滨海盐渍土改良试验及钉形搅拌桩承载力评估

马永政，王开太，盛初根，陈 斌，李占涛

(1.宁波工程学院，浙江 宁波 315016；2.岩土力学与工程国家重点实验室宁波工程学院工程软土实验分中心，浙江 宁波 315016；3.宁波市交通规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315192)

0 引言

盐渍土即指地表下一定深度的含盐土层,其易溶盐平均含量大于0.3%,且具有溶陷、盐胀、腐蚀等不良工程特性(公路工程地质勘察规范JTG C20—2011)。滨海盐渍土的形成主要是海水倒灌渗入到滨海软土层地下水中，以及围海造地、退潮晒盐等人工活动，通过地表蒸发导致滨海土含盐量的增高，成分主要为氯盐以及少量硫酸盐。盐渍土中含盐矿物往往对土体工程性质产生不利影响，含盐矿物的沉积、溶解和迁移，会改变土体结构、孔隙分布，对土体压缩性、渗透性、承载力等产生影响；另外含盐矿物与土颗粒之间存在离子交换等电化学作用；特别是含盐量大时，如超过5%，对土体工程性质会有较大影响，危害建筑、构筑物的安全使用。

国内外在盐渍土工程性质及病害机理与防治方面有诸多研究[1]，如：(1)通过室内土工试验研究土工参数随含盐量变化影响规律：物理参数如粒度组成、塑性指标随着盐分增大呈现有规律的变化；力学指标如土体内摩擦角先增大后减小，压缩系数也随之减少；抗剪强度随含盐量增加而减少，到谷底后由于固态盐相变化反而增加等[2-4]；(2)开展含盐土溶陷、盐胀及腐蚀等不良灾害特性的室内外试验与监测分析研究，如杨保存等[5]开展室内与现场盐胀变形监测试验；陈炜韬等[6]开展冻融循环对土工参数影响的耐久性试验；张洪萍等[7]进行溶陷特性的试验研究等；(3)进行盐渍土改良与地基处理措施研究[8]，如采用高分子材料SH固土剂、石灰、水泥、粉煤灰、沥青等进行盐渍土改良，相关的研究甚多[9]，经外加剂改良的盐渍土，其强度、抗变形能力和水稳性能有显著的提高。盐渍土路基处理方法很多，包括盐化处理、高路基法、隔断层处理、浸水预溶加强夯法、化学处置等。

另外传统挤密桩法等仍是有效的地基处理方法，其桩类型包括如水泥搅拌桩法[10-11]、石灰砂桩、沉管砂石桩法、砾石桩法[12]等。特别是钉形双向搅拌桩工法，作为变截面水泥搅拌桩工法中的一种，具有搅拌均匀、阻断冒浆；扩大头可起到类似承台作用，使得桩基与地基土保持变形协调[13]，更具有良好的应用价值。但现场经验表明，受含盐的不利影响等，常规水泥搅拌桩的成桩质量会偏低，表现在28 d成桩的取芯率低、抗压强度也偏低，经过加外加剂改良后，则可大幅提高水泥搅拌桩等的成桩质量，不失为有效的地基处理方法。目前除了内陆旱地盐碱土，针对滨海盐渍土路基上的搅拌桩软基处理研究还是比较缺乏。

本文依托浙江宁波象山71省道盛宁线工程，通过对滨海盐渍土土工实验研究含盐土的相应工程特性，探讨利用水泥粉煤灰等混合固化剂改良的材料配合比试验研究，取得相应试验分析参数，并进一步通过理论计算分析，探讨含盐钉形水泥土双向搅拌桩基承载能力计算方法并进行评估分析，供设计分析与工程实践参考。

1 滨海盐渍土实验

1.1 盐渍土物理力学性质实验

表1 各土层基本物理力学参数Table 1 Basic soil physical& mechanical parameters of the stratums

注：带*数据是计算时参考取值，非地勘报告资料提供原始数据，以下表2中*号意义相同。

表2 各土层地基承载力及侧摩阻力参数Table 2 Bearing capacity and frictional resistance parameters of the stratums

