摘要
水泥土搅拌桩和水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）是道路软土路基处理中常用的2种手段，应用广泛且具有良好效果。在湛江市某道路工程中，以地质勘察资料为基础，根据相关规范设计计算，制定合理的试验方案，进行水泥土搅拌桩、CFG桩的成桩试验，并进行相应的检测，对采用水泥土搅拌桩和CFG桩2种手段进行泥炭质土处理的适用性展开比选。比选结果表明：采用长螺旋钻孔工艺的CFG桩对泥炭质土具有较好的适应性，能够有效改善泥炭质土软基的强度和稳定性，因此是更为合理和可靠的选择。
关键词
0 引言
在湛江市某道路工程中，工程场地范围广泛分布泥炭质土、淤泥质黏土，以流塑状态为主，工程性质较差，部分地段厚度较大，承载力特征值fak＝30～70 kPa，是场地内的主要软弱层，易造成地面沉降和边坡不稳，未经处理不能作为拟建道路和管线的基础持力层。该场地特殊的工程性质使得道路软基处理成为了项目质量、成本控制的关键问题之一。本文旨在通过试验手段，对比水泥土搅拌桩和CFG桩2种处理方式的成桩效果，为泥炭质土路基的处理提供经济、可行的方案。
1 背景技术介绍
1.1 泥炭质土的特性
场地范围内的泥炭质土见
图1 场地范围内的泥炭质土
1.2 泥炭质土常用处理方法
常见的泥炭质土软基处理方法包括排水固结法和复合地基
相比复合地基法，排水固结法具有造价较低的优势，但在泥炭质土中应用时，也可能存在以下问题：容易导致地面沉降过大，给周边建构筑物带来安全隐患；在有透水层时，地下水源持续补充给软土层，将导致处理效果较差且固结周期加长；由于泥炭土的内部不均匀性，排水固结处理完成后的地基可能仍存在不均匀沉降；泥炭土植物根系丰富、孔隙极多，密封系统难以保障，采用真空预压等排水固结法处理时可能效果不佳；另外，排水固结法对于地基强度的提高一般要低于复合地基法。
因此复合地基法一般比排水固结法拥有更广泛的应用场景。
1.3 水泥土搅拌桩对泥炭质土的适应性
水泥搅拌法应用广泛，是加固饱和软黏土地基的一种成熟方法。它利用水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌机械在地基中就地强制搅拌软土和固化剂（浆液状或粉体状），使水泥和软土之间产生一系列物理化学反应，使软土硬结，并与桩间土、褥垫层共同作用，形成复合地基，从而提高地基强度。其施工简便、应用广泛、造价较低，且相比排水固结法工期较灵活。
针对水泥土搅拌桩在有机质土中的适用性，建筑、公路的行业规范均提出，水泥土搅拌桩用于处理泥炭土、有机质土时，必须通过现场和室内试验来确定其适用性。从土工试验、工程经验和实践证明来看，高有机质含量会明显影响加固土的强度，从而降低复合地基的强度。
国内也不乏在有机质含量较高的泥炭质土地基中应用水泥土搅拌桩的工程经验，特别是在云南地区，如昆明地铁3号线工
1.4 CFG桩对泥炭质土的适应性
CFG桩即为水泥粉煤灰碎石桩，是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成强度等级为C5~C25的高黏结强度桩。CFG桩可以全桩长发挥桩的侧摩阻力，而且当桩端落在较好的土层上时，还具有较大的端承力，可将荷载传递给较深的土层。一般情况下，CFG桩复合地基具有承载力提高幅度大、沉降较小的优点。
在一般情况下，CFG桩的单位造价较水泥土搅拌桩高，但由于其成桩过程受泥炭质土有机质含量的影响相对较小，根据以往工程经验，其处理效果也较水泥土搅拌桩
CFG桩在泥炭质土处理中应用广泛，同样在云南地区的软土地基处理中成功案例较多，如南昆线七甸泥炭质土工程、昆明地区环滇池三环路路基工程
2 试验方案的确定
本次研究参考《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTGT D31-02—2013），对水泥土搅拌桩和CFG桩的承载力、沉降、稳定性进行计算，以初步确定试桩的桩长、桩间距、桩径等参数。
