双向水泥搅拌桩的设计和施工质量控制

程建英

（中誉设计有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

随着社会经济的不断发展，中国的城市化进程不断加快，城市道路建设如火如荼。福建福州市地处沿海，城市道路设计过程中不可避免地会遇到大量软土地基处理问题。根据《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013）[1]，软土地基处理方式主要有无机结合料浅层拌合、挖除换填、抛石挤淤、排水固结法、粒料桩、加固土桩、刚性桩等，其中无机结合料浅层拌合、挖除换填、抛石挤淤适用于不大于3m的浅层地基处理，排水固结法、粒料桩、加固土桩、刚性桩适用于深层地基处理。水泥搅拌桩作为加固土桩的一种，以其施工工期短、成本相对较低、施工机械化程度高、质量安全可靠等优点，在城市道路建设中得到了广泛的应用。本文以福州市北环路为例，分析双向水泥搅拌桩的作用机理、设计要点、施工质量控制要点，从而为双向水泥搅拌桩在滨海城市、深厚软土地基中的应用积累经验，为相关城市道路的设计提供一定的技术参考。

1 双向水泥搅拌桩的作用机理

水泥搅拌桩是通过搅拌工具将水泥和软土充分搅拌，通过发生水解、水化反应以及水泥化合物与黏土颗粒之间的离子交换与团化作用、凝硬作用、碳酸化作用等，使软土硬结成具有一定强度的地基基础，从而满足道路建设的需求。

1.1 水泥的水解、水化反应

城市道路建设中采用的水泥主要为普通硅酸盐水泥，其主要成分有C3S、C2S、C3A等。通过搅拌工具将水泥和软土充分搅拌，水泥中的矿物与软土中的水发生水解和水化反应，生成各种化合物，凝结后形成水泥石的胶结强度。

1.2 黏土颗粒的作用

软土地基中通常含有较多的活性黏土颗粒，当水泥与软土中的水通过水解、水化反应生成化合物，其中一部分的水化物通过自身硬结，形成骨架；另外一部分的水化物则与活性黏土颗粒发生作用（主要有凝胶作用），形成新的矿物，进而形成水泥石的强度。

2 双向水泥搅拌桩的设计要点

2.1 工程情况

福州市南通镇北环路其路线由西向东走向，西起规划的西环路，南至规划的文山路，道路全长约2.878km。道路等级为城市主干道，双向六车道，设计车速为50km/h，道路红线宽度为40m。

2.2 勘察情况

根据地勘资料，北环路沿线存在3m~23m的软弱淤泥层，本次研究截取淤泥深度最深的K2+735-K2+790段进行分析。根据地勘资料，该段地层由上至下分别为：

（1）②粉质黏土（Q4al）：土层呈浅黄、黄褐色，多为可塑状态，稍湿~湿。主要由黏性土组成，光泽反应光滑，干强度、韧性中等，无摇震反应，局部含少量Fe、Mn质结核、砂砾等，厚度1.00m~2.80m。

（2）③淤泥（Q4m）：土层为深灰色，流塑状态，饱和。主要由黏、粉粒组成，含有机质（有机质含量约5%）及腐植质，偶见朽木、植物根系等，中下部局部含少量粉砂，具腥臭味、污手、干强度、韧性中等，光泽反应较光滑，无摇震反应，局部相变成淤泥质土，厚度21.00m~23.00m。

（3）⑤-2粉质黏土（Q4al）：灰黄、浅灰等色，多呈可塑状态，湿。主要由黏性土组成，含中粗砂5%~20%，光泽反应光滑~较光滑，干强度、韧性中等~较高，无摇震反应，局部相变成粉土或黏土，厚度1.20m~2.10m。

（4）⑦残积黏性土（Qel）：灰黄色，稍湿~湿，可塑状态，局部硬塑。主要成分为高岭土（局部相变为残积砂质黏性土）。黏性中等，韧性一般，干强度中等，无摇震反应，光泽反应稍光滑，厚度7.50m~8.10m。各土层主要岩土层物理力学指标见表1。

表1 各土层主要岩土层物理力学指标

2.3 设计要点

（1）持力层的选定。

根据地勘资料，淤泥层的下卧层为粉质黏土层，其地基承载力基本容许值为190kPa，能够满足双向水泥搅拌桩的持力要求，可以作为地基处理的持力层。

（2）设计方案的确定。

为保证路基整体的稳定性，本段地基处理综合考虑路基填方高度及软土厚度，选用工程最不利断面进行计算。该段路基平均填方高度约为1.45m，设计采用双向水泥搅拌桩处理，桩直径50cm，采用正三角形布置，桩距1.5m，桩体伸入粉质黏土层不小于50cm，平均桩长约24m，见图1。

图1 双向水泥搅拌桩地基处理横断面示意图

（3）承载力验算。

双向水泥搅拌桩的单桩竖向承载力特征值以及复合地基的承载力特征值应根据现场载荷试验确定[2]。在设计阶段，可根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02-2013）中的公式进行初步验算，具体见公式1、公式2、公式3。

