一种与水泥土搅拌桩龄期相关的单桩竖向承载力特征值检测方法

摘要

本发明提供一种与水泥土搅拌桩龄期相关的单桩竖向承载力特征值检测方法。所述检测方法是从养护好的龄期28～90d的水泥土搅拌桩试桩中选多根不同龄期的水泥土搅拌桩进行水泥土抗压强度进行室内测定和单桩竖向静载荷试验，分别建立桩身水泥土抗压强度、单桩竖向承载力特征值与桩身龄期的关系方程式，并得到桩身水泥土抗压强度与单桩竖向承载力特征值的关系，然后根据方程式进行计算检测。本发明便捷、经济，充分考虑了水泥土搅拌桩竖向承载力特征值与桩身龄期密切相关的特点，利用水泥搅拌桩龄期进行计算估测单桩的竖向承载力特征值，其工程实用性强、可靠度高。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程地基处理、水泥土搅拌桩的承载力单桩竖向特征值的测定与检测技术领域，具体而言是一种测定、估算水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征的方法，可用于水泥土搅拌桩地基处理工程桩的检测与验收工作。

技术背景

依据现行《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012/J220-2012)，水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值有两种确定方式，对于搅拌桩径500mm，有效桩长不超过1200mm的水泥土搅拌桩，主要采用桩身材料强度的方式来估算搅拌桩承载力特征值，水泥土强度的要求则为“与搅拌桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.7mm的立方体在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值(f_cu)”。规范同时规定“水泥土搅拌桩施工质量检验时单桩静载荷试验宜在28d后进行”。这两个规定在实际工程操作过程中存在执行上的矛盾，因为设计单位都会以水泥土90d的室内水泥土强度和对应的单桩竖向承载力特征值来要求施工质量，而实际工程检测工作大多都会刚到28d便立即开挖进行试验检测，这样就只取得了水泥土28d强度和单桩28d竖向承载力特征值。采用什么样的检测方法更合理？如何评判桩基是否质量合格并满足设计要求？是当前摆在当前水泥土搅拌桩检验工作中的难题，有的地基处理项目质量甚至被错判或误判现象。

水泥土是一种加固体增强体的特殊性质材料，由于本身的特点，受原土质的含水量、包含物、环境温度、掺入材料的性质、掺入量、搅拌工艺等等多方面的影响，其28d强度往往还达不到90d的一半，多方研究证明，水泥土在28d龄期时，其强度正处于大幅度的增长期。如果以这个28d龄期来检测水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值，并不能完全反应所受检水泥土桩在后期真正使用时的承载力特征值，其实“水泥土桩单桩竖向承载力特征值其实每天都不一样”。因此，鉴于水泥土强度与其施工龄期关系紧密的特点，如何找到一个正确评价28d～90d龄期的期间水泥土强度以及相对应龄期的单桩竖向承载力特征值的方法，具有重要的工程应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服技术背景的不足，提供一种与水泥土搅拌桩桩身龄期密切相关的单桩竖向承载力特征值的检测方法，该方法是先根据地基处理工程试验桩施工工艺，分析水泥土与水泥土桩强度随龄期增长的特点，并回归分析得到水泥土强度与桩身单桩竖向承载力特征值的计算公式。工程桩检测工作时，将所抽检的地基处理工程桩水泥土搅拌桩钻芯取样水泥土强度和计算出的实际的单桩竖向承载力特征值与计算值进行比较，来判定工程桩是否合格，该方法考虑了水泥土桩单桩竖向承载力随时间变化的特点，对水泥土搅拌桩这种经济型地基处理方式进地了客观的评价。

本发明提供的技术方案：所述一种与水泥土搅拌桩龄期相关的单桩竖向承载力特征检测方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)按照待施工的地基处理工程水泥土搅拌桩的水泥掺入量和搅拌工艺，在试桩区域进行多组水泥土搅拌桩试桩施工；所述水泥土搅拌桩试桩即工程施工前按照施工规范完成的水泥土搅拌试验桩，根据《建筑地基处理技术规范》中的规定，水泥土搅拌桩的单桩承载力及复合地基承载力的特征值应通过试验确定，所以在水泥土搅拌桩施工前，必须先施工多根试桩，并在试桩报告出来，合格后才能全面打桩；