2.1 水泥土搅拌桩计算方法
2.1.1 单桩承载力和复合承载力计算方法
水泥土搅拌桩复合地基竖向承载力特征值fspk按下式预估：
| fspk= mRa /Ap+ β（1-m）fsk | （1） |
式中：m为面积置换率，m=Ap /A，对于三角形布置，A=0.866
| Ra = up Σqsi Li + αqpk Ap | （2） |
| Ra= η fcu Ap | （3） |
式中：up为桩的周长，m；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值，kPa；Li为第i层土层的厚度，m；α为桩端土天然地基承载力折减系数；qpk为桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa；η为搅拌桩桩身强度折减系数；fcu为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.7 mm的立方体在标准养护条件下的90 d龄期抗压强度平均值，kPa。
2.1.2 沉降计算方法
水泥土搅拌桩复合地基的沉降计算应包括复合地基加固区的沉降值S1和加固区下卧层的沉降值S2。
复合地基加固区的沉降值S1按下式计算：
| S1 =Σ（△pi /Epsi）△hi | （4） |
| Epsi = mEp+（1-m）Esi | （5） |
上述式中：△pi为地基中各分层中点的附加应力，kPa；Epsi为各分层的桩土复合压缩模量，kPa；△hi为地基中各分层的初始厚度，m；Ep为桩体压缩模量，kPa；Esi为各分层的土体压缩模量，kPa。
加固区下卧层的沉降值S2可按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定计算。
2.1.3 稳定性计算方法
路堤整体抗剪稳定性按下式计算：
| τps = mτp+（1-m）τs | （6） |
式中：τps为复合地基抗剪强度；τp为桩体部分的抗剪强度；τs为土体部分的抗剪强度。
2.2 CFG桩计算方法
CFG桩承载力、沉降、稳定性计算方法与水泥土搅拌桩相同，此时
2.3 相关计算参数选取
选取本项目较不利的工点进行验算。根据地质勘察报告，该工点的土层物理力学指标建议值见
| 参数名称 | 地层层号 | ||
|---|---|---|---|
| ② | ②1 | ④1 | |
| 泥炭质土 | 淤泥质粉质黏土 | 粉质黏土 | |
| 含水量/％ | 77.8 | 42.9 | 23.5 |
| 比重 | 2.62 | 2.65 | 2.69 |
|
质量密度/（g· | 1.51 | 1.79 | 1.97 |
| 孔隙比 | 2.257 | 1.187 | 0.695 |
| 塑性指数/% | 23.5 | 15.3 | 15.3 |
| 黏聚力/kPa | 4.0 | 4.4 | 9.3 |
| 内摩擦角/（°） | 5.6 | 7.4 | 9.2 |
|
压缩系数/MP | 1.560 | 0.808 | 0.382 |
| 压缩模量/MPa | 2.59 | 3.55 | 5.45 |
| 地基承载力特征值/kPa | 30 | 70 | 150 |
| 桩侧摩阻力特征值/kPa | 4 | 4 | 25 |
该工点泥炭质土厚度为3.8 m，淤泥质粉质黏土厚度为5.2 m，淤泥质粉质黏土以下为粉质黏土层，可作为水泥土搅拌桩和CFG桩的持力层。
水泥土搅拌桩桩身强度折减系数η取0.25，CFG桩桩身强度折减系数η取0.4；桩间土承载力折减系数β取0.9；桩端土天然地基承载力折减系数α取0.6。
2.4 设计计算结果
（1）水泥土搅拌桩。当水泥土搅拌桩桩间距采用1.5 m、桩径采用0.5 m、桩长采用12 m、90 d立方体抗压强度平均值fcu不小于3.0 MPa时，按以上公式和计算参数可得：单桩承载力满足150 kN，复合地基承载力达到100 kPa，沉降、稳定性均满足《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（JTGT D31-02—2013）的要求。
