水泥攪拌樁在堤防工程軟土地基處理中的應(yīng)用

王浩淼

（廣州市智利達(dá)咨詢有限公司,廣東 廣州 510640）

0 引言

水利工程大多建設(shè)在軟土地基上,如果不妥善處理會(huì)對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量和使用安全帶來(lái)巨大隱患[1]。水泥攪拌樁是以水泥作為固化劑,通過(guò)水泥攪拌機(jī)械設(shè)備,將土與水泥強(qiáng)制攪拌形成增強(qiáng)體的復(fù)合地基[2],其適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭及粉土等軟土地基。通常地基處理方法不僅取決于加固效果和地質(zhì)參數(shù),還與工程造價(jià)、處理工藝、現(xiàn)場(chǎng)要求等息息相關(guān)。本文對(duì)水利工程水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理措施進(jìn)行系統(tǒng)分析和效果驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 工程現(xiàn)狀

擬加固堤防位于廣州市番禺區(qū),整治堤線長(zhǎng)437 m,堤頂高程2.6 m～2.8 m,防浪墻頂高程3.2 m～3.4 m,堤身單薄,堤頂寬度約6 m,達(dá)不到50 年一遇防洪潮標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)狀堤身填土多為粘粒、砂粒組成,含植物根系,局部地段含碎石與建筑垃圾,堤身填土土質(zhì)砂質(zhì)含量大,土質(zhì)不均勻,松散,欠壓實(shí)。由于堤防興建時(shí)基礎(chǔ)未采用工程措施處理,臨水坡堤前混凝土擋墻直接建于未經(jīng)處理的軟土層基礎(chǔ)上,造成軟土層產(chǎn)生高壓縮變形、側(cè)向滑移或擠出,影響了上部建筑物穩(wěn)定。

1.2 工程場(chǎng)地地質(zhì)分析

加固段堤防普遍分布有較厚的淤泥質(zhì)土、中粗砂、粉質(zhì)黏土。根據(jù)土工試驗(yàn)成果,其中淤泥質(zhì)土孔隙比為1.62～2.092,壓縮系數(shù)為1.31 MPa-1～1.95 MPa-1。擬建場(chǎng)地人工填土成份較復(fù)雜,分布不均勻,壓縮性差異較大,欠壓實(shí),未經(jīng)處理一般不宜直接作為建筑物的天然地基持力層；淤泥及淤泥質(zhì)土具有天然含水量高、孔隙比大、靈敏度高、壓縮性高、強(qiáng)度低、承載力較小等特征,未經(jīng)處理一般不宜直接作為建筑物基礎(chǔ)的天然地基持力層。因此,工程場(chǎng)地地基土上部沒(méi)有適合的天然地基持力層,需對(duì)地基土上部部分人工填土、淤泥質(zhì)土層進(jìn)行處理。

2 水泥攪拌樁實(shí)施方案

2.1 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)及成樁工藝

2.1.1 布設(shè)方案

工程區(qū)域的地基基礎(chǔ)基本上是淤泥基礎(chǔ),全線分布且厚度較大,根據(jù)工程的實(shí)際情況,結(jié)合堤防加固斷面形式,工程擬采用水泥土攪拌樁法。

水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑和軟土之間發(fā)生反應(yīng),使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的復(fù)合地基。具有安全、可靠性較好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),但施工工藝復(fù)雜,施工周期長(zhǎng)。考慮到節(jié)省投資,對(duì)于本工程的堤身均采用水泥攪拌樁處理地基。經(jīng)過(guò)計(jì)算,樁徑采用0.6 m,樁長(zhǎng)16 m,間距為1.2 m,三角形布置,攪拌樁總根數(shù)約4202根,總樁長(zhǎng)67230 m。具體布置方案見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 水泥土攪拌樁平面布置圖

圖2 三角形布樁方案

水泥土攪拌樁復(fù)合基礎(chǔ)和樁之間設(shè)置褥墊層,厚度0.25 m。褥墊層材料采用8%水泥石屑,壓實(shí)系數(shù)不小于0.94。石屑粒徑必須嚴(yán)格控制在2 mm～10 mm,含泥量不得超過(guò)5%。

2.2 復(fù)合地基承載力驗(yàn)算

地基處理后按照復(fù)合地基承載力驗(yàn)算。各層土的樁基特性指標(biāo)建議值參考表1。

表1 各層土的樁基特性指標(biāo)建議值

由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力：

單樁承載力由樁身材料強(qiáng)度確定：

取較小值即Ra=84.78 kN；

因此復(fù)合地基承載力特征值：

2.1.2 試樁

施工前進(jìn)行工藝性試樁,試樁數(shù)量不少于6 報(bào)。試樁分3 組,每組2 報(bào),各組水泥用量分別為65 kg/m,70 kg/m,75 kg/m。通過(guò)試樁調(diào)整確定各項(xiàng)工藝參數(shù),選擇合理的施工措施,以檢測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行大面積施工。單樁靜荷載試驗(yàn)的最大加載值為設(shè)計(jì)單樁承載力的兩倍。

