1、收稿日期:2022 11 03闽江下游福州堤防工程水泥土搅拌桩抗压强度与渗透系数估算及相互推算研究潘春玲(福建省水利水电科学研究院，福建 福州350001)摘要:该文基于闽江下游福州堤防工程水泥土搅拌桩芯样无侧限抗压强度和渗透系数检测数据，研究闽江下游福州区域堤防工程水泥土搅拌桩抗压强度和渗透系数随龄期、水泥掺量和土层类型的变化规律，水泥土搅拌桩渗透系数与抗压强度相关性，以达到在土层类型和水泥掺量基础上由龄期估算水泥土搅拌桩抗压强度和渗透系数、由水泥土搅拌桩抗压强度估算渗透系数的目的，供该区域堤防工程水泥土搅拌桩设计参考。关键词:水泥土搅拌桩;抗压强度;渗透系数中图分类号:TU473.16文献
2、标识码:B文章编号:1002 3011(2023)01 0034 04引言水泥土搅拌桩自 20 世纪 70 年代引入我国后，作为地基加固和隔水防渗墙在堤防工程中得到广泛应用1 2。1999 2001 年，长江重要堤防隐蔽工程采用搅拌桩施工的水泥土成墙面积占搅拌法、置换法、高喷法和挤压法成墙面积的 60%3。无侧限抗压强度和渗透系数是水泥土搅拌桩的两项重要检测指标。掺砂量、水泥掺量和土体性质对水泥土搅拌桩抗压强度和渗透系数的影响研究层出不穷4 6。汤怡新7 等研究结果表明，水泥土搅拌桩抗压强度主要取决于水泥掺量，其次是原料土含水率。侯永峰8 等研究结果表明，水泥土搅拌桩渗透系数与龄期、水泥掺量有
3、明显关系。胡汉兵9 等室内试验结果表明，水泥土搅拌桩抗压强度与水泥掺量符合二次曲线关系、抗压强度与龄期符合对数曲线关系。李存华10 认为，水泥土搅拌桩渗透系数随无侧限抗压强度增大而减小，两者呈线性关系。徐海波11 等认为，当水泥掺量大于某一值时，水泥土搅拌桩渗透系数基本趋于一定值;当龄期大于 28 d 后，水泥土搅拌桩渗透系数趋于平缓并稳定于一定值。水泥土搅拌桩在闽江下游福州堤防工程中同样应用广泛，如福州南江滨东段休闲路 C4 C5 标段、闽江下游南港防洪工程(盖山、义序)C2 C4 标段、闽江下游南港南岸防洪一期工程 C3 标段、二期工程 C3 和 C8 标段、闽江北港南岸防洪工程(壁头 乌
4、龙江大桥段)C2 C6 标段、闽侯县竹岐乡麦浦片区河道整治工程 C1 C2 标段等。堤防工程地基材料特性具有一定的区域性，实际堤防工程水泥土搅拌桩的施工流程、地基复杂程度远比室内预设试验条件复杂。现基于闽江下游福州堤防工程水泥土搅拌桩无侧限抗压强度(以下简称抗压强度)和渗透系数检测数据，研究闽江下游福州区域堤防工程水泥土搅拌桩抗压强度和渗透系数随龄期变化规律、不同土层类型和水泥掺量对水泥土搅拌桩检测指标的影响，水泥土搅拌桩渗透系数与抗压强度之间的相关性更是具有工程指导意义。1水泥土搅拌桩抗压抗渗指标检测水泥土搅拌桩芯样钻取、加工、试验及评定执行 建筑地基检测技术规范(JGJ 340 2015)
5、和水泥土配合比设计规程(JGJ/T 233 2011)有关规定。采用 XY 2B 型钻机取芯，单动双管金刚石钻头钻进，钻具外径 110 mm 或 91 mm。桩长大等于 10 m 时芯样试件按每孔不少于 9 个截取，桩体三等分段各取 3 个;桩长小于 10 m 时芯样试件按每孔不少于 6 个截取，桩体二等分段各取 3 个。水泥土搅拌桩抗压试件制成圆柱形，直径不宜小于70 mm，高径比11。试验时，在高精度压力机432023 年第 1 期水 利 科 技不施加任何侧向压力情况下对圆柱体试件施加轴向压力，直到试件破坏。水泥土搅拌桩每等分段桩身检测指标代表值按 1 组 3 个试件的平均值确定，芯样检测
6、指标代表值取各等分段芯样检测指标代表值中的最小值。水泥土搅拌桩渗透试件制成圆台形，高 40 mm，上下表面直径分别为 70 mm 和 80 mm。试件用密封材料封装于渗透仪渗透试模中，之后自0.02 MPa 开始逐级施加渗透压力，直至试件上表面有水渗出为止。以此时渗透压力下的稳定渗水量计算试件渗透系数，取允许偏差范围内 3 个试件平均值作为该组渗透试件的渗透系数。闽江下游福州堤防工程水泥土搅拌桩检测资料中，抗压强度指标检测结果较多，龄期记录丰富，而同时具有抗压强度和渗透系数检测结果的芯样偏少。检测资料有桩底土层相关描述，鲜有土层分层特性及深度记录。水泥掺量记载分两类，一类是水泥掺量百分数，另一
