雙向水泥攪拌樁在軟土地基中的應用

趙家慶

摘要：本文闡述了軟土對路基工程的影響，分析了其危害性。介紹了雙向水泥攪拌樁的處理方法及工程應用實例，提供工程中具體設計參數(shù)和施工準備工作，總結(jié)了施工工藝及注意事項，以供同類道路工程軟土地基設計與施工積累經(jīng)驗。

關鍵詞：雙向；水泥；攪拌樁；軟基

引言

水泥攪拌樁是利用水泥或水泥漿作為固化劑，通過特制的深層攪拌機械在地基深部就地將軟土和固化劑強制拌和，使其成為具有較好整體性、水穩(wěn)性，又能滿足強度要求的加固土體，從而提高地基強度。大量工程實踐表明：常規(guī)水泥攪拌樁存在均勻性差、漿液上冒、受力不合理、經(jīng)濟效益低等缺點。應用過程中也發(fā)生了不少工程質(zhì)量事故，造成對水泥土攪拌樁的成樁質(zhì)量及其對軟土地基的處理存在質(zhì)量隱患。雙向水泥攪拌樁提高成樁質(zhì)量，達到改善軟土地基的目的。

一、軟土對路基工程的影響

路基是公路的重要組成部分，由于軟土地基具有孔隙比大、天然含水量高、壓縮性強、承載能力低等特點，因此地質(zhì)土層存在軟土時往往容易引起路基沉降，對施工期間及工后路基穩(wěn)定及整體質(zhì)量都有較大影響，如路基施工加荷速率過快，軟土來不及固結(jié)和強度增長，使得因加載而產(chǎn)生的剪切強度超過土體抗剪強度，發(fā)生局部剪切破壞，在施工中發(fā)生路堤縱向開裂及滑塌，最終可能導致軟土地基的失穩(wěn)破壞；如不針對性的處理軟土地基，隨著時間的推移，將會出現(xiàn)路面沉陷、橋頭跳車等病害，直接影響到交工后公路的使用功能。故軟土地基處理是公路工程施工中遇到的難點之一，也是勘察設計及施工單位重點解決的一個環(huán)節(jié)。

二、雙向水泥攪拌樁法

傳統(tǒng)單向水泥土攪拌樁采用單向葉片攪拌，目前推廣采用的雙向水泥攪拌樁是通過對常規(guī)水泥土攪拌樁的改造，采用了雙層葉片，上下葉片同時攪拌。兩者對土體加固機理的區(qū)別可匯總?cè)缦拢?/p>

首先，傳統(tǒng)單向水泥土攪拌樁噴出的水泥漿易沿鉆桿上行，會冒出地面，因此往往存在樁體上部水泥含量較高，越往下水泥含量越少，使其有效樁長大大減?。?2 ～ 15 m）。釘形與雙向水泥攪拌樁采用了雙層葉片，下層葉片攪拌的同時，上層葉片快速反向攪拌，可阻斷漿液上冒途徑，使水泥漿液就地與土體進行充分的攪拌，水泥漿在樁體垂直分布均勻和易于控制，水泥土攪拌樁的處理深度可增加至22 ～25 m。

其次，傳統(tǒng)單向水泥土攪拌樁由于攪拌葉片的同向旋轉(zhuǎn)，很難把水泥土充分攪拌均勻，造成水泥與土體成層狀構(gòu)造，影響了樁體的強度；而雙向攪拌樁采用正反向不同速旋轉(zhuǎn)葉片同時雙向攪拌，把水泥漿控制在兩組葉片之間，使水泥土充分攪拌均勻，保證了成樁質(zhì)量，特別是水泥土攪拌樁深層樁體質(zhì)量。

