水泥土搅拌桩取芯与取浆两种强度检测分析.docx

水泥土搅拌桩取芯与取浆两种强度检测分析梁志荣，李忠诚，刘江（上海现代建筑设计集团申元岩土工程有限公司，上海 200011）摘 要：对搅拌桩在取芯检测过程中存在的强度损失较大，检测值偏低且离散性较大等问题进行了系统分析。结合实际工程试验，对目前工程中争议较大的搅拌桩强度取值问题和搅拌桩强度检测方法问题进行了探讨。提出现场采取一 定深度的搅拌桩浆液，标准养护后进行室内抗压强度试验的方法检测水泥土搅拌桩的强度，并研制了深层水泥土搅拌 桩浆液专用取样机。通过几代取样机的不断改进，第三代水泥土取样机具有小巧、轻便、快捷、取样效率较高等优点。 利用所研制的取样机对水泥土搅拌桩进行了取浆强度检测试验，并与取芯强度检测结果进行了对比分析。 关键词：水泥土搅拌桩；强度；取芯检测；型钢水泥土搅拌墙中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：10004548(2010)S1043505作者简介：梁志荣(1966 ) ，浙江上虞人，教授级高级工程师，主要从事岩土工程设计及研究工作。E-mail:。Strength analysis on soil-cement mixed piles by trials of drilling core andtaking soil-cement groutLIANG Zhi-rong, LI Zhong-cheng, LIU Jiang(Shenyuan Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shanghai Xiandai Architectural Design Group, Shanghai 200011, China)Abstract: A systematical analysis is made to the larger strength loss, lower strength value and larger discreteness in the trials of drilling core of soil-cement mixed piles are studied. According to the tests in practical engineering, the strength value and test method of soil-cement piles, which are in dispute problem at present are studied. It is presented that the strength tests are carried out on soil-cement piles by using the trial of taking soil-cement grout, based on standard curing and compressive strength tests. A sampling device of taking soil-cement grout is developed to obtain the deep cement grout of soil-cement mixed piles. The third generation sampling device is small, portable, fast, and efficient, by means of continual improvement. Based on practical engineering, a soil-cement grout trial is carried out using the sampling device, and the comparative analysis with the trial of drilling core of soil-cement mixed piles is made.Key words: soil-cement mixed pile; strength; trial of drilling core; soil mixed wall0引言程，对目前工程上争议比较大的搅拌桩强度取值问题和搅拌桩强度检测方法问题进行了分析，提出采用现 场取一定深度的搅拌桩浆液，标准养护后进行室内抗 压强度试验的方法检测水泥土搅拌桩的强度，并研制 了深层水泥土搅拌桩浆液专用取样机。