水泥深層攪拌粉噴樁在穿堤涵洞施工中的應(yīng)用

張剛 滕逖

水泥深層攪拌粉噴樁在穿堤涵洞施工中的應(yīng)用

張剛 滕逖

一、工程概況

景山涵洞拆除重建項(xiàng)目是江蘇省徐州市小沿河水源地保護(hù)工程的重要實(shí)施內(nèi)容，原涵洞位于景山以西微山湖南堤上，為1孔2m×3m涵洞，建于二十世紀(jì)六七十年代，主要功能為內(nèi)華梁山等地引小沿河水灌溉，微山湖水位高時，關(guān)閉閘門，防止微山湖水倒灌。因現(xiàn)狀損壞嚴(yán)重，閘門為混凝土閘門，啟閉機(jī)老化，須拆除重建。工程建成后，景山涵洞在原有功能基礎(chǔ)上可作為小沿河防污應(yīng)急通道，在小沿河?xùn)|岸水質(zhì)不達(dá)標(biāo)時，東側(cè)污水沿運(yùn)糧河通過涵洞排入藺家壩閘下，從而有效保護(hù)向徐州市區(qū)供水的小沿河水源地水質(zhì)不受污染。新建涵洞為1孔3m×3m鋼筋混凝土箱涵，長35m，采用水泥深層攪拌粉噴樁進(jìn)行基礎(chǔ)加固處理。

二、水泥深層攪拌粉噴樁加固地基原理

在軟土地基中加入改良材料水泥粉，與原樁位的土用攪拌機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制性的攪拌混合，使原樁位的土與水泥粉進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而形成一個由水泥、軟土混合成的圓柱狀凝固體，同時將柱間的土擠密，使得地基得到加固。

1.水泥的水解和水化反應(yīng)

普通P.O42.5水泥的主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3，約占95%以上。用水泥加固地基時，水泥顆粒表面的礦產(chǎn)物（Ca3SiO4、C2S、C3A、C4AF等）很快與土中水分發(fā)生水解和水化反應(yīng)。

C3A反應(yīng)速度較快，促進(jìn)早凝；C3S和C4AF水化反應(yīng)也較快，早期強(qiáng)度較高；C2S水化反應(yīng)較慢，對后期強(qiáng)度增長的抗水性能較好。另外，水泥粉在地基土中的水化反應(yīng)放出的大量熱能使水泥土吸收水分的能力更強(qiáng)。

2.水泥的凝結(jié)與硬化

水泥的水化反應(yīng)開始處在堿性的Ca（OH）2、CaSiO3等環(huán)境中，Ca2+使土中的SiO2、Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并逐漸生成不溶于水的穩(wěn)定Ca（AlO2）2、CaSiO3及鈣黃長石的結(jié)晶水化物。這些化合物在水中逐漸硬化，增大了水泥土的強(qiáng)度，而且由于其結(jié)構(gòu)比較緊密，水分不易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩(wěn)定性。地基土一般表現(xiàn)出膠體特征，土中的SiO2遇水形成硅酸膠體微粒，表面的Na+當(dāng)量吸附交換，使得土粒表面吸附的Ca2+所形成的擴(kuò)散層減弱，大量的土粒形成較大團(tuán)粒，這種堅固的聯(lián)結(jié)使水泥土的強(qiáng)度大大提高。

3.碳酸反應(yīng)

水泥水化物中游離的Ca（OH）2能吸收水中的CO2，生成CaCO3，這種反應(yīng)亦能使水泥土的強(qiáng)度增加。

三、施工流程

樁機(jī)就位使樁架保持雙向垂直→鉆孔至樁底→噴粉提鉆至樁頂→下鉆復(fù)攪→提鉆至地面→鉆機(jī)移位至新樁位。

四、施工操作要點(diǎn)

1.放軸線樁

依據(jù)設(shè)計院提供的建筑物總圖和布樁平面圖，用經(jīng)緯儀放出軸線，記錄放線資料，認(rèn)真做好原始資料記錄整理工作，樁位編號要按設(shè)計圖上的樁位編號，以免發(fā)生差錯。每樁打樁前后，都要核對樁位，以防錯打、漏打。