单桩竖向承载力特征值：

复合地基的承载力特征值：

式中：

Ra——单桩竖向承载力特征值，kN；

up——桩的周长，m；

n——桩长范围内所划分的土层数；

qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；

li——桩周第i层土的厚度，m；

α——桩端天然地基土的承载力折减系数，取0.55；

qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa；

Ap——桩的截面积，m2；

η——桩身强度折减系数，取0.3；

fcu——与加固土桩桩身水泥土配合比相同的室内加固土试块（边长70.7mm或50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的抗压强度平均值（kPa），根据试验取1522kPa；

fspk——复合地基的承载力特征值；

m——桩土面积置换率；

β——桩间土承载力折减系数，取0.35；

fsk——处理后桩间土承载力特征值，kPa。

通过计算，本项目单桩竖向承载力特征值为168.1kN，复合地基的承载力特征值146.2kPa，能够满足路基承载力的要求。

（4）沉降验算。

采用理正岩土计算软件进行工后沉降验算，本工程工后沉降为0.264m，能够满足一般路段容许工后沉降≤0.30m的要求。

3 双向水泥搅拌桩的施工质量控制要点

3.1 准备工作

应事先对场地进行整平，清除石块、树根和垃圾等，软基段应先进行处理后再回填素土，进行适当碾压，保证地基承载力满足施工机械的施工需求，之后对桩坐标进行精准放样。

3.2 机械要求

双向水泥搅拌桩的钻头应设置两层叶片，每层两片，配电脑记录并打印喷浆量。其可以使用常规水泥搅拌桩机械，但是需要配备特有钻头，如图2所示。

图2 双向水泥搅拌桩钻头示意图

3.3 施工工艺

双向搅拌桩的主要工艺流程为“一喷两搅”，即在下钻时将设计用量的水泥一次性均匀喷完，同时，在下钻喷粉（浆）及提升的过程中应分别进行正、反两个方向的搅拌。施工工艺步骤如图3所示。

图3 双向水泥搅拌桩施工工艺流程图

双向水泥搅拌桩施工前，应根据现场实际情况，进行成桩试验，取得各种机械参数，以确保大面积施工质量。

3.4 质量检测

根据《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTG/T D31-02-2013）的要求，成桩7d后，应观测桩体成型情况及搅拌均匀程度，检查个数为总桩数的2%（最少不得少于2根），采用的方法为开挖检查；成桩28d后应检测桩身无侧限抗压强度试验，检查个数为总桩数的5%（每个段落不小于2根），采用的方法为应钻孔取芯[3]。具体要求如下：

（1）允许偏差值：水泥用量、搅拌桩的垂直度、桩位偏差、搅拌机下沉或提升的时间等相关指标均应满足技术规范的要求；

（2）成桩质量检测采用荷载试验，当水泥搅拌桩龄期达到28d时，可进行单桩或复合地基载荷试验。

3.5 监测要求

为了控制施工过程中的路堤变形和稳定性，以及为了了解道路运行后路堤的长期特性，应对路基进行变形观测。变形观测内容主要包括软土地基的沉降与位移、路堤对台背的水平土压力和对土基的垂直土压力分布特征以及路面工后沉降等相关方面：

（1）在路中心、路肩、坡脚等处埋设沉降板，观测地表沉降；

（2）在道路表面设置沉降钉，观测工后沉降；

（3）在软基路段的路堤坡脚处埋设测斜管，观测深层土侧向位移；

（4）在软基路段、高边坡路段的坡脚设置位移观测边桩，观测路基稳定性；

（5）检测要求：连续三个月沉降≤6mm／月时，可进行路面结构铺筑。

4 结束语

本文以福州市南通镇北环路为例，分析双向水泥搅拌桩的作用机理，梳理双向水泥搅拌桩的设计要点、施工质量控制要点，从而为双向水泥搅拌桩在滨海城市、深厚软土地基中的应用积累经验，为相关城市道路的设计提供一定的技术参考。通过分析，主要结论如下：

（1）双向水泥搅拌桩主要依据水泥的水解、水化反应以及水泥化合物与黏土颗粒之间的离子交换与团化作用、胶凝作用、碳酸化作用等形成强度。其具有施工工期短、成本相对较低、施工机械化程度高、质量安全可靠等优点，从而在城市道路建设中得到了广泛的应用。

（2）双向水泥搅拌桩设计时应根据地勘资料，合理选定桩端持力层，从而确定桩体长度，其直径、间距应根据稳定、沉降计算确定。

（3）双向水泥搅拌桩施工时应采用特有的机械设备、施工工艺；施工前应根据现场实际情况，进行成桩试验，取得各种机械参数；施工后应根据规范要求对桩的各项参数进行检测，以保证施工质量；工后应对路基各项变形进行检测，以观察路基处理的实际效果。