结合实际工程， 利用所研制的取样机对水泥土搅拌桩进行了取浆强度 检测试验，并与取芯强度检测结果进行了对比分析。水泥土搅拌桩广泛应用于基坑工程的截水帷幕和坑内加固、水库防渗墙、地下坝加固、隧道加固、垃 圾填埋场的护墙等领域，但对于搅拌桩的强度及其检 测方法问题一直没有很好的解决。目前工程中对搅拌 桩强度的争议比较大，认识上还存在相当的分歧，各 种规范的要求也不统一1。水泥土搅拌桩的检测技术 还停留在室内试块试验和现场取芯等技术手段上，室 内试块试验不能真实地反映水泥土搅拌桩的实际强 度，通过取芯检测获得的搅拌桩强度值普遍低于规范 要求值。随着水泥土搅拌桩越来越广泛的应用，理论 落后于实践的矛盾越来越凸显，迫切需要对水泥土搅 拌桩的强度及检测方法进行较系统的研究。本文以理论分析和工程试验为基础，结合实际工1搅拌桩强度及其检测存在的问题目前工程中对搅拌桩的强度取值问题和强度检测方法问题存在比较大的争议，这主要表现在以下 4 方面。收稿日期：20100506岩 土工程 学 报2010 年436（1）目前一些相关规范、论文和著作中对于水泥土搅拌桩的强度取值问题均有提及，但要求的强度指 标并不统一和明确，亟待对水泥土搅拌桩的强度问题 进行系统研究。（2）工程实践中通过钻孔取芯试验得到的搅拌桩 强度值普遍较低，特别是比一般规范、手册中要求的 数值要低，如何合理地确定搅拌桩 28 d 强度，一直没 有很好地解决，需要结合工程试验深入分析研究，以 解决目前规范要求值与实际取芯检测结果不相符的问 题。（3）目前对水泥土搅拌桩的检测方法较多，主要 有室内配比、取芯、标准贯入试验、静力触探和动力 触探等方法。这些方法各有优缺点，各种检测方法对 相同土层和施工参数的搅拌桩检测结果相差比较大。 水泥土强度检测受到很多因素的影响，如土性、养护 条件、加载速度、试验人员操作等, 为强度指标及测 试方法的确定和选择带来难度。（4）对于三轴水泥土搅拌桩的强度检测缺乏有针 对性的试验研究，国内尚无专门的水泥土搅拌桩检测 技术规范。由于技术和经济上的原因，对水泥土搅拌 桩的现场试验进行较少，多数的研究结果来自于室内 试验，其试验结果往往作为水泥土搅拌桩工程的设计 依据。对搅拌桩的强度检测，亟待确定一种简单、方 便，可操作性强的检测方法，以满足日益增加的搅拌 桩强度检测需要。孔取芯完成后，对芯样的处置方式也会对试验结果产生影响，如芯样暴露在空气中会导致水分的流失，取 芯后制作试块的过程中会产生较大扰动等。（4）由于以上原因导致一般通过钻取桩芯强度试 验得到的搅拌桩强度值偏低，特别是较目前一些规范 和手册上的要求值低。2.2 水泥土搅拌桩的取芯强度试验分析表 1 为 5 个工程进行的现场取芯试验。每个场地 均专门施工了 5 组三轴水泥土搅拌桩2。搅拌桩均采 用套接一孔施工工艺，不插型钢，搅拌桩深度一般在2025 m，桩径为 850 mm 或 1000 mm。为了使试 验结果具有可比性，6 个场地三轴水泥土搅拌桩均统 一施工参数，水泥统一采用 P42.5 普通硅酸盐水泥， 水泥掺量 20%，水灰比 1.5，搅拌头下沉速度一般控 制在 0.51.0 m/min，提升速度一般控制在 1.02.0 m/min，并保持匀速下沉与匀速提升。表 1 各地水泥土搅拌桩钻取桩芯试块单轴抗压强度Table 1 Trial results of drilling core of soil-cement mixed pile in different regions 钻芯试块抗压强度平均值/MPa 背景工程7 d14 d28 d上海某隧道工程上海某大厦工程 苏州某工程 天津某工程0.210.414.370.480.440.410.786.40 宁波某工程 0.06 0.49 由表 1 可见，各地水泥土搅拌桩 28 d 取芯强度值为 0.416.4 MPa，试验结果离散性较大，且较目前一 般规范和手册上要求的强度值要低，但一般强度值都 在 0.40 MPa 以上。