MJS水泥土的试桩成桩效果分析

刘欣，杨平*，郑盛，王岩梓，陈潋，杨宁

(1. 南京林业大学土木工程学院，南京 210037；2. 中铁三局集团华东建设有限公司，南京 211106)

随着我国轨道交通建设快速发展，将大量出现基于复杂工程地质与水文地质条件的新建车站下穿运营车站或下穿既有大型建筑物、构筑物等情况。南京地铁7号线中胜站下穿既有10号线车站工程地处全断面承压含水砂层，拟采用水平MJS加固+水平冻结止水+CRD密贴暗挖的施工工法，为给MJS加固方案设计和参数优化提供依据，需先行在地层条件相似地段施做MJS试桩。

MJS(metro jet system)工法全称为全方位高压喷射注浆工法，是对传统高压旋喷工艺的进一步升级，可有效控制施工期间的地表位移，减小对周围结构的影响；且MJS桩体可形成止水帷幕，防止富水砂层等特殊地层产生涌砂冒水现象，因而被广泛应用于地下工程领域，如下穿高铁MJS法水平地基处理工程[1]、轻轨车站换乘通道加固工程[2]、长沙地铁富水砂卵石层中近距离盾构下穿既有运营线路工程[3-4]；且已有学者对MJS工法应用范围进行了进一步探讨[5]。

水泥土桩质量检验手段主要有钻芯取样观察及芯样强度试验与渗透、标准贯入试验等[6-7]。水泥土强度是反映水泥土桩体成桩质量的重要指标。关于水泥土强度方面，目前已大量报道的研究成果[8-10]：李永辉等[11]对不同水泥掺入比、龄期下水泥土强度的变化规律进行了研究；Bhavita Chowdary等[12]与Consoli等[13]、Le Kouby等[14]与Szymkiewicz等[15]分别研究了含水率、养护方式、水泥掺量对水泥土强度与刚度的影响。关于高水泥掺量MJS水泥土室内试验，笔者对其热物理性质、强度以及冻融特性进行了探究[16-17]。

综上所述，MJS工法适用于复杂环境下的加固工程，且可依据钻芯对桩身质量进行评定。试桩成桩效果是正式施工参数做出相应调整的重要依据，因此笔者开展MJS水泥土试桩成桩效果试验研究，研究不同桩型(全圆、半圆)、不同水泥掺入比、不同地层下各部位MJS水泥土试桩的成桩效果(加固范围、成桩质量、抗压强度、弹性模量、水泥含量)，并与室内MJS水泥土强度数据比较，可为基于室内强度数据的设计参数调整提供依据，以期为此类工程设计提供参考。

1 试桩施工工艺

1.1 试验段工程概况

新城科技园站与中胜站地层条件相同，试桩所处水文地层条件与实际MJS加固工程情况类似，在既有基坑内进行试桩试验，有较好的场地条件，因而选择此处作为试桩施工地点。新城科技园站为南京地铁7号线的中间站，水平MJS加固主要位于②-2b4淤泥质粉质黏土(软—流塑)、②-3d3+c3粉砂夹粉土(稍密)，为承压含水层，微承压水赋存于下层砂性土中，承压水含水层厚度大，对工程施工影响大。

1.2 MJS试桩方案与参数

MJS试验桩共4根，淤泥质粉质黏土和粉砂夹粉土两种土层中分别施工2根，且分别为半圆和全圆。根据实际下穿段开挖长度，所有桩长均为27 m，全圆桩水泥掺入质量比为45%；半圆桩根据桩长分为3段，每段水泥掺入比分别为45%，50%，60%，如图1所示。试桩施工水灰比为1∶1，提升步距为25 mm，具体参数见表1。MJS-1半圆桩、MJS-2全圆桩中心距离地面12.05 m，位于淤泥质粉质黏土层，桩径分别为2.2和1.3 m；MJS-3半圆桩、MJS-4全圆桩桩中心距离地面14.7 m，位于粉砂夹粉土层，桩径分别为2.2和1.3 m。

图1 试桩及取芯点布置图Fig. 1 Schematic diagram of layout of pile test and coring location

表1 MJS试桩施工参数Table 1 Construction parameters of MJS test pile

表1(续)

2 试桩成桩效果分析

2.1 现场取芯及实际加固范围分析

上部全圆桩先于半圆桩完成，下部半圆桩先于全圆桩完成，且下部桩整体先于上部桩完成，施工养护期满28 d，首先对下部全圆、半圆桩进行取芯，后对上部全圆、半圆桩进行取芯。由于全圆桩为1种掺入比，半圆桩为3种掺入比，考虑每种掺入比至少取1次，且上下部土层不同。分别在距离地连墙3，15，21 m处3个位置钻孔取芯，一次钻孔取上下不同地层的两根试桩芯样，共打6个取芯孔，每孔均钻至下部试验桩的底部位置，详见图1。为避免取芯破坏测温线，考虑取芯钻孔偏斜等因素，设计取芯开孔位置距轴线400 mm。