（2）CFG桩。当CFG桩桩间距采用1.6 m、桩径采用0.5 m、桩长采用12 m、90 d立方体抗压强度平均值fcu不小于5.0 MPa时，按以上公式和计算参数可得：单桩承载力满足160 kN，复合地基承载力达到100 kPa，沉降、稳定性均满足《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》的要求。
2.5 确定试桩方案
2.5.1 水泥土搅拌桩
水泥土搅拌桩试桩桩间距采用1.5 m，梅花形布置；桩径采用0.5 m、桩长采用12 m，采用双向搅拌机械施工，二喷四搅。
由《广东省建筑地基处理技术规范》（DBJ/T 15-38—2019）可知，土质对水泥土试块抗压强度的影响极其显著。当粉质黏土+9%水泥时，其90 d立方体抗压强度为2.84 MPa；当淤泥质土+21%水泥时，其90 d立方体抗压强度只有1.71 MPa。若要使淤泥质土+水泥搅拌桩的90 d立方体抗压强度平均值fcu达到3.0 MPa，就需要较高的水泥掺量。因此，试验拟采用33%的水泥掺量。
同时考虑到泥炭质土的高有机质含量会明显影响加固土的强度，试验还设置2组对照组：第1组不添加外加剂；第2组添加外加剂，以改善水泥和有机质土的结合。外加剂参考广东地区有关经验，采用硫酸钠、氯化钠、三乙醇胺，掺量分别为水泥质量的2%、1%、0.05%。
2.5.2 CFG桩
CFG桩试桩桩间距采用1.6 m，梅花形布置；桩径采用0.5 m、桩长采用12 m。
CFG桩施工常用长螺旋钻孔成桩、振动沉管成桩2种方法。考虑到场地范围内的软土性质极差，且场地周边存在现状桥梁、建筑等，采用挤土工艺容易导致地基失稳从而影响周边构筑物安全，因此本次试验选用长螺旋钻孔成桩工艺。
3 试验过程分析和结果讨论
3.1 水泥土搅拌桩试验结果
水泥土搅拌桩试桩完成28 d后，对水泥土搅拌桩进行钻芯取样，以及单桩承载力、复合地基承载力检测。
不添加外加剂的第1组水泥土搅拌桩桩身完整性判定均为IV类桩，多处芯样特别是泥炭质土层的芯样松散、水泥含量少，呈软塑状（见图2）。单桩承载力检测不满足要求，但复合地基承载力检测满足100 kPa要求。
添加外加剂的第2组水泥土搅拌桩桩身也未达到预期效果，完整性判定同样为IV类桩，相比第1组水泥土搅拌桩无明显改善（见图3）。单桩承载力检测不满足要求，但复合地基承载力检测满足100 kPa要求。
3.2 CFG桩试验结果
试桩完成28 d后，对CFG桩进行钻芯取样，以及单桩承载力、复合地基承载力检测。检测结果表明：CFG桩的桩身完整性良好（见
图4 CFG桩芯样照片
3.3 结果分析
经核查，试验过程中，施工工艺、配合比等均严格按照试桩方案和地基处理的相关施工规范执行。
根据水泥土搅拌桩的试桩结果，即使试验中使用了较高的水泥掺量并添加了有利于改善水泥土结合的外加剂，成桩效果仍不理想。原因可能是泥炭质土中夹杂了过多植物根系，无法与水泥有效黏结形成整体；且其pH值低，属于酸性，即土中
虽然水泥土搅拌桩复合地基承载力满足设计要求，但是在《广东省建筑地基处理技术规范》中提到，单桩载荷试验与复合地基载荷试验结果不一致时应该如何处理是工程界常见问题，由于复合地基载荷试验的时间效应问题比单桩载荷试验突出，原则上应以单桩载荷试验结果为准。据此判定水泥土搅拌桩不适用于本项目泥炭质土的软土路基处理。
CFG桩试验结果表明，在泥炭质土软基处理中，CFG桩比水泥土搅拌桩更适用，可以满足设计要求。由于CFG桩的成桩过程不需要与泥炭质土结合，因此其受有机质含量的影响较小，成桩效果也更好。
4 结语
（1）受有机质含量过高的影响，水泥土搅拌桩在本项目泥炭质土中不易成桩，桩身完整性、单桩承载力均无法达到要求，不宜用于泥炭质土路段的处理。
（2）采用长螺旋钻孔工艺的CFG桩对泥炭质土具有较好的适应性，能够有效改善泥炭质土软基的强度和稳定性。