既有研究表明，含盐量对盐渍土的塑性指标影响较大[4-5]。本文试验时分别以②1、②2、③1层土为样品，烘干后掺入一定质量的海盐细颗粒，再按表1天然含水量要求进行掺水拌匀，测试不同含海盐量下土的塑性指标，由图1知，三组土的试验结果表明：土的液限、塑限都随含盐量的增加而降低，在10%的含盐量以内，液限有25%～35%的下降，而且在含盐量5%以内下降较快，而后半部分下降较缓慢；塑限随含盐量增加而下降得相对比较缓慢。

一般研究表明，含盐量和含水量的变化均一定程度影响剪切强度值(包括黏聚力和内摩擦角)[4]，只要是易溶盐，一般对黏聚力和内摩擦角等强度参数有衰减作用，其机理上为饱和卤水土颗粒表面水化膜增厚,削弱了土颗粒间的联结力,从而降低了卤水饱和状态下土的抗剪强度；另外，超过饱和度后则部分易溶盐以固态形式存在，含盐量增加对强度参数有增强作用。本文以②1层滨海土拌合一定海盐进行三轴不排水剪切实验，实验分四组不同含盐量百分比，设极限应力状态为轴向变形12%,位移控制加载速率为0.5 mm/min，由极限莫尔圆近似确定剪切强度参数，获得数据结果如表3所示，试验结果表明，含盐量10%以内的海盐土，其黏聚力和内摩擦角参数值随含盐量增加而降低明显,其中黏聚力下降比内摩擦角下降多。

图1 塑性指标与含盐量关系Fig.1 The relationship of soil plastic indexes with the salinity

表3 滨海含海盐土三轴实验剪切强度参数Table 3 Three-axis test on shear strength parameters of coastal saline soil

1.2 滨海盐渍土固化剂改良实验

上述研究表明，含盐量10%以内的海盐土其物理力学性质都有一定程度的降低，采用水泥搅拌桩进行地基处理时，除了采用水泥作为单一固化剂，可以研究引入包括粉煤灰在内的复合型固土剂，对滨海盐渍土进行改良。本文通过材料配合比试验，研究评估含盐量变化对拌合料常规强度以及耐久性的影响。试验基本步骤如下：(1)取③1层淤泥质土样，进行烘干、捣碎，用细筛去除夹杂物，拌和均匀，然后加水调整至天然含水量的土样，放置24 h后进行试验；(2)各种材料用量按以下配合比(表4)准确称量，采用机械拌和，倒入70.7×70.7×70.7立方体模具，然后用塑料薄膜覆盖试件,以防水分蒸发过快；(3)试件2 d后拆模，一部分进行常规养护和强度试验，一部分放置于温度为22±2℃、浸泡水中至试验龄期满。

本试验共分4类：水泥+无盐土、水泥+海盐土、复合固土剂(水泥+粉煤灰)+无盐土、复合固土剂+海盐土，对应不同海盐、水泥、粉煤灰掺量，另外常规养护7 d、28 d以及分别浸泡纯水和含盐水至90 d，再进行无侧限抗压强度试验，一共47组，每组3个用于取平均值，共计141个有效试样，具体如表4所示。

表4 不同材料配合比土体改良试验结果Table 4 Soil improvement test results with different material mix propotions

注：带*表示强度单位为MPa。

从图2结合表4可看出：水泥搅拌海盐土试样的平均强度随养护时间(7 d、28 d、90 d(养护28 d后再浸泡海盐水,浓度10%))增加而增加，随着海盐含量的增加其强度略有增加，但在海盐含量大于3%左右，强度随着海盐含量增加而减少。而且值得注意的是，养护28 d后再浸泡盐水到90 d的强度相比28 d强度增加并不明显，说明盐水浸泡对强度有一定弱化作用。从养护28 d再浸泡无盐水(或含海盐水)直到90 d的强度对比图3，浸泡海盐水的试样强度要比浸泡无盐水的平均低15%左右(R1组试样除外)，表明含盐水对强度起到一定程度的弱化影响。