(2)从养护好的龄期28～90d的水泥土搅拌桩试桩中选多根不同龄期的水泥土搅拌桩，采用双管单动钻芯取样的方法在桩身淤泥及淤泥质段进行钻芯取样，得到多个不同龄期的桩身水泥土试块样本，分别对不同龄期水泥土试块样本的水泥土抗压强度进行室内测定，绘制出样本水泥土试块抗压强度与龄期关系的散点图，对该散点图进行线性回归分析，建立水泥土搅拌桩的桩身水泥土抗压强度f_cu’与桩身龄期t的线性关系方程式：f_cu’＝at+b，

通过绘制的散点图显示所述水泥土搅拌桩的桩身水泥土抗压强度随龄期增长呈线性关系，其中a为桩身水泥土抗压强度随龄期增长形成的函数直线的斜率，b为该函数直线的截距；

(3)对步骤(2)中选取的多个不同龄期的水泥土搅拌桩的试桩分别进行单桩竖向静载荷试验，同样绘制多个水泥土搅拌桩试桩在桩身28～90d龄期内的单桩竖向承载力特征值与龄期的关系散点图，并对该关系散点图进行线性回归分析，也建立水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a(kN)与桩身龄期t的关系方程式：R_a＝ct+d，

通过绘制的散点图显示所述水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值随龄期增长呈线性关系，其中c为单桩竖向承载力特征值随龄期增长形成的函数直线的斜率，d为该函数直线的截距；

(4)通过步骤(2)中的关系方程式可以得出：并将t带入步骤(3)中的方程式得到水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a与桩身抗压强度f_cu’的关系方程：

(5)水泥土搅拌桩地基处理工程桩施工完成后，在对水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力进行检测时，先根据所抽检的水泥土搅拌桩的施工龄期，利用步骤(2)中的公式计算出该检测水泥土搅拌桩当日龄期桩身水泥土抗压强度f_cu，并根据步骤(3)中的公式计算出该抽检水泥土搅拌桩当日龄期的单桩竖向承载力特征值R_a，再采用实际钻芯取样所得的水泥土当日龄期强度f_cut’并根据步骤(3)中的公式计算出实际的水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_at，将二者进行比较，若R_at≥R_a则判定该检测桩合格，反之为不合格。

本发明中所述的水泥土抗压强度测定是将钻芯取样所得的水泥土试块样本送实验室进行抗压强度试验；单桩竖向静载荷试验是直接将水泥土桩试样本养护后，在搅拌桩顶逐级施加各级轴向压力，百分表观测桩的相应检测点随时间产生的沉降，根据荷载与位移的关系(即Q～S曲线)判定相应的单桩竖向承载力特征值的试验方法。两者均为现有常用的试验方法。

本发明的有益效果：

1、本发明是在地基处理工程试桩时，就建立了水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值与桩身水泥土强度对应关系方程式；而工程桩检测时，就能够直接应用在水泥土搅拌桩桩身淤泥或淤泥质段钻芯取样得到的水泥土抗压强度f_cu’(MPa)的实测值对桩身质量进行评判，同时还能计算出所取样本搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a(kN)，避免了采用室内水泥土强度f_cu(MPa)来考虑因施工因素取折减系数方法估算可能存在的误差，提供了一种在工程桩检测中除桩静载荷试验方法以外更为便捷、经济的检测手段，这种方法充分考虑了水泥土搅拌桩竖向承载力特征值与桩身龄期密切相关的特点，工程实用性强、可靠度高；

