水泥攪拌樁在軟土路基處理中應(yīng)用研究

林和信

(福建省地質(zhì)工程勘察院 福建福州 350002)

0 引言

在深厚軟土地基上修筑城市道路，軟基加固是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。水泥土攪拌樁作為公路工程軟土路基處理的重要方法之一，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。水泥土攪拌樁法形成的水泥土加固體，可作為豎向承載的復(fù)合地基，軟土路基土體參數(shù)選用與設(shè)計(jì)參數(shù)選取，對軟土路基設(shè)計(jì)質(zhì)量有著決定性的影響。復(fù)合地基處理方法作為一種常見的地基處理方法，已經(jīng)在軟土地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在沿海深厚軟土地區(qū)。

對水泥土攪拌樁在軟土路基施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，主要是為了能夠了解水泥土攪拌樁的原理構(gòu)成情況，以及其在軟土路基施工過程中的具體應(yīng)用和相關(guān)質(zhì)量控制，從而達(dá)到在軟土路基施工過程中應(yīng)用水泥土攪拌樁的目的。通過提高水泥土攪拌樁的應(yīng)用水平，促進(jìn)其在軟土路基施工中的發(fā)展。

1 水泥攪拌樁加固機(jī)理

水泥土攪拌樁施工中所用的主要材料，是水泥漿液或者其他膠凝性質(zhì)的固化劑材料。其原理，主要是在攪拌過程中，要使用特定的攪拌機(jī)械，對水泥漿液或其他膠凝性質(zhì)的相應(yīng)材料與軟土路基進(jìn)行強(qiáng)制性、均勻地?cái)嚢琛９袒瘎┎牧吓c軟土進(jìn)行融合，會在一定程度上產(chǎn)生相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng)；利用二者間的融合反應(yīng)，可以提高軟土路基的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和韌度[3-4]。在水泥土攪拌樁的構(gòu)成過程中，軟土路基的強(qiáng)化程度與固化劑材料的摻入有關(guān)，并且依據(jù)固化劑材料摻入時(shí)的狀態(tài)情況，分為水泥漿液攪拌方式和水泥粉干式噴射攪拌方式。

2 工程簡介

2.1 工程概況

福州市某臨江道路，擬設(shè)計(jì)雙向四車道，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為城市主干道、城市次干路，設(shè)計(jì)行車速度20km/h～40km/h，道路路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，道路路面結(jié)構(gòu)擬采用路基穩(wěn)定層、瀝青砼路面結(jié)構(gòu)組合，道路排水采用接入管道。

場地沿線分布較深厚軟土層且其頂部多為薄層填土，設(shè)計(jì)考慮道路軟基處理。

2.2 地層情況

場地位于閩江下游，臨近入海口，場地屬沖海積、淤積平原地貌單元。根據(jù)工程勘察，查明場地由地面自上而下分布的主要巖土層有素填土、粘土、淤泥、淤泥夾砂、細(xì)砂夾淤泥和中砂，各巖土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。典型鉆孔剖面圖如圖1所示。主要巖土體描述如下：

素填土①：黃色，稍濕，松散-稍密，局部混淤泥質(zhì)土，土質(zhì)不均，混少量粘性土。

粘土②(中液限土)：灰黃、灰褐色，可塑狀態(tài)為主，濕～飽和。濕土無搖震反應(yīng)、韌性中等、干強(qiáng)度中等，切面較光滑，手搓有砂感。

淤泥③(高液限土)：深灰、灰黑色，流塑狀態(tài)，飽和。濕土搖震反應(yīng)慢、韌性中等、干強(qiáng)度中等，切面光滑，含少量腐爛植物根系，污手，具有臭味。地基土平均Bm=-0.66，地基土干濕類型屬過濕。有機(jī)質(zhì)含量占1.89%～4.07%。

淤泥夾砂④(高液限土)：深灰色，飽和，軟-流塑，稍有光澤，搖振反應(yīng)弱，韌性中等，干強(qiáng)度中等，該層具水平層理，層理間夾粉細(xì)砂。地基土平均Bm=-0.79，地基土干濕類型屬過濕。有機(jī)質(zhì)含量占1.65%～3.83%。

細(xì)砂夾淤泥⑤：深灰色，松散-中密，飽和，以長石、石英顆粒為主，呈次棱角狀，該層具水平層理，分選性中等，中粗粒含量約占30%～40%，細(xì)粒含量約占40%～50%，粉粘粒含量約占5%～15%，局部因淤泥夾層粘粒含量較高，分布不均。

中砂⑥：灰白色，中密-密實(shí)，飽和，以長石、石英中粗砂為主，粒徑大于0.25mm達(dá)到50%以上，顆粒多呈棱角狀，分選性一般。級配稍好，粘粒含量約占5%～15%，該層分布于整個(gè)場地。

表1 場地主要巖土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖1 典型鉆孔剖面圖

3 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)段場地中上部土層極差，軟土厚度不均勻，局部存在深厚軟土，地基承載力低，屬軟弱地基，不能滿足路基承載力和變形的要求。對路段內(nèi)的一般路段采用水泥土攪拌樁(濕噴)進(jìn)行地基處理，樁按正三角形布置，樁間距1.80m、樁徑為0.50m/0.80m、設(shè)計(jì)平均樁長14m。使處理后的復(fù)合地基承載力、工后沉降滿足要求。