通过试验发现，水泥土强度不但与龄期有关，还 与土层性质有关，在同等条件下，粉质粘土搅拌的水 泥土试块强度较粉土、粉砂搅拌的水泥土试块强度低。通过对比搅拌桩套打区域与非套打区域的取芯强 度检测结果，发现搅拌桩套打和非套打区域强度值差 异并不明显，说明搅拌桩强度在竖向受土层性质影响 明显，但在同一标高的水平截面，搅拌较为充分均匀， 搅拌桩中间喷气孔水泥量和强度并无明显减小。2.3 水泥土搅拌桩取芯强度试验的试件尺寸探讨目前对于芯样的尺寸要求并不统一，如表 2 所示。 通过上面的分析，可以认为钻取桩芯强度试验应采用地质钻机，连续钻取全桩长范围内的桩芯，取样 设备宜采用三（双）重管单动回转取土器。当搅拌桩 成桩 7 d 后进行取芯试验时，可以选取薄壁取土器。 试样尺寸的规定：钻取桩芯试样宜直接采用圆柱体， 直径即为所钻取的桩芯芯样直径，宜采用 11 的高径 比。2水泥土搅拌桩的取芯强度检测2.1水泥土搅拌桩的取芯强度检测水泥土搅拌桩取芯强度检测是目前搅拌桩强度检 测的一种常规方法。取芯强度检测是在搅拌桩达到一 定龄期后，通过地质钻机，连续钻取全桩长范围内的 桩芯，并对取样点芯样进行无侧限抗压强度试验。根 据目前的现场钻芯取样实践发现，该方法往往存在以 下缺点：（1）各规范中对取样设备未作统一规定，目前工 程上对搅拌桩芯样的取样设备主要借用岩土勘察上的 取土器和岩石取样用的岩心管，如薄壁取土器，双管 单动取样器和双管双动取样器等，缺乏针对搅拌桩的 特点开发取样器，取样设备和取样方式的差异将导致 取样结果的离散和不确定。（2）取样过程受施工机具、施工场地及施工人员 操作因素影响较大，钻取桩芯过程总会在一定程度上 损伤搅拌桩芯样，取样结果代表性较差。（3）水泥土芯样在钻取及运输过程中易破碎，导致强度试验的失败。如取芯过程中一般采用水冲法成 孔，由于桩的不均匀性，水泥土易产生损伤破碎；钻增刊 1梁志荣，等. 水泥土搅拌桩取芯与取浆两种强度检测分析437表 2 各规范对搅拌桩强度取值要求Table 2 Required values to strength of soil-cement piles by curvent codes规范及手册名称试样尺寸要求检测数量要求DGJ081162005 型钢水泥土搅拌墙技术规程DBJ08-40-94 地基处理技术 规范钻取桩芯宜采用 110 mm 钻头，连续钻取全桩长范围内的桩芯。钻芯取样试块尺寸 70.7 mm70.7 mm70.7 mm，钻孔直径不宜小于 108 mm。抽取单桩总数量的 1%，并不少于 3 根。单根取芯数量不少于 5 组，每组 3 件试块。成桩 28 d 后，用双管单动取样器钻取芯样作抗压 强度检验和桩身标准贯入检验，检验数量为施工总 桩数的 2，且不少于 3 根。采用试块试验和钻取桩芯的方法。试块制作采用 70.7 mm70.7 mm70.7 mm 立方体。钻 取桩芯宜采用 110 钻头，连续钻取全桩长范 围内的桩芯。试块试验每个机械台班制作一组。取样数量不少于总桩数的 1%且不少于 5 根。试块试验和钻取桩芯 试验宜在龄期 28 d 后进行。DBJ086197 基坑工程技术规范基坑工程手册（候学渊，刘建航）在龄期 28 d 时用地质钻机钻取芯样（110mm 钻头），制成试块测定其强度。推荐采用浆液试验检测水泥土搅拌桩的强 度，单轴压缩试验采用直径 50 mm，高 100 mm 的试样，三轴压缩试验采用直径 100 mm， 高 200 mm 的试样。日本规范3用技术较先进的日本等西方国家推荐搅拌桩强度检测采用现场水泥土浆液取样的方法3。国内由于缺乏该 类试验的专用取样设备，长期以来现场水泥土浆液的 取样仅停留在挖取搅拌桩浅层样本或在搅拌桩机螺旋 叶片上搜集样本等 2 种方式上。