图2 水泥+海盐土的强度随含盐量变化关系Fig.2 Relationship of the baysalt mixing cement soil strength and salinity

图3 不同试样浸泡无盐水与含盐水后的强度对比Fig.3 Contrast of 90d strength of samples in water with that in baysalt solution

另外从表4可知，试样Q4-Q5两组水泥掺入比比Q6-Q7两组试样的要低5%，但强度结果对比发现，前两组与后两组的7 d、28 d强度结果没有明显变化，表明通过增加水泥掺入比，可以抵消海盐含量增加对强度弱化的不利影响。粉煤灰含量和水泥含量相同时，通过试验组R1、T2和T4(或试验组T1与T3)试验结果对比说明，海盐含量越多则强度越低，但粉煤灰含量较高时强度变化不明显；而试验组T1与T2或试验组T3与T4的结果表明，海盐含量和水泥含量均相同时，粉煤灰含量越大则试样强度越高。

总之，上述试验表明，水泥土桩芯直接含盐或者浸泡海盐水，对于强度都有弱化影响，增加水泥掺入比可以一定程度抵消海盐对强度的弱化影响，而增加粉煤灰对于提高试样强度有更为明显效果。

2 钉形搅拌桩基承载力计算分析

2.1 计算模型及参数说明

上述试验研究表明，含盐量变化对滨海土以及水泥搅拌桩的物理力学性质包括水泥土耐久性能，起到一定减弱影响。本节依托浙江宁波象山71省道盛宁线工程，基于数值分析进一步评估在上述影响下钉形搅拌桩盐渍土复合地基承载能力变化特征。

主要设计计算参数如下：(1)土层物理力学参数参考表1，其中弹性模量取压缩模量的5.0倍；①、②1、②2、③1、③2等各土层厚度分别为：3.5 m、2.5 m、1.5 m、8.0 m、2.0 m；(2)钉形水泥土搅拌桩复合地基设计桩间距一般为1.8～2.4 m(计算取2.2 m)，大头直径R为0.9 m，高度3.5 m，小头直径r为0.5 m，设计总深度12.5 m；(3)在桩体参数方面，重度为20 kN/m3，压缩模量Es一般可取(100～120)·fcu，本文中水泥搅拌淤泥土平均fcu=0.75 MPa，即可取Es=90 mPa，弹性模量320 mPa，泊松比0.18；(4)在桩-土接触参数方面，剪切刚度模量为5.8×104kN/m3，法向刚度模量为6.4×105kN/m3, 取接触面平均黏聚力12.0 kPa和内摩擦角10.0°。设计要求单桩竖向抗压承载力标准值不小于170 kN，复合地基承载值标准值不小于100 kPa。

本文主要从数值分析和利用规范公式两方面计算桩基承载力。数值分析时采用MIDAS GTS有限元计算软件进行建模，所建单桩和四桩复合地基模型见图4。研究含盐量变化对承载力影响时，主要考虑的计算参数包括：各土层黏聚力和内摩擦角、水泥搅拌桩抗压强度；桩-土接触面上粘聚力、内摩擦角，以及剪切刚度模量。参考前述研究结果，确定桩土参数随含盐量增加而弱化的系数列于表5，其中土体粘聚力和内摩擦角弱化系数选取参照表3，桩抗压强度(取28d强度)弱化系数选取参照表4，桩-土接触面粘聚力和内摩擦角弱化系数暂假设与土体相应参数一致。

图4 桩基模型Fig.4 Pile foundation analysis model

受影响参数含盐量/%01.03.05.010.0土(桩-土界面)黏聚力1.00.930.720.640.58土(桩土界面)内摩擦角1.00.850.830.690.78桩抗压强度1.01.330.870.800.88桩-土剪切刚度模量1.00.930.720.640.58