7、类是每米水泥掺量，根据桩底土层材质重度及桩身孔径和间距统一换算为水泥掺量百分数。现选取具有水泥掺量记载的水泥土搅拌桩芯样，采用靠近桩底的芯样检测结果作为分析数据，选用堤防项目见表 1。表 1选用堤防项目情况汇总标段简称检测指标备注闽江北港南岸防洪工程(壁头 乌龙江大桥)C2 标段北港南岸 C2 标渗透系数水泥掺量 18%，砂质层芯样 16 个，粉质黏土层芯样 14个，龄期 28 110 dC3 标段北港南岸 C3 标渗透系数水泥掺量 18%，淤泥层芯样 14 个，龄期 41 87 dC5 标段北港南岸 C5 标渗透系数水泥掺量 23%，砂质层芯样 7 个，龄期 65 117 d闽江下游南港防洪
8、工程(盖山、义序)C2 标段南港盖山 C2 标抗压强度渗透系数水泥掺量 18%，淤泥层芯样 19 个，龄期 33 187 dC3 标段南港盖山 C3 标抗压强度渗透系数水泥掺量 18%，淤泥层芯样 7 个闽侯县竹岐乡麦浦片区河道整治工程 C1 标段麦浦河 C1 标抗压强度水泥掺量 18%、20%、23%的砂质层芯样分别有 12、15 和 13 个，龄期 40 94 d;水泥掺量 18%，粉质黏土层芯样 65 个，淤泥层芯样 25 个，龄期 28 120 d闽江下游南港南岸防洪二期工程 C8 标段南港南岸 C8 标抗压强度渗透系数水泥掺量 23%，砂质层芯样 16 个，龄期 25 142 d从表
9、 1 可知，闽江下游福州堤防工程水泥土搅拌桩水泥掺量在 18%23%之间;北港南岸 C2 标及麦浦河 C1 标共有 30 个以上芯样，麦浦河 C1 标芯样水泥掺量丰富，桩底土层类型多样。2抗压强度随龄期变化规律选取麦浦河 C1 标130 个水泥土搅拌桩芯样抗压强度检测结果作为水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化的分析数据。该标段土层类型涵盖粉质黏土层、淤泥层和砂质层，水泥土搅拌桩水泥掺量介于 18%23%，龄期跨度较大。水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化采用对数函数拟合，麦浦河 C1 标拟合结果见图 1，拟合函数及标准差见表 2。从图 1 可知，5 个分组中，水泥土搅拌桩抗压强度均随龄期增大而增大，淤泥
10、层水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化的增长速率最小，粉质黏土层水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化的增长速率最大;18%水泥掺量时，3 种土层中，砂质层水泥土搅拌桩抗压强度最大，淤泥层水泥土搅拌桩抗压强度最小;随着水泥掺量的增大，砂质层水泥土搅拌桩抗压强度逐渐增大。从表 2 可知，5 个分组拟合标准差介于 0.440 0 0.604 2 之间，水泥土搅拌桩抗压强度与龄期散点关系总体离散性偏大。图 1麦浦河 C1 标水泥土搅拌桩抗压强度与龄期拟合53水 利 科 技2023 年第 1 期表 2麦浦河 C1 标水泥土搅拌桩抗压强度与龄期拟合结果土层类型水泥掺量拟合函数标准差 淤泥18%fcu=0.3622ln
11、t+1.54790.502 1粉质黏土18%fcu=1.0757lnt 0.33360.604 2砂质18%fcu=0.8351lnt+1.03470.596 320%fcu=0.7733lnt+2.54630.440 023%fcu=1.0035lnt+2.91960.542 9为说明水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化关系的准确性，选用南港南岸 C8 标水泥掺量 23%的 16个砂质层芯样进行验证。16 个芯样中，13 个芯样龄期介于 25 70 d，3 个芯样龄期介于 123 142 d。图 2 给出了该标段水泥土搅拌桩抗压强度与龄期变化散点分布、表 2 中砂质层 23%水泥掺量时的拟合曲线以