两根半圆桩对应两个不同地层，每根桩3种不同掺入比，每种掺入比最少取一个完整孔的芯样，共计6个孔芯样。两根全圆桩掺入比均为45%，对应两种土层，每桩各取1个孔的芯样即可，共计2个孔芯样。每个芯样有效长度应穿透完整取样，若遇破碎难以取样，每个样长至少保证在20 cm以上。经过现场取芯观察各位置的成桩效果，发现大部分芯样完整连续呈短柱状，均匀性良好，取出的MJS水泥土长度均可保证在1 m以上。

取出加固体总长均小于MJS加固设计桩径，而在实际MJS取芯施工中，因桩体内存在测温管，且由于取芯设备存在垂直度偏差，按照最大偏差200 mm计算，使得取芯的整体偏斜达到400 mm(表2)。综合考虑各个位置取出的加固体长度，利用勾股定理，计算得45%掺入比全圆桩实际桩径为90～110 cm，半圆桩45%，50%，60%水泥掺入比桩径分别为160～170 cm、180 cm左右、200 cm左右。结合表1分析，半圆桩MJS-1、3在45%，50%，60%掺入比区域，施工时步距提升时间依次延长，即提升速度依次变慢，在注浆压力与流量相同条件下，随提升速度减小桩径增大[18]，步距提升时间与旋转速度对实际桩径有一定影响。由于两种桩型有效加固范围均未达到桩径要求，为保证后期下穿段安全，建议施工时适当调整步距提升时间与旋转速度等参数，实际加固工程全圆桩设计桩径改为1.5 m，半圆桩设计桩径改为2.4 m。

表2 不同水泥掺入比下取出加固体总长度Table 2 The total length of reinforced solid under different cement content mixing ratios

2.2 试桩抗压强度特性分析

芯样经加工后，进行无侧限抗压强度试验以及含水率测定试验。关于水泥土桩取样与芯样强度评价方法，目前仍未有统一规范准则，因此本研究参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，试样尺寸为Φ80 mm×100 mm，加载速率2 400 N/s。试验共38个试件，各类型试样基本参数见表3。由表3可知，相同地层条件下，同水泥掺入比区域全圆桩平均密度低于半圆桩，但含水率高于半圆桩；由于下部粉砂夹粉土地层为承压含水层，不同地层条件下，相同桩型位于下部的含水率更高。

表3 试样基本参数Table 3 Basic parameters of test samples

2.2.1 试样破坏形态

以MJS-1半圆桩为例，选取各水泥掺入比代表性试样，分析不同掺入比试样破坏形态差异(图2)。由图2可见，60%掺入比试样侧面出现了从顶部贯穿至底部的浅斜裂缝，基本无破碎，完整度最好；50%掺入比试样侧面出现明显的斜裂缝，伴随部分土体破碎脱离，完整度良好；45%掺入比试样同样在侧面出现斜裂缝，试样延斜裂缝分裂成两部分，侧面大部分土体破碎剥离，完整度最差。可见掺入比越小，破坏特征越明显，试件越易破碎，完整度越差。

图2 MJS-1淤泥质粉质黏土半圆桩不同水泥掺入比时试样破坏形态Fig. 2 Failure mode of MJS-1 muddy silty clay semi-circular pile with different cement content mixing ratios

不同土层不同桩型的试样破坏形态见图3，因距离地连墙21 m处4种试桩的掺入比均为45%，因此选取此位置的试样进行分析。如图3所示，各桩试样表面均出现了角度不同的贯穿裂缝，呈剪切破坏。全圆桩体试样破坏后，侧面仅出现明显的斜裂缝，完整度相对较好；对比全圆桩，半圆桩体试样破坏明显，土体破碎剥落较多，完整度较差。

图3 45%掺入比时不同试桩破坏形态Fig. 3 Failure modes of the test piles at 45% mixing ratio

2.2.2 抗压强度结果分析

全圆桩抗压强度见表4，同桩条件下，抗压强度与密度成正比关系，与含水率成反比关系，且全圆桩上部芯样强度最大，中部次之，下部最小；不同地层下，砂层MJS-4整体密度小于黏土层MJS-2，但其含水率及抗压强度均高于MJS-2，土质对桩体抗压强度影响较大。