这在较大的程度上削 弱了对水泥土搅拌桩质量的控制力度，也影响了广大 学者对水泥土搅拌桩强度的全面认识。3.2 深层水泥土搅拌桩取浆专用设备研制目前国内对水泥土搅拌桩的检测技术还停留在现 场取芯等技术手段上。而在这方面技术先进的日本， 对现场水泥土搅拌桩质量控制较为重视，以采用“现场 水泥土浆液取样强度试验”为主的现场质量双控体系， 以验证现场水泥土施工质量是否符合设计要求。本文以水泥土浆液的深层取样设备作为研发的重 点，着重考虑取样设备的规范性和易操作性，力求研 发出既能满足常规取样的技术要求，又便于进行水泥 土试块室内强度检验的设备。图 1，2 为研制的几代取 样机及其仿真图，图 3 为取样机取样过程图。3水泥土搅拌桩的取浆强度检测3.1水泥土搅拌桩的取浆强度检测由于钻孔取芯对试样破坏较为严重，强度检测值 一般偏低且离散性较大4-6。为了克服取芯试块强度检 测过程中的缺点，另外一种常用的方法为取浆试块强 度检测方法。取浆试块强度检测方法是在搅拌桩刚搅 拌完成、水泥土处于流动状态时，利用专用的取浆装 置获取搅拌桩一定深度的浆液，并制成标准试块，采 取水下封闭养护的方法，在一定时间后进行室内无侧 限抗压强度试验获得搅拌桩强度值的方法。水泥土搅 拌桩取浆试块强度试验方法具有如下特点：（1）取浆试验现场操作方便，试块为标准试块， 费用低，速度快，相对于取芯等强度检测方法具有一 定的优势。（2）取浆试块由于在实验室制作，试块可以制成 任意形状，便于试验和比较，且制成试块形状较规则， 试验误差小。（3）搅拌桩取浆试验浆液应采用专用的取样设备 获取，取得的水泥土混合浆液应制备于专用的封闭养 护罐内浸水养护。浆液灌装前宜在养护罐内壁涂抹薄 层黄油以便将来脱模，养护温度宜保持与取样点的土 层温度相近。（4）取浆试验是在搅拌桩一定深度获取尚未初凝 的水泥土浆液，需要在浆液获取后进行养护，养护条 件可能与搅拌桩现场条件存在一定差别。（5）为克服现场取芯强度检测的各种弊端，保证 水泥土搅拌桩深层强度检测的可靠性，SMW 工法应图 1 所研制的 4 种水泥土搅拌桩深层取样机Fig. 1 Soil-cement deep sampling equipments水泥土取样机的研制成功为三轴水泥土强度的研 究提供了更为科学合理的取样手段，表 3 为几代取样 机研制过程经验总结。岩 土工程 学 报2010 年438取浆强度值与取芯强度值二者的比值为 1.3 1.6，这反映了取芯强度由于取芯过程中对芯样的损伤 而使试验强度降低。上海的“地基处理技术规范”与“基坑工程设计规范”的条文说明中允许对双轴搅拌桩的 取芯强度试验值乘以补偿系数（约 1.11.4）。综合分 析，考虑取芯过程中对芯样的损伤，同时又适当留有 余地，对取芯试块强度乘以系数 1.21.3 作为水泥土 搅拌桩的强度是合适的。4取芯强度检测试验为了探讨取浆强度检测与取芯强度检测 2 种搅拌桩强度检测方法的优缺点和联系，以上海解放日报大厦工程为例，进行了现场原位取浆室内试块试验，结 果见图 4 和表 4。从原位取浆室内试块试验结果看，28 d 取浆试块强度平均值为 0.54 MPa，同时进行的 28 d 取芯试块强度值为 0.41 MPa。图 2 水泥土深层取样机三维仿真图Fig. 2 3D simulation of soil-cement deep sampling equipments表 3 几代取样机优缺点Table 3 Comparison among several generations sampling equipments研发项目成功的经验不足之处在设计上确定了水泥土取样机的核心部分水泥土取样罐的合理构造和尺寸，其获取的样本经养护能够满足室内水泥土 强度的试验要求；初步确定了取样机构的原型，取样机构的运作方式符合深层水泥土搅拌桩取样的技术要求，为进一步的改进奠定了基础。在设计和使用上进一步验证了水泥土取样罐配合上下开关阀 门取样的可靠性，该有效使用部分为第三代取样罐的开发提供了依据；对第一代水泥土取样机易发生故障的动力驱动进行 了调整，有效解决了动力驱动故障的问题。