2.樁機(jī)就位

根據(jù)設(shè)計確定加固機(jī)體的位置，使攪拌軸保持垂直，校準(zhǔn)機(jī)身水平，使鉆尖對準(zhǔn)樁位。

3.鉆機(jī)攪拌

啟動攪拌鉆機(jī)，鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊鉆進(jìn)，同時開動空氣壓縮機(jī)沿高壓膠管、鉆桿高壓送氣（即送強(qiáng)氣流風(fēng)），以防止鉆頭噴粉口堵塞并冷卻鉆頭。

當(dāng)水泥粉篩過后裝入灰罐，通過空壓機(jī)將水泥灰霧化，從小罐壓入大罐后將大罐充氣，壓力保持在3～4kPa。當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)至設(shè)計標(biāo)高時停止鉆進(jìn)，反轉(zhuǎn)慢慢提升，同時開動送灰機(jī)，將大罐內(nèi)灰送到管內(nèi)，然后用高壓氣流（空壓機(jī)）通過高壓管、鉆桿、帶有噴射嘴的鉆頭把水泥干粉噴出，送入土體。在攪拌過程中，鉆頭葉片反轉(zhuǎn)時，將已攪松的土壓實(shí)，當(dāng)鉆頭提升至離地面0.3～0.5m時，停止送灰正轉(zhuǎn)，3m內(nèi)復(fù)攪、復(fù)噴，再反轉(zhuǎn)勻速將鉆頭提升、壓實(shí)，直至提出地面成樁結(jié)束。

施工中如發(fā)現(xiàn)噴粉量不足，須實(shí)行整樁復(fù)打，并不小于設(shè)計用量。如遇停電、機(jī)械事故等原因?qū)е聡姺壑袛啾仨殢?fù)打，復(fù)打重疊孔段長度不小于1m。

五、施工檢測

依據(jù)現(xiàn)行施工規(guī)范要求，檢測方案布置如下：（1）評價樁身質(zhì)量及樁體強(qiáng)度是否滿足工程要求。選取6根樣樁，通長鉆取芯樣，所取芯樣室內(nèi)做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。（2）在試樁中做3組單樁靜載荷試驗(yàn)，然后計算工程單樁承載力，最后推算復(fù)合地基承載力。

1.單樁靜載試驗(yàn)

單樁靜載試驗(yàn)參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ4294）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。反力裝置采用平臺堆載法，配重280kN，加荷系統(tǒng)采用液壓千斤頂加荷，同時在樁頂面的正交兩個直徑方向安裝4個百分表，通過基準(zhǔn)梁側(cè)讀出樁的沉降值，以4個百分表平均值作為樁下沉降量的實(shí)測值。

加荷方式采用慢速維持載荷法，按24kN為一級，分級加荷，直至加到最大荷重240kN，每級加荷后間隔5min、10min、15min各測讀一次，以后每隔15min測試一次，累計1h后每隔30min測讀一次，每1h沉降不超過0.1mm，連續(xù)出現(xiàn)兩次即可認(rèn)為已達(dá)到相對穩(wěn)定，可加下一級荷載。

卸載時，每級卸載為加載值的2倍，每級卸載后隔15min測讀一次殘余沉降，讀兩次后，隔30min再讀一次，即可卸下一級荷載。全卸載后，隔3～4h再讀一次。

2.樁頭取芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

現(xiàn)場隨機(jī)抽取樣樁6根，在開挖至有效樁頂標(biāo)高處鉆取樁體芯樣，觀察樁體情況，并留高10cm、直徑10cm試件，做現(xiàn)齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

六、結(jié)語

（1）采用水泥深層攪拌粉噴樁加固地基，機(jī)械化程度高，施工速度快，可使用幾臺設(shè)備同時作業(yè)，縮短了施工工期。

（2）采用水泥深層攪拌粉噴樁加固地基，基于水泥土的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，改變了原狀土的結(jié)構(gòu)，使土顆粒重新排列，重新固結(jié)成水泥土，硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和強(qiáng)度較高的水泥土拌合柱體，從而大大提高地基土的承載力。

（3）由于粉噴樁是就地攪拌加固地基，使軟土不向側(cè)向擠壓，因此對鄰近已有建筑物影響很小■

（作者單位：江蘇省徐州市水利局221000）