3.1 工程試樁目的

通過試樁確定水泥品種與強(qiáng)度等級、水泥摻入量及水灰比，取得攪拌樁水泥土的重度、相對密度、無側(cè)限強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和變形模量等指標(biāo)以及鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速、提升速度和噴漿壓力及單樁承載力特征值、復(fù)合地基承載力值等施工數(shù)據(jù)，為工程施工提供工藝流程、機(jī)械設(shè)備及相應(yīng)的施工參數(shù)等，為類似地質(zhì)條件下軟土地基處理提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

3.2 試樁方法

水泥攪拌樁采用釘型雙向水泥土攪拌樁設(shè)備施工，其中，擴(kuò)大頭部分采用四攪兩噴施工工藝，即施工時(shí)兩次下鉆只攪拌不噴漿、兩次提升邊攪拌邊噴漿，下鉆速度0.5～1.1m/min，提升速度1.3～1.5m/min；樁體部分采用兩攪一噴施工工藝，即下鉆時(shí)攪拌不噴漿、提升時(shí)邊攪拌邊噴漿，下鉆速度1.1～1.3m/min，提升速度1.3～1.5m/min。根據(jù)設(shè)計(jì)要求及相關(guān)配合比試驗(yàn)結(jié)果確定水灰比，合適的水灰比制備出的水泥漿液流動性好，便于泵送、噴攪。針對該工程軟土的性質(zhì)，結(jié)合工程施工經(jīng)驗(yàn)，水泥采用普通硅酸鹽水泥。

圖2 在線實(shí)時(shí)監(jiān)控

試驗(yàn)段應(yīng)用攪拌樁施工在線監(jiān)控系統(tǒng)和自動化在線制漿系統(tǒng)(圖2)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)查看樁機(jī)的施工情況，并且能夠以報(bào)表的形式自行記錄每一根攪拌樁成樁的樁長、水泥用量、垂直度、成樁時(shí)間以及電流值的變化，給準(zhǔn)確采集試驗(yàn)工藝參數(shù)提供了保障。本系統(tǒng)制漿效率高，計(jì)量精準(zhǔn)，性能穩(wěn)定，制備出漿液比重穩(wěn)定，能夠充分保證施工的連續(xù)性與穩(wěn)定性。具體試驗(yàn)指標(biāo)如表2所示。

表2 釘型雙向水泥土攪拌樁技術(shù)參數(shù)表

注：不同的水泥摻入量均采用兩攪一噴與四攪兩噴兩種工藝，每種工藝成樁3根。

3.3 試樁成果分析

試驗(yàn)樁達(dá)到凝期后進(jìn)行樁身取芯、芯巖抗壓強(qiáng)度檢測試驗(yàn)及樁身豎向抗壓靜載試驗(yàn)等。

根據(jù)復(fù)合樁基鉆孔取芯成果表明，加固的效果受不同土層中淤泥中含砂量變化影響顯著；充分?jǐn)嚢韬髲?qiáng)度較高，局部強(qiáng)度較低，由于試驗(yàn)段部分區(qū)域砂的含量較大，因而水泥摻入量影響不明顯。

表3為釘型雙向水泥土攪拌樁抗壓試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)成果表，圖3為水泥摻入量與抗壓強(qiáng)度及單樁豎向極限承載力關(guān)系曲線。

表3 釘型雙向水泥土攪拌樁試驗(yàn)成果表

圖3 水泥摻入量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

表3和圖3的試驗(yàn)成果表明，固定的水灰比，復(fù)合樁的抗壓強(qiáng)度與單樁豎向極限承載力隨著水泥的摻入量的增加而提高，同時(shí)，四攪兩噴比兩攪一噴施工工藝使水泥與淤泥產(chǎn)生的水泥土更充分、更均勻，其抗壓強(qiáng)度代表值更高，尤其在水泥摻入量從14%增加到16%，采用四攪兩噴工藝其水泥土抗壓強(qiáng)度有明顯的提高。

4 結(jié)語

通過在線監(jiān)控系統(tǒng)和自動化在線制漿系統(tǒng)，采用不同的施工工藝、不同的水泥摻入量等試驗(yàn)方法對軟土地基采用水泥土攪拌樁進(jìn)行加固處理，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)復(fù)合樁的抗壓強(qiáng)度隨著水泥的摻入量的增加而提高。

(2)單樁豎向極限承載力隨著水泥的摻入量的增加而提高。

(3)采用使水泥與淤泥產(chǎn)生更充分、更均勻水泥土的施工工藝，其抗壓強(qiáng)度代表值更高。

(4)根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，28d齡期單樁豎向抗壓靜載荷極限承載力應(yīng)≥180kN，樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Qu≥1.2MPa。試驗(yàn)場地屬沖海積、淤積平原地貌單元，臨近入海口，分布較厚層的軟土層，其特點(diǎn)含水量、孔隙比大，靈敏度高，壓縮性大，試驗(yàn)段部分區(qū)域砂的含量較大，因而水泥摻入量影響不明顯?？紤]到該項(xiàng)目地基不均勻程度較大，為了確保施工質(zhì)量，認(rèn)為地基處理水泥攪拌樁的水泥摻量以18%為宜，樁徑φ500mm，樁間距選用1.8m，施工可采用釘型雙向攪拌的兩攪一噴工藝，這樣即可滿足工程設(shè)計(jì)要求。

(5)水泥攪拌樁具體的施工工藝及水泥摻入量等指標(biāo)，要根據(jù)場地的工程地質(zhì)條件來確定；施工應(yīng)結(jié)合場地含水層地下水的徑流對施工造成的影響，同時(shí)還應(yīng)考慮沖海積、淤積平原軟土中含有的有機(jī)質(zhì)、硫酸鹽等對攪拌樁成樁質(zhì)量造成的影響，以保證施工成樁質(zhì)量。