实现了水泥土搅拌桩的深层取样，获取的水泥土样本满足水 泥土取样和试块实验的技术要求；结合 SMW 工法桩机使用，安装、取样操作较为方便快捷；取样机小巧轻便，取样效率 价高。制造成型的样机较为笨重，现场搬运、安装较为不便，使用成本较高，取样效率较低；样机构造较为复杂，易发生故障，且不易 保养。第一代水泥土取样机（电动取样 机）未根本改变复杂的取样机构在深层水泥土搅拌桩中运作的模式，仍较易发生故障， 影响取样效果；整机重量仍较大，现场搬运、安装较为不便，取样效率仍较低。取样操作须结合 SMW 工法桩机或型钢， 独立性较差；有待在更多的 SMW 工法工 程项目中进行推广使用，以便对该样机进一 步完善和改进。第二代水泥土取样机（气动取样 机）第三代水泥土取样机（简易手动 取样机）图 3 取样机取样过程Fig. 3 Site operation of deep sampling增刊 1梁志荣，等. 水泥土搅拌桩取芯与取浆两种强度检测分析439行室内无侧限抗压强度试验的方法检测水泥土搅拌桩的强度。 国内各主要相关技术规范及手册均未规定或提出进行水泥土浆液的取样及强度试验。究其原因，主要 因为我国缺乏专用的水泥土浆液的取样设备，而常规 勘察使用的取土设备一般不能有效获取现场深层的水 泥土浆液。本次通过三代水泥土取样机的研制改进，成功地 获得了较多数量的水泥土搅拌桩深层样本，为水泥土 强度的分析研究提供了可靠的基础数据。第三代取样 机取样稳定、实用小巧、取样效率较高，能够反映水 泥土搅拌桩深层质量，具有较高的推广应用价值。图 4 解放日报大厦工程取浆液强度Fig.4 Soil-cement grout strength of Jiefang Daily Buildings表 4 水泥土取芯与取浆液单轴抗压强度对比Table 4 Comparison of strength between grout and core of soil-cement参考文献：1 刘国彬, 王卫东. 基坑工程手册 M. 第二版. 北京: 中国 建筑工业出版社. 2009. (LIU Guo-bin, WANG Wei-dong,Excavation engineering manualM. 2nd ed. Beijing: ChinaArchitecture Building Press, 2009. (in Chinese)2 GB/T50123 1999 土工试验方法标准S. (GB/T501231999 Technical specification for soil mixed wallS. 2009. (inChinese)3 日本 SMW 协会SMW 工法标准预概算资料（设计、施工、 概预算） R. 东京 : SMW 协会 . 2008. (Japan SMW Association. Pre-budget information on SMW engineeringmethods(design, construction, pre-budget)R. Tokyo: SMW Association, 2008. (in Japanese)4 魏汝龙. 软粘土取土技术及其改进J. 岩土工程学报, 1986,8(6): 113125. (WEI Ru-long. Soil sampling techniques and its improvement of soft clayJ. chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1986, 8(6): 113 125. (inChinese)5 陈 甦, 陈家瑾, 熊国平, 等. 水泥土强度的试件形状和尺 寸效应试验研究J. 岩土工程学报, 2004, 24(5): 580583. (CHEN Su, CHENG Jia-jing ，XIONG Guo-ping ，et al.Experimental research on the shape and size effect