表4 全圆桩试样强度Table 4 Strength results of full round pile specimens

半圆桩试样抗压强度见表5，由于MJS-3位于承压富水砂层，MJS-3含水率大于MJS-1，平均密度小于MJS-1；50%与60%水泥掺入比区域，抗压强度与密度成正比，与含水率成反比，掺入比50%区域平均抗压强度小于60%区域。由于现场取芯的偏斜以及实际MJS加固效果影响，45%掺入比区域，中部及下部未取出超过10 cm的完整芯样，呈现破碎状态；对比50%掺入比，60%掺入比区域同位置处的不同芯样，强度与含水率及密度均有较大偏差，注浆均匀性相对较差，可见在实际施工过程中，50%掺入比时成桩效果最佳，60%次之，45%最差。结合表1分析，半圆桩施工时注浆压力与流量等参数相同，但设计掺入比越高，步距提升时间越长；随步距提升、时间延长，相应的注浆量越大，但浆液切割范围增大即注浆范围增大，注浆范围过大也会影响成桩效果(浆液与桩径不均匀)，此时注浆流量过小，与步距提升速度不适配；单位时间注浆量相同情况下，随步距提升时间延长，注浆效果先增强随后削弱。实际施工时应针对不同设计水泥掺入比适当调整单位时间注浆流量。

此外由表5可知，与全圆桩不同，半圆桩中部芯样强度最大，上部次之，下部最小。相同水泥掺入比条件下，全圆桩成桩效果更佳；并且由于桩型的差异，全圆桩上部至下部的成桩效果依次递减，而半圆桩中部的成桩效果最佳，上部次之，下部最差。建议全圆桩采用45%掺入比，半圆桩采用50%掺入比。

表5 半圆桩试样强度Table 5 Strength results of semi-circular pile specimens

2.2.3 应力-应变关系与弹性模量分析

MJS-3粉砂夹粉土半圆桩，经45 d养护，对其取芯数据进行分析，不同水泥掺入比的水泥土应力-应变关系见图4。由图4可知，同一桩体，抗压强度随掺入比增加而增大；各掺入比试件破坏应变均很小，且破坏后应力迅速下降，为脆性破坏。工程中通常以土体单轴抗压强度的1/2与其对应的应变比值来表征弹性模量[19]。掺入比为45%，50%，60%的弹性模量分别为368.3，418.8，634.7 MPa，可见随着水泥掺入比增加，桩体弹性模量增大。

图4 MJS-3粉砂夹粉土半圆桩应力-应变关系Fig. 4 Stress-strain relationship of MJS-3 semi-circular pile with silt and silt

MJS-1、2、3、4分别经28，30，45，41 d养护，水泥掺入比为45%，不同土层与桩型下试桩取芯无侧限抗压强度试验应力-应变关系见图5。由图5可知，MJS-1、2、3、4桩体抗压强度分别为3.23，4.60，3.51，6.71 MPa，均呈现脆性破坏；同桩型条件下，对比淤泥质粉质黏土层，位于粉砂夹粉土层的MJS-3与MJS-4芯样强度较大，且脆性更为明显；同土层及龄期相近条件下，对比半圆桩，全圆桩MJS-2与MJS-4芯样强度较大，且全圆桩达到极限应力时的轴向应变更大，塑性更强。MJS-1、2、3、4弹性模量分别为381.7，412.5，418.8，561.6 MPa，可见龄期近似条件下，同土层同水泥掺入比时全圆桩弹性模量均大于半圆桩。

图5 45%掺入比时不同土层不同桩型应力-应变关系Fig. 5 Stress-strain relationship of different pile types in different soil layers with the mixing ratio of 45%

2.2.4 室内试验强度与试桩取芯强度比较分析

选取同一地层粉细砂，室内制样经标准养护后试验，使用抗折试验折断的棱柱体进行抗压强度试验，受压面为试样成型的两个侧面，面积为40 mm×40 mm，试验加载速率为2 400 N/s。根据室内试验数据[17]，12种情况(不同水泥掺入比与龄期)共计36组试样，每种情况取3组平行样均值作为抗压强度，结果见表6，室内试验水泥土抗压强度曲线如图6所示。由图6可知，同龄期下随着掺入比增加抗压强度增大，同掺入比下随着龄期增长抗压强度增大，且随龄期继续增长，强度增长趋势逐渐变缓。

根据MJS-3、MJS-4芯样的试验数据共计19个试件，每种情况(不同水泥掺入比与桩型)取3个代表性试件试验数据均值作为抗压强度，选取28 d龄期下室内粉细砂水泥土与现场取芯抗压强度数据进行对比(表7)。由表7可知，室内水泥土强度大，45%水泥掺入比，全圆桩取芯强度为室内强度的0.38倍，半圆桩取芯强度为室内强度的0.31倍；50%和60%水泥掺入比分别为室内强度的0.25和0.29倍。这是由于室内水泥土试样搅拌均匀，且在标准条件下养护，现场MJS施工搅拌均匀性及养护条件不如室内，而且现场采取单管双壁取芯，一定程度上会对试样产生损伤。因此实际加固强度以试验室强度为参考，应予以一定系数进行折减，本工程折减系数可根据桩型在0.25～0.38范围考虑。