2、通过数据的归纳，建立了淤泥或淤泥质段桩身水泥土强度f_cu’(MPa)和单桩竖向承载力特征值R_a(kN)与水泥土龄期(d)的对应关系方程式，以定量的方法真实的反应出水泥土桩强度增涨与龄期关系极为密切的事实：“水泥土桩单桩竖向承载力特征值其实每天都不一样”，通过查阅桩施工记录，估算出所抽检桩在28～90d期间桩身最弱段水泥土强度或水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值，用该值与钻芯取样所得的水泥土抗压强度计算出的单桩竖向承载力特征值进行对比，能够作为桩基检测时判定受检桩是否“合格”的重要依据，也能推测出90d水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值，同样可用于搅拌桩基竖向承载力特征值是否合格的评判。

附图说明

图1是实施例中水泥土立方体抗压强度在28～90d龄期强度随时间增长的关系散点图；

图2是实施例中水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征值在28～120d龄期强度随时间增长的关系散点图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例：某项目地基处理设计采用水泥土搅拌桩复合地基，设计桩长10～12米，桩径500mm，设计搅拌桩工程桩达36万延米。设计要求在施工前进行水泥土室内强度试验和试桩，要求搅拌桩身水泥土配比相同的室内加固土试块，边长为70.7mm的立方体在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值f_cu≥1.85MPa，单桩竖向承载力特征值R_a≥90kN，按设计与规范要求，取现场淤泥及淤泥质土的室内试验结果，达到“边长为70.7mm的立方体在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值fcu＞1.85MPa”要求的水泥掺比为18％，采用PO42.5强度等级水泥，最终确定搅拌桩的施工水泥掺入比18％。

在进行工程水泥土搅拌桩施工前，首先根据设计要求施工多组试桩，在对试桩强度测定过程中，并应用本发明中所述的水泥土搅拌桩单桩竖向承载力特征测定方法，建立水泥土搅拌桩的桩身水泥土抗压强度f_cu’(区别于室内水泥土强度f_cu)与桩身龄期t的线性关系方程式：f_cu’＝at+b，并得出同时建立水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a(kN)与桩身龄期t的关系方程式：R_a＝ct+d，并将t带入该方程式中得到水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a与桩身抗压强度f_cu’的关系方程：其中a、b、c、d可以直接通过线性回归图得到，这些试桩数据的取得，为后期的工程桩的检测与验收提供了重要依据。

其具体的操作步骤如下：

(1)按照现有的施工方法施工水泥土搅拌桩试桩，每根水泥土搅拌桩试桩的水泥掺入比不少于18％，搅拌桩径500mm，有效桩长不超过1200mm；并在施工过程中在28-90d龄期的试桩中中选每个龄期的试桩，分别对桩身淤泥及淤泥质段进行钻芯取样得到多个不同龄期的水泥土试块样本，分别对每个龄期水泥土试块样本的水泥土抗压强度进行测定，绘制出多个水泥土试块样本在28～90d龄期的抗压强度随时间增长的关系散点图(如图1)，并对该关系散点图进行线性回归分析，建立桩身抗压强度f_cu’与桩身龄期t的关系方程式，通过图1中的数据得到的回归公式为：f_cu’＝0.0093t+0.0555(MPa)，其中R²表示线性回归的可靠程度，该值越接近1，表示回归公式越可靠；

(2)对步骤(1)取样的多个不同龄期的水泥土搅拌桩试桩分别进行单桩竖向静载荷试验，绘制出水泥土搅拌桩样本在28～120d龄期的单桩竖向承载力特征值随时间增长的关系散点图(如图2)，对该关系散点图进行线性回归分析，建立水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a(kN)与桩身龄期t的关系方程式，通过图2中的数据得到的回归公式为：R_a＝0.3997t+53.577(kN)；

(3)将步骤(1)和步骤(2)得到的两个关系方程合并，用f_cu’代入t，得到该施工区域中水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力特征值R_a与桩身抗压强度f_cu’的关系方程式：R_a＝42.9785f_cu’+51.1917。

