水泥攪拌樁施工技術(shù)在河岸軟土地基處理中的應(yīng)用

張濟(jì)寧

(法庫(kù)縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 法庫(kù) 110400)

1 工程概況

法庫(kù)縣拉馬河河道整治工程位于軟土發(fā)育區(qū)，工程區(qū)勘察場(chǎng)地巖性主要為第四系全新沉淀層，巖性主要為粉細(xì)砂及風(fēng)化土為主，現(xiàn)自上而下分述如下：

第①-1層：素填土。黃褐色，主要由植物根系、少量卵礫石、碎石和黏性土構(gòu)成，各鉆孔孔頂部均有出露。此層土含植物根系，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)松散，屬近期回填。層厚1.8～3.3m，層底埋深1.8～3.3m。

第②-1層：粗砂。黃褐色，稍濕，呈中密狀態(tài)，石英長(zhǎng)石質(zhì)，含15%左右卵礫石，級(jí)配較差，各鉆孔均有揭露，層底最大埋深5.90m，層厚0.8～0.9m。

第②-2層：礫砂。黃褐色，呈中密狀態(tài)，含35%左右卵礫石，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英等，各鉆孔均有出露，層底最大埋深3.3m，最大層厚1.1m。

第②-3層：圓礫。雜色，飽和，呈密實(shí)狀態(tài)，石英長(zhǎng)石質(zhì)，充填45%左右的中粗砂，各鉆孔均有出露，未穿透此層，揭露最大厚度為9.4m。

工程區(qū)地質(zhì)條件較差，基底有大量軟-流塑狀淤泥質(zhì)土，土層厚4.0～15.5m左右，具有含水量高、可壓縮性強(qiáng)、力學(xué)性能低和孔隙率大等特點(diǎn)。

2 水泥攪拌樁施工技術(shù)

2.1 配合比試驗(yàn)

水泥攪拌樁就是利用攪拌樁機(jī)充分?jǐn)嚢杷嗯c地基深處軟土，通過(guò)物理化學(xué)反應(yīng)促使軟土成為水穩(wěn)定性好、整體性好且有一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基，這是有效提升地基強(qiáng)度的重要方式[1-3]。

本工程選用渾河P·O 42.5級(jí)硅酸鹽水泥，按設(shè)計(jì)要求28d樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低為1.2MPa，90d抗壓強(qiáng)度最低為2.0MPa。通過(guò)水泥參數(shù)檢驗(yàn)和室內(nèi)土工試驗(yàn)，分析水泥摻量14%、16%、18%時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果：①水泥攪拌樁的水灰比取0.50，水泥摻量14%，經(jīng)檢測(cè)7d、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.88MPa和1.15MPa，不符合設(shè)計(jì)要求；②水泥攪拌樁的水灰比取0.50，水泥摻量16%，經(jīng)檢測(cè)7d、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.98MPa和1.45MPa，符合設(shè)計(jì)要求；③水泥攪拌樁的水灰比取0.50，水泥摻量18%，經(jīng)檢測(cè)7d、28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.16MPa和1.72MPa，符合設(shè)計(jì)要求。考慮到水泥攪拌樁的主要功能是加固地基，結(jié)合工程實(shí)際情況和質(zhì)量要求，故現(xiàn)場(chǎng)施工水泥攪拌樁的水泥摻量取16%。

2.2 試樁參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)試樁合理確定施工工藝和參數(shù)，以確定的鉆頭提升速度、下沉速度以及相匹配的單位噴漿量、噴漿工作壓力等參數(shù)，為現(xiàn)場(chǎng)攪拌樁施工提供指導(dǎo)[4]。

1)水泥摻量。依據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，通過(guò)配合比試驗(yàn)確定水泥摻量16%，按該摻量現(xiàn)場(chǎng)制備3根試樁，利用下式計(jì)算每米攪拌樁水泥用量M水泥，即：

M水泥=3.14ρ土r2K

(1)

式中：ρ土為土體密度，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)ρ土取1.85g/cm3；r為攪拌樁半徑，本工程取0.35m；K為水泥摻量，本工程取16%。經(jīng)計(jì)算，攪拌樁水泥用量為113.9kg/m。

2)水灰比。試樁水灰比取0.50，水泥漿的水灰比處于0.45～0.55范圍，比重1.81g/cm3，施工時(shí)應(yīng)結(jié)合工藝試樁和現(xiàn)場(chǎng)土料含水量變化情況合理調(diào)整水灰比。

3)噴漿速度與噴漿量。采用下式計(jì)算噴漿速度與噴漿量：

T=h/v提升

(2)

V=(M水+M水泥)/p

(3)

M水=水灰比·M水泥

(4)

M水泥=K·M土

(5)

M土=3.14ρ土r2h

(6)

式中：T、V為每米的噴漿提升時(shí)間和噴漿量；h、v速度為提升高度和提升速度，h取1m，v提升取0.5m/min；M水、M水泥、M土為每米的用水量、摻水泥量和土體的質(zhì)量；p代表水泥漿比重，實(shí)際取1.82g/cm3。本工程利用三噴六攪法成樁，試樁深度12.6m，下鉆速度v鉆1.0m/min，由此可以確定下鉆用時(shí)、噴漿提升用時(shí)和單程用時(shí)依次為12.6min、25.2min、37.8min，三噴六攪法成樁用時(shí)為113.4min。

4)噴漿壓力。實(shí)際工程中設(shè)0.4～0.6MPa作為試樁噴漿壓力。依據(jù)以上分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)整理工藝性試樁有關(guān)參數(shù)，如表1所示。

表1 工藝性試樁參數(shù)表

2.3 試樁質(zhì)量檢驗(yàn)