12、及“拟合 2”曲线。从图 2 看，13 个点在“拟合 2”曲线之间，占比 81.25%;3 个点在“拟合 2”曲线以下，占比 18.75%。由此可见，采用“拟合 2”曲线进行水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化预测时能框住绝大多数散点。图 2南港南岸 C8 标水泥土搅拌桩抗压强度随龄期变化验证3渗透系数随龄期变化规律选取北港南岸 C2 标及南港盖山 C2 标共 49 个水泥土搅拌桩芯样渗透系数检测结果作为水泥土搅拌桩渗透系数随龄期变化的分析数据。北港南岸 C2标砂质层芯样 16 个，龄期介于 28 110 d;粉质黏土层芯样 14 个，龄期介于 28 80 d。南港盖山 C2标淤泥层芯样 19 个，
13、龄期介于 33 187 d。两个标段水泥掺量均为 18%。水泥土搅拌桩渗透系数对数随龄期变化采用线性函数拟合，2 个标段拟合结果分别见图 3 和表 3。从图 3 可知，水泥土搅拌桩渗透系数均随龄期增大而减小;相同水泥掺量下粉质黏土层水泥土搅拌桩渗透系数小于砂质层水泥土搅拌桩渗透系数;淤泥层水泥土搅拌桩渗透系数与粉质黏土层水泥土搅拌桩渗透系数基本一致。从表 3 看，2 个标段 3 个分组拟合标准差介于 0.349 7 0.775 9，说明水泥土搅拌桩渗透系数与龄期散点关系离散性总体偏大;淤泥层水泥土搅拌桩渗透系数对数随龄期变化拟合标准差达到 0.775 9，在 3 种土层中离散性最大，这是由于
14、80 d 龄期后 4 个芯样渗透系数偏小所致。图 32 个标段 3 个分组水泥土搅拌桩渗透系数与龄期拟合表 32 个堤段 3 个分组水泥土搅拌桩渗透系数与龄期拟合结果土层类型水泥掺量拟合函数标准差 lnk淤泥18%lnk=0.0168t+0.06930.775 9粉质黏土18%lnk=0.0162t+0.08430.349 7砂质18%lnk=0.0146t+0.47770.378 9为说明水泥土搅拌桩渗透系数随龄期变化关系的准确性，选用北港南岸 C3 标 14 个淤泥层芯样进行验证，芯样水泥掺量 18%，龄期介于 41 87 d。图 4 给出了该标段水泥土搅拌桩渗透系数与龄期变化散点分布、表
15、 3 中淤泥层 18%水泥掺量时的拟合曲线以及“拟合 lnk”曲线。从图 4 看，12 个点在“拟合 lnk”曲线之间，占比 85.71%。由此可见，采用“拟合 lnk”曲线进行水泥土搅拌桩渗透系数随龄期变化预测时能框住绝大多数散点。4渗透系数随抗压强度变化公式选取南港盖山 C2 标及南港南岸 C8 标共 28 个同时具有抗压强度和渗透系数检测结果的水泥土搅拌桩芯样作为分析数据，其中南港盖山 C2 标 12 个淤泥层芯样，水泥掺量 18%;南港南岸 C8 标 16 个砂质层芯样，水泥掺量 23%。632023 年第 1 期水 利 科 技图 4北港南岸 C3 标水泥土搅拌桩渗透系数随龄期变化验证
16、水泥土搅拌桩渗透系数对数与抗压强度采用二次函数拟合，结果见图 5 和表 4。随着抗压强度增大，水泥土搅拌桩渗透系数逐渐减小;砂质层水泥土搅拌桩渗透系数对数随抗压强度增大的下降速率约为淤泥层的 2 倍;水泥土搅拌桩渗透系数对数与抗压强度间变化关系的复相关系数均在 0.87 以上，说明拟合效果较好。图 5水泥土搅拌桩渗透系数与抗压强度拟合表 4水泥土搅拌桩渗透系数与抗压强度拟合结果土层类型水泥掺量拟合函数复相关系数 R2淤泥18%lnk=0.0461f2cu0.250.879 3砂质23%lnk=0.0867f2cu+0.700.926 6为说明水泥土搅拌桩渗透系数随抗压强度变化关系的准确性，选用北港南岸 C5 标水泥掺量 23%的 7 个砂质层芯样和南港盖山 C3 标水泥掺量 18%的 7 个淤泥层芯样进行验证，结果见图 6。总体看，北港南岸 C5 标芯样渗透系数对数与抗压强度的散点分布很贴近拟合函数曲线;南港盖山 C3 标芯样渗透系数对数与抗压强度的散点分布变化趋势与拟合函数曲线变化趋势一致，7 个点中有 4 个基本在拟合函数上，3 个在拟合函数曲线略微偏下。图 6水泥土搅拌桩渗透系数