第三，雙向攪拌樁正反向葉片同時旋轉(zhuǎn)，葉片產(chǎn)生的環(huán)向力相互抵消，其鉆桿不再象單向攪拌鉆桿左右擺動，降低了對樁周土體的擾動，保證了樁體的垂直度，并能使樁土復合效果更好。該工藝已在江蘇、上海等地區(qū)軟土地基加固中有較多成功案例，其工藝吸收了傳統(tǒng)水泥攪拌樁的優(yōu)點，并對不足之處進行了改進，施工過程中無振動、無噪聲、無地面隆起，不排污、不污染環(huán)境，攪拌均勻、成樁質(zhì)量可靠，具有較好的綜合效益。

三、工程實例

工程概況：南京市浦口區(qū)濱江大道工程位于浦口區(qū)東側(cè)，緊鄰長江，第四標段設計樁號范圍為K6+000～K9+078.346。在路堤填土壓縮層范圍內(nèi)，工程沿線地基土地質(zhì)條件較差，場地沿線軟土（主要為淤泥質(zhì)土）廣泛分布，為不良工程地質(zhì)層。表層為魚塘、溝渠，厚度約0.5～3m；深層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土～淤泥質(zhì)粘土、細砂夾粉質(zhì)粘土，灰色、青灰色，飽和，稍密至中密狀，局部夾粉質(zhì)粘土。經(jīng)方案比選采用了水泥土雙向攪拌樁，攪拌樁按正三角形布置，釘形樁間距1.8～2.0m。樁徑60cm，擴大頭樁徑100cm，樁長13～25m。穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土1.0m。水泥土攪拌樁樁身28天無側(cè)限抗壓強度不小于1.0MPa。

四、施工準備

1、場地準備

進場后先用挖掘機進行清除表土至樁頂工作面標高，再開始進行攪拌樁施工。

2、雙向水泥土攪拌樁施工機具準備

根據(jù)工程情況，本工程攪拌機配備6臺，攪拌鉆頭直徑Ф700，配備灰漿攪拌機6臺（6×500L），集料斗6只（容積0.18m3），灰漿泵6只（3PN），電磁流量計6只。

雙向攪拌裝置對現(xiàn)行水泥土攪拌樁成樁機械的動力傳動系統(tǒng)、鉆桿以及鉆頭進行改進，采用同心雙軸鉆桿，在內(nèi)鉆桿上設置正向旋轉(zhuǎn)攪拌葉片并設置噴漿口：在外鉆桿上安裝反向旋轉(zhuǎn)攪拌葉片，通過外鉆桿上葉片反向旋轉(zhuǎn)過程中的壓漿作用和正、反向旋轉(zhuǎn)葉片同時雙向攪拌水泥土的作用，阻斷水泥漿上冒途徑，把水泥漿控制在兩組葉片之間，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質(zhì)量。

3、材料準備

根據(jù)設計及地區(qū)地質(zhì)特點，水泥用量為水泥濕土重的12%～15%，水灰比0.45～0.50。材料采用采用PC32.5級水泥，選擇具有早強、緩凝、減水等性能的外加濟。為保證工程質(zhì)量攪拌樁28天水泥土抗壓強度不小于1.0Mpa，攪拌樁所用水泥其性能符合相關規(guī)范的規(guī)定，并按其檢驗結(jié)果使用，使用前報監(jiān)理工程師批準。