试桩工作完成，试桩报告显示试桩达到设计要求后，开始正常施工水泥土搅拌工程桩，由于该项目工期紧张，按照正常的检测方法，，养护期达到28d时，立即开展开挖检测工作，检测的主要方式：单桩静载荷试验、钻芯、单桩复合地基静载荷试验；28d以上龄期检测时，结果显示大多根的单桩竖向承载力特征值R_at≥65kN，桩身淤泥段泥土强度f_cu’≥0.32(MPa)，二项指标低于设计要求，虽然参与验收的各方专家都明白，真正的原因是水泥土桩并未达到90d强度，但项目验收并无可执行的现行规范依据，也无法推算出水泥土桩90d的单位桩竖向承载力特征值，检测与验收工作遇到难题，下一步工作受阻。

为了不影响工程验收，又不耽误项目工期，工程桩验收时采用了本发明方法，先直接采用在试桩工作中得到的桩身抗压强度f_cu’与桩身龄期t的方程式：f_cu’＝0.0093t+0.0555计算出不同龄期应达到的桩身水泥土抗压强度f_cu’值如下：

28d f_cu’＝0.0093t+0.0555＝0.3159(MPa)

60d f_cu’＝0.0093t+0.0555＝0.6135(MPa)

90d f_cu’＝0.0093t+0.0555＝0.8925(MPa)

根据试桩试验得到的单桩竖向承载力特征值R_a与桩身水泥土抗压强度f_cu’的关系方程式：R_a＝42.9785f_cu’+51.1917计算出不同龄期的单桩竖向承载力特征值R_a值如下：

28d R_a＝42.9785f_cu’+51.1917＝64.76(kN)

60d R_a＝42.9785f_cu’+51.1917＝77.56(kN)

90d R_a＝42.9785f_cu’+51.1917＝89.55(kN)

通过上述方程式，我们可以估算出桩身水泥土任意龄期的水泥土强度f_cu’和水泥土桩任意龄期的单桩竖向承载力特征值R_a，这二个值就是用于工程桩的检测评判的重要依据。在对工程桩抽检样本进行检测时，先查阅施工记录了解抽检桩的施工龄期，将在该抽检桩的钻芯取样所得的水泥土抗压强度按公式计算出的单桩竖向承载力特征值R_at进行对比，对R_at≥R_a的桩判定该检测桩合格，反之为不合格。

具体检测和判定时，实际在对水泥土搅拌桩工程桩28d的单桩静荷试验得到单桩竖向承载力特征值R_at≥65kN，而通过本发明所述的公式计算出来的R_a＝64.76kN，可以看出，实测的R_at＝65kN≥R_a＝64.76kN，便可以判定检测桩合格，而不需要达到设计要求的90kN设计值。反之，当水泥土抗压强度小于0.32(MPa)，单桩竖向承载力特征值小于65kN时，则可以基本判定受检测水泥土搅拌桩可能存在施工缺陷，就需要进行加固补强处理。

为了进一步证明本发明所述的方法检验可靠性，发明人做了另外一个试验，在工程桩的龄期超过28d后，分别抽取了35d、42d的龄期的多根工程桩按照正常的检测方法进行实际检测，检测方法：单桩静载荷试验、钻芯取样抗压强度试验，通过实际检测得到的数值分别为：Ra₃₅≥69kN；Ra₄₂≥72kN，其实测值也刚刚达到按照本发明公式所计算的数值，实测值相对于28d桩身强度有明显增长且增长的速率在减慢，但由于龄期不到90d，其单桩竖向承载力特征值也同样未达到设计要求的90d时的90kN强度要求，这些时测值真实的反应了水泥土桩自身强度和增长规律。可以看出，本发明中的检测方法可靠性较高。

工程实践证明，采用这种检测和评判的方法完全可靠，该项目已建成并顺利通过验收，污水处理项目运行良好。

本项目如采用设计要求的室内水泥土强度fcu≥1.85MPa，单桩竖向承载力特征值R_a≥90kN作为工程桩检测和验收依据，工程现场实测的水泥土强度及单桩竖向承载力特征值均达不到设计要求，地基处理工程便无法通过验收，可能还会要求进行补强，其根本原因是桩身水泥土龄期只有28d，并未到设计要求的90d强度龄期，而项目的工期无法允许90天后来对工程桩进行检测。采用本发明方法，可准确、快捷地判定单桩承载力特征值达到设计使用的要求。