表6 不同水泥掺入比和龄期室内试验对水泥土抗压强度的影响Table 6 Cement-soil compressive strength of different cement mixing ratios and ages laboratory tests MPa

图6 室内试验水泥土抗压强度曲线Fig. 6 Compressive strength curves of cement soil in laboratory test

表7 室内粉细砂水泥土与现场试桩抗压强度对比Table 7 Comparison of compressive strength between laboratory cement soil and field test pile

2.3 试桩加固体水泥含量测定

水泥含量测定采用EDTA络合滴定法，利用形成络合反应物进行滴定分析；首先用10%质量分数NH4Cl与水泥土充分搅拌，用搅拌产生的悬浊液与NaOH反应析出Ca2+，再采用EDTA二钠标准液固定Ca2+生成沉淀，EDTA二钠标准液的消耗量即对应着水泥含量；通过用现场原状土掺入相应掺入比(35%，40%，45%，50%，55%,60%，65%)的水泥制样，经养护后进行滴定试验绘制出水泥含量标定曲线(图7)，再根据试桩试样EDTA二钠标准液消耗量得出实际水泥含量。试桩水泥含量测定试样分别取自MJS-2全圆桩水泥掺入比45%区域和MJS-1半圆桩水泥掺入比45%，50%，60%区域，水泥含量测定试验结果见表8。

图7 水泥含量标定曲线Fig. 7 Calibration curve of cement content

由表8可得，实测水泥含量(质量分数)为36.2%～50.2%，实测水泥含量较设计低8.8%～9.8%，均未达到设计掺入比要求，且水泥掺入比越高，实测水泥含量与设计掺入比差距越大，需进一步优化施工参数；MJS-1半圆桩50%和60%掺入比区域中部芯样水泥含量最高，上部次之，下部最低，45%掺入比区域上部芯样水泥含量最高，中部次之，下部最低；MJS-2全圆桩45%掺入比区域上部芯样水泥含量最高，中部次之，下部最低；半圆桩50%掺入比与全圆桩45%掺入比区域水泥含量与强度变化规律相对应。这是由于水平桩成桩时受提升速度与注浆压力影响，桩断面上切割的土粒按质量大小规律分布，一般小颗粒主要在上部，中部混合着大小颗粒，大颗粒下部居多，断面自上而下水泥浆液含量逐渐减少，但随提升速度与注浆压力改变水泥浆液分布也会变化。

表8 水泥含量测定试验结果Table 8 Test results of cement content determination

3 结 论

本试验基于MJS水泥土试桩通过钻芯取样对MJS水泥土试桩成桩效果进行研究，研究不同桩型(全圆、半圆)、不同水泥掺入比、不同地层下各部位MJS水泥土试桩的成桩效果(加固范围、成桩质量、抗压强度、弹性模量、水泥含量)，开展了单轴抗压强度试验、水泥含量测定试验，并与室内MJS水泥土强度数据比较，主要结论如下：

1)结合现场取芯长度，获得全圆桩实际桩径为90～110 cm；半圆桩45%，50%，60%掺入比时实际桩径分别为160～170 cm、180 cm左右、200 cm左右，实际施工时宜适当调整步距提升时间与旋转速度。

2)全圆桩整体成桩效果良好，成桩质量优于半圆桩，芯样平均抗压强度在3 MPa以上，位于砂层的桩体强度大于黏土层；同桩断面，上部芯样强度最大，中部次之，下部最小。半圆桩50%掺入比时成桩效果最佳，60%次之，45%最差，且强度可以保持在3 MPa；同桩断面，中部芯样强度最大，上部次之，下部最小。

3)芯样抗压强度与弹性模量随掺入比增加而增大，且为脆性破坏；位于粉砂层芯样强度较大，且脆性更为明显；同土层及龄期相近条件下，全圆桩芯样强度较大，达到极限应力时的轴向应变更大，脆性较半圆桩弱。

4)因现场施工不均匀与养护条件不同、钻孔取芯损伤等因素，室内粉细砂水泥土抗压强度远大于现场试桩芯样，为其3～4倍。

5)实测半圆桩50%掺入比区域中部芯样水泥含量最高，上部次之，下部最低。水泥含量处于36.2%～50.2%，比设计值低8.8%～9.8%,尚未达到设计掺入比要求，需进一步优化施工参数。全圆桩45%掺入比时区域上部芯样水泥含量最高，中部次之，下部最低，与强度变化规律相对应。