2.2 单桩P-S曲线及承载力特征值分析

利用上述有限元模型及随含盐量变化的桩土参数，分别计算单桩P-S曲线如图5所示，表明随着含盐量不断增加，相应桩土力学参数弱化，P-S曲线中沉降趋势愈加明显，但其中含盐10%的试验组因增加了水泥掺量5%，沉降趋势并非最大的。承载力特征值则按P-S曲线初值段末尾对应的极限值减半计算。

此外参考相关规范中关于等直径桩的桩基承载力计算公式，对作为异形桩的钉型桩，本文建议分别从材料强度、桩侧桩端阻力参数等方面，按以下二式计算承载力特征值：

Ra=ηfcuAP

(1)

(2)

式中：系数η=0.3(0.2～0.33)；

α1,α2=(0.4～0.6)；

Ap——桩径横截面面积(表示下部桩径截面积，A2为上部扩大头横截面积)；

up——扩大头或下部桩的周长,

li——第i层土桩长；

fcu——立方体试样90 d单轴抗压强度；

qsi——第i层土的摩擦阻力特征值；

qp1——桩端地基土承载力特征值,

qp2——扩大头端部地基土承载力特征值。

暂假定土层摩擦阻力以及地基承载力特征值随土层含盐量变化的弱化规律与土层粘聚力的相似，分别按上述不同方法确定的单桩承载力计算结果见图6,其中利用公式(1)计算时，分别按桩大头和小头横截面积计算的结果得到曲线①和②，彼此差别大，比较合理的结果显然应该介于二者之间；按公式(2)计算结果曲线③明显偏大；而按P-S曲线取特征值所得结果如曲线④相对合理，本文拟以曲线①、②和④的均值为最终结果(表6)。

2.3 复合地基承载力标准值分析

复合地基承载力标准值计算仍参考等直径桩基相关计算规范，按如下式进行计算：

(3)

其中面积置换率m为0.13，Ra为单桩竖向承载力特征值，Ap为桩的截面积(取桩大头或小头截面积)，β为折减系数可取0.75(0.5～1.0)，fs,k为地基土承载力特征值(表2)，结果见表6。

对比不难发现，非改良的含盐滨海土搅拌桩单桩承载力低，通过加水泥和粉煤灰改良后得到明显提高，如含盐5%的搅拌桩承载力计算为110.8 kN，改良后可达190.6 kN；同样，复合地基承载力相应地也可以提高约25%～40%，达到设计要求。

图5 不同含海盐量的单桩P-S曲线Fig.5 P-S curves of Piles with different sea salt content

图6 单桩承载力特征值的不同方法分析结果Fig.6 Different results of single pile bearing capacity eigenvalues

表6 单桩及复合地基承载力特征值计算结果Table 6 Bearing capacity eigenvalues of single pile and composite foundation

*号注释：以表4中T2试样的90d强度结果为参照，对应土体含盐量5%，复合固化剂为21%。

3 结论

(1)通过滨海盐渍土物理与力学试验，表明含海盐量增加对土体塑性液性指标参数的不利影响，以及对三轴剪切强度的弱化影响；

(2)通过水泥及粉煤灰固化剂改良的水泥土桩芯材料配合比试验；发现直接含盐或者浸泡海盐水，对于强度都有弱化影响，水泥、粉煤灰可以一定程度抵消海盐的不利影响，而且后者效果更明显；

(3)从水泥土材料强度、侧摩阻与端阻力、P-S计算曲线等方面综合计算评估单桩承载力特征值，在此基础上分析了复合地基承载力，表明含海盐增加对承载力的不利影响，通过复合固化剂改良能满足搅拌桩处理含盐量大的软基承载能力设计要求。

本文桩基承载力计算部分参照等直径桩的相关规程，并提出了一些修改建议，实际上钉形搅拌桩作为异形桩其承载机理比等直径桩更为复杂，有必要进一步研究桩基承载力计算方法，以及结合更多工程实践进行验证。

致谢：本项研究受浙江省自然科学基金(LY16E040002)、宁波市交通委规划课题(201506)的联合资助，在此致谢。