五、處理方案選擇

根據(jù)地質(zhì)資料分析，針對這樣深度全部超過15 m的深厚軟土，目前常見的復合地基處理方式有“預制管樁+塑料排水板”“CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）+塑料排水板”兩種處理方法。然而，“CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）+塑料排水板”處理深度一般不宜超過20m，否則容易發(fā)生縮頸、斷樁；“預制管樁+塑料排水板”則造價較高，大約150元/m，是普通水泥攪拌樁的3倍左右。針對這種情況，設計采用了先進的釘形與雙向水泥攪拌樁（以下簡稱釘形攪拌樁）來處理軟基。釘形攪拌樁是通過對現(xiàn)有的常規(guī)水泥土攪拌樁成樁機械進行簡單改造，配上專用的動力設備及多功能鉆頭，采用同心雙軸鉆桿，通過內(nèi)外鉆桿上葉片的同時雙向旋轉(zhuǎn)而形成的樁體。在施工過程中，利用土體的主被動壓力，使鉆桿上葉片打開或收縮，樁徑隨之變大或變小，形成釘形樁。釘形攪拌樁適合在工期緊張，軟土深厚地區(qū)推廣使用，當深度超過20 m，其造價約為65元/m，同時由于樁距較大，其綜合經(jīng)濟效益比常規(guī)水泥攪拌樁節(jié)約25%左右。本次設計釘形攪拌樁樁距2.0 m，上部擴大樁頭樁徑為1.0 m，長度為4.0 m，水泥參考用量240 kg/m；下部樁體樁徑0.6 m，設計樁體進入持力層1.0 m，水泥參考用量60 kg/m。

六、釘形水泥土雙向攪拌樁施工建議工藝

施工流程如圖2所示。

1、樁機定位

放樣、定位，將打樁機移至指定樁位并對中；

2、切土下沉

啟動攪拌機，葉片伸展到擴大頭設計直徑，使攪拌機沿導向架向下切土，同時開啟灰漿泵向土體噴水泥漿，兩組葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)，切割攪拌土體，直到擴大頭設計深度；

3、縮徑切土下沉

改變內(nèi)外鉆桿的旋轉(zhuǎn)方向，使葉片收縮至下部樁體設計直徑，兩組葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)，切割攪拌土體，直至設計深度，在樁底持續(xù)噴漿攪拌不少于10秒；

4、提升攪拌

關閉灰漿泵，提升攪拌機，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，直至擴大頭底面；

5、擴徑提升攪拌

改變內(nèi)外鉆桿的旋轉(zhuǎn)方向，使葉片伸展至擴大頭直徑，開啟灰漿泵，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，直至地表，關閉灰漿泵，并檢查攪拌葉片是否伸展至擴大頭直徑；

6、攪拌下沉

開啟灰漿泵，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，直至擴大頭設計深度；

7、提升攪拌

關閉灰漿泵，提升攪拌機，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，直至地表或樁頂以上50cm；

8、樁頂處理

應將攪拌樁頂端30 cm～50cm質(zhì)量較差段挖除。

施工前必須保證機架垂直，偏差不大于1%，保證機架底盤水平，樁位偏差不大于50mm，樁徑和擴大頭高度不小于設計值。

結(jié)論

與常規(guī)水泥土攪拌樁相比，雙向水泥土攪拌樁能提高工效、節(jié)省造價、施工過程中擾動較小、受力合理，機械在現(xiàn)有的水泥土攪拌樁機械上改造即可使用；雙向水泥土攪拌樁在水平方向和豎直方向都能夠攪拌均勻，沿深度變化很小，使得成樁質(zhì)量比常規(guī)攪拌樁有很大的提高；雙向水泥土攪拌樁工藝施工產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力明顯小于常規(guī)工藝施工產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力，因此，雙向水泥攪拌樁能有效的解決施工過程中的冒漿問題，從而能保證水泥攪拌樁中水泥的含量。

參考文獻：

[1]郭紅萍，水泥攪拌樁的應用與檢測[J].山西建筑，2007，1.

[2]顏曉華，水泥土雙向攪拌樁在某公路軟件處理中的應用[J]中國水運，2012，1.

[3]嚴曄.雙向水泥土攪拌樁在軟基處理中的應用[J].市政技術(shù)，2010，07.

[4]劉松玉；席培勝；儲海巖；宮能和.雙向水泥土攪拌樁加固軟土地基試驗研究[J].巖土力學，2007，03：560-564.

[5]孫鶴. 雙向水泥土攪拌樁在軟土地基加固中的應用[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，01：31-34.