的
水泥凝固体。所有这些现象均表明传统水泥土搅拌
桩普遍存在水泥土搅拌不均匀现象,这严重影响桩
体成桩质量。
常规水泥土搅拌桩水泥土芯样
无侧限抗压强度(MPa)表4
取芯深度
(m)
桩号
8#9#10#11#12#13#14#15#
平均值
011～013018701810177018101850181018701790182
317～319017701740168016601700170017701640134
717～718014201510122013101250141013301290171
平均值016901690156015901600164016601570162
4承载力试验
成桩28d龄期后,对试验桩体进行载荷试验,
验证单桩承载力和单桩复合地基承载能力。载荷试
42工程勘察GeotechnicalInvestigation&Surveying2009年第3期
验参照中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技
术规范》(JGJ10622003)和《建筑地基处理技术规
范》(JGJ7922002)等规范进行。试验采用慢速维持
荷载法,每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载,
直到桩体达到设计要求,然后分级卸载到零。
根据试验结果(如图3和图4),本试验段变径
水泥土搅拌桩桩径为1000P500mm,扩大头高度为
7m的单桩极限承载力为1200kN;变径水泥土搅拌
桩桩径为1000P500mm,扩大头高度为7m,桩间距
为312m的单桩复合地基极限承载力在220kPa,均
满足了设计承载力的要求。
图3单桩载荷试验Q2s曲线
图4单桩复合地基载荷试验q2s曲线
由相关试验路段所做对比试验的结果[9]表明,
处理深度为16m、桩径为1000P500mm、扩大头高度
为4m、桩间距为2m的变径水泥土搅拌桩的单桩复
合地基极限承载力达到150kPa;而相同处理深度,
桩径为500mm、桩间距为112m的常规水泥土桩的
单桩复合地基极限承载力仅为70～80kPa,远低于
变径水泥土搅拌桩的承载力。变径水泥土搅拌桩复
合地基承载力随扩大头的面积置换率和高度的增加
而增大,扩大头部分的面积置换率对其影响尤为显
著;单桩承载力则由桩侧摩阻力、桩端阻力和扩大
头端阻力三部分组成,并随扩大头高度和桩径的增
大而增大。
5经济分析
由本试验路段和相关试验路段[9]的试验结果表
明,变径水泥土搅拌桩在增大扩大头桩径的同时增
大桩间距,其承载性能远高于常规水泥土搅拌桩,
其桩身质量也能得到保证。与此同时,考虑其经济
效益如下。
在处理相等面积软基路段和在相同的设计要求
下,即两者具有相等的水泥掺入比和面积置换率,
常规水泥土搅拌桩处理软土所使用的水泥量为W1:
W1=m1HαWγA(1)
变径水泥土搅拌桩处理软土所使用的水泥量为
W2:
W2=m21β
2
[(β2-1)h+H]αWγA(2)
使用变径水泥土搅拌桩处理软基相对于常规水
泥土搅拌桩处理软基节约水泥的百分比为Δ:
Δ=W1-W2W
1
×100%(3)
式中:m1为常规水泥土搅拌桩复合地基的面积置
换率;m2为变径水泥土搅拌桩复合地基的面积置
换率;H为水泥土搅拌桩的处理深度(m);h为变
径水泥土搅拌桩扩大头高度(m);αW为水泥掺入
比(%);β为变径水泥土搅拌桩的上、下桩径比;
γ为软土容重;A为处理的软土地基面积。
根据本试验路段的实际设计方案,变径水泥土
搅拌桩的上、下桩径比为116～212,扩大头高度与
水泥土搅拌桩的处理深度的比值为0128～0153,那
么,使用变径水泥土搅拌桩相对于常规水泥土搅拌
桩最多可以节约水泥用量40%,最少也可以节约
1818%。考虑到适当增加的机械维护费用和人工
费,本试验路段总体节约工程成本10%～20%。
如图5,当保持扩大头高度(7m)一定时,处
理深度越深,变径水泥土搅拌桩节约水泥用量相对
越多。当处理深度超过15m,在相同的处理效果和
设计条件下,节约用量超过40%。
由以上分析,变径水泥土搅拌桩的上、下桩径
522009年第3期工程勘察GeotechnicalInvestigation&Surveying
图5节约水泥百分比随处理深度的变化
比设计得越大,理论上节约的水泥用量会越多;在
扩大头高度一定时,处理软基深度越深,相对节约
的水泥用量也会越多;同时由于桩径较大,设计时
可适当考虑加大桩间距,在保证成桩质量的同时节
约了成本,可见其经济效益相当可观。
6结论
通过上述分析,得出以下结论:
(1)变径水泥土搅拌桩的施工机械由常规水泥
土搅拌桩机械改造而成,易于推广;
(2)变径水泥土搅拌桩所采用的双向搅拌工艺
保证了桩体中的水泥掺入量,提高了水泥浆分布的
均匀性,从而保证了桩身质量,特别是深层桩体的
质量;
(3)变径水泥土搅拌桩扩大了水泥土搅拌桩的
应用范围,可以将有效处理深度提高到20m以上;
(4)变截面的设计使得扩大头部分桩径增大,
提高了扩大头部分的面积置换率,从而提高了桩体
和桩土复合地基的承载能力;
(5)在保证质量的同时,相对节约了工程成本,
经济效益明显。
参考文献
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