2.1.3 設(shè)計(jì)要求

對(duì)本工程采用水泥土攪拌樁,樁身材料采用42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度按照90 d齡期的無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1.5 MPa控制,28 d齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求大于1 MPa。攪拌樁的樁徑為600 mm,單樁承載力定為100 kN,復(fù)合地基承載力定為95 kPa。?；颐鎽?yīng)高于設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高500 mm,水泥槳液的水灰比嚴(yán)格控制在0.45～0.55的范圍內(nèi)。

2.1.4 施工要求

施工采用濕法施工方式施工,“兩噴四攪”工藝成樁。水泥攪拌樁施工現(xiàn)場(chǎng)施工前應(yīng)予以平整,清除地上和地下的障礙物。應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的樁位、樁型、樁徑、樁長(zhǎng),復(fù)勘場(chǎng)地地質(zhì)條件,選擇施工機(jī)具設(shè)備。

攪拌樁施工前平整至設(shè)計(jì)高程,形成打樁平臺(tái),上部空樁只攪不噴；樁基施工時(shí)跳樁施工,并隨時(shí)注意監(jiān)測(cè)基坑底部與邊坡的變形,如發(fā)現(xiàn)變形應(yīng)立即停止施工,采取臨時(shí)措施進(jìn)行支護(hù)。停漿（灰）面高于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高500 mm,在開(kāi)挖基坑時(shí),應(yīng)將樁頂以上土層及樁頂施工質(zhì)量較差的樁段,采用人工挖除。

2.1.5 質(zhì)量檢驗(yàn)

樁位定位偏差不應(yīng)超出50 mm,樁徑、樁長(zhǎng)均不得少于設(shè)計(jì)值。每根樁施工時(shí)應(yīng)用水準(zhǔn)尺檢查導(dǎo)向架和攪拌軸的垂直度,垂直誤差不應(yīng)超過(guò)1%；成樁3 d輕型動(dòng)力觸探檢查上部樁身的均勻性,成樁7 d采用淺部開(kāi)挖樁頭以量測(cè)成樁直徑,要求樁身最小直徑不小于設(shè)計(jì)樁徑,抽檢樁數(shù)為總樁數(shù)的5%；攪拌樁施工28 天后,采用雙管單動(dòng)取樣鉆取芯樣,鑒定持力層土性,同時(shí)評(píng)價(jià)攪拌均勻性和水泥土抗壓強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算,攪拌樁處理后的符合地基承載力大于軸向壓力,可以滿足堤防使用要求。

2.3 土堤最終沉降量估算

沉降計(jì)算采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：S為地基最終沉降量,mm；m為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；n為地基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；e1i為新建海堤時(shí)為第i 土層在平均自重應(yīng)力作用下的孔隙比；e2i為第i土層在平均自重應(yīng)力和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比；hi為第i土層的厚度,mm。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),m取1.40。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 沉降計(jì)算成果表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)按15 m考慮淤泥層厚度,150 d后水泥攪拌樁處理地基的固結(jié)度可達(dá)80%,工程竣工后的基礎(chǔ)剩余沉降量約為0.10 m。按照堤身預(yù)留沉降,工程設(shè)計(jì)預(yù)留量取0.15 m。

2.4 堤防整體抗滑穩(wěn)定分析

2.4.1 計(jì)算工況選定

本工程整治堤段總長(zhǎng)437 m,根據(jù)運(yùn)行情況、地形特征和地質(zhì)條件,選取樁號(hào)為K0+310 的典型斷面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算,見(jiàn)圖3。本工程防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)采用200 年一遇,堤防等級(jí)為1級(jí)。堤防抗滑穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)包括正常運(yùn)行情況和非常運(yùn)行情況,各種工況組合見(jiàn)表3。

圖3 計(jì)算典型斷面選取

2.4.2 計(jì)算結(jié)果

海堤邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法采用瑞典圓弧法。計(jì)算采用河海大學(xué)研制的穩(wěn)定計(jì)算軟件Avtobank6.1 進(jìn)行計(jì)算。邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)表5。

計(jì)算結(jié)果表明：堤防加固處理后的斷面,在各種工況上均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語(yǔ)

水泥土攪拌樁處理地基具有不均勻沉降小,承載力高且施工過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境影響小等特點(diǎn)而得到了推廣應(yīng)用。廣州市番禺區(qū)堤防達(dá)標(biāo)加固工程中采用水泥攪拌樁處理軟土地基符合工程要求,樁體設(shè)計(jì)實(shí)施方案及計(jì)算復(fù)核方法對(duì)水利工程軟土地基處理具有借鑒意義,在選用處理方法時(shí)應(yīng)堅(jiān)持因地制宜,綜合考慮地質(zhì)條件、工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)效益,持續(xù)探索新工藝和新方法以實(shí)現(xiàn)地基處理效果最優(yōu)化。