成樁7d后，人工開挖試樁部位檢查其質(zhì)量狀況，結(jié)果顯示樁體無(wú)回陷、縮頸現(xiàn)象，樁的整體性及外觀質(zhì)量良好，樁徑處于700～710mm范圍。經(jīng)外觀檢測(cè)，試樁選定的工藝技術(shù)參數(shù)和水泥摻量16%，能夠保證水泥攪拌樁防滲墻的整體性、均勻性和連續(xù)性[5]。

成樁28d后，采用巖芯鉆探機(jī)等施工機(jī)具對(duì)樁身進(jìn)行取芯檢測(cè)，鉆具直徑Φ100mm，合金鉆頭直徑Φ120mm，在攪拌樁樁頭處設(shè)置檢測(cè)孔，較中心偏離近100mm，應(yīng)用水平尺校正機(jī)臺(tái)，控制徑向主軸跳動(dòng)≤0.1mm，鉆芯機(jī)各項(xiàng)參數(shù)均符合相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求[6-8]。施工過(guò)程中選用全斷面取芯法，按從上到下的流程現(xiàn)場(chǎng)描述，為了完成無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)從上到小均勻取三段水泥土試樣，從攪拌的均勻性、芯樣狀態(tài)、顏色和性質(zhì)等角度現(xiàn)場(chǎng)描述芯樣情況，判定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 試樁質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

為完成無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)芯樣進(jìn)行切割磨平，具體操作流程嚴(yán)格按照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，典型樁號(hào)芯樣檢測(cè)值如表3所示。

表3 樁號(hào)芯樣檢測(cè)值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣情況，綜合分析被測(cè)樁的施工記錄、樁型、成樁工藝和地質(zhì)資料等內(nèi)容，結(jié)果顯示各芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水泥攪拌樁樁身長(zhǎng)度均符合設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)要求。

2.4 施工工藝

采用三噴六攪法成樁的工藝流程具體如下：

1)步驟1：定位。施工前，為達(dá)到樁基施工條件利用反鏟清理表土、平整場(chǎng)地，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況將攪拌機(jī)用塔架或起重機(jī)懸吊至施工樁位，對(duì)中標(biāo)注樁位，控制懸吊位置與樁位位置偏差不超過(guò)30mm。施工過(guò)程中要維持主機(jī)機(jī)身的水平狀態(tài)，確保導(dǎo)向架垂直角度和精度，控制垂直向偏差≤1.0%。

2)步驟2：預(yù)拌下沉。采用輸漿管連接集料斗、攪拌機(jī)和砂漿泵，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)必須確保冷卻的正常循環(huán)，攪拌機(jī)頭切土下沉速度，利用電流監(jiān)測(cè)表來(lái)控制，一般處于0.36～0.70min范圍，控制工作電流不超過(guò)70A，下沉速度較慢時(shí)可以利用輸漿系統(tǒng)補(bǔ)水，以加速鉆進(jìn)下沉。

3)步驟3：水泥漿的制備。通過(guò)配合比試驗(yàn)確定水泥漿的水泥摻量，在下沉到預(yù)定深度后倒入水泥漿液。

4)步驟4：噴漿攪拌提升。采取邊噴漿邊提升邊攪拌的方式，將攪拌機(jī)逐漸提升到地面。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)合理控制提升速度，實(shí)際工程中保持勻速提升速度0.5m/min。

5)步驟5：上、下重復(fù)攪拌。為充分?jǐn)嚢?，在一次攪拌完成之后，按邊下沉邊旋轉(zhuǎn)的方式再次下沉到預(yù)定深度，然后勻速提升到地面，以達(dá)到加固攪拌的作用，加固攪拌過(guò)程中保持集料斗中的水泥漿為排空狀態(tài)，重復(fù)該過(guò)程兩次[9]。

6)步驟6：清洗。完成以上操作后將清水注入集料斗，啟動(dòng)泵機(jī)清洗功能，直到將管道內(nèi)殘余的水泥漿和攪拌頭清洗干凈。

7)步驟7：位移。移動(dòng)到下一樁位并重復(fù)上述流程，直至完成全部攪拌樁的施工。

水泥攪拌樁施工流程，如圖1所示。

2.5 施工時(shí)常見(jiàn)的問(wèn)題及對(duì)策

1)攪拌體不均勻。原因分析：供水量明顯變化擾動(dòng)部分黏土、設(shè)備提升速度未有效控制、水泥漿攪拌不足和設(shè)備故障引起的注漿終止等。施工對(duì)策：對(duì)同一樁體按施工方案重復(fù)攪拌，有效控制因攪拌速度與攪拌機(jī)鉆機(jī)速度不匹配引起的不均勻問(wèn)題；適當(dāng)增加拌合次數(shù)及拌合均勻性，以防漿液沉淀，攪拌時(shí)間≥2min，確保充分?jǐn)嚢?；不得隨意改變注漿量，確保單位時(shí)間內(nèi)注漿穩(wěn)定性；保持穩(wěn)定合理的提升速度，保證攪拌均勻性；做好施工準(zhǔn)備，保證灰漿泵、水泥攪拌機(jī)等正常運(yùn)行[10-13]。

圖1 水泥攪拌樁施工流程

2)噴漿異常。原因分析：水灰比過(guò)低或過(guò)高、注漿泵損壞、清洗不干凈致使輸漿管路有雜物或硬結(jié)快。施工對(duì)策：及時(shí)調(diào)整水灰比；施工前先試運(yùn)行各項(xiàng)設(shè)備；采用細(xì)篩過(guò)濾水泥漿，以防外部異物進(jìn)入輸漿管路；輸漿設(shè)備、攪拌設(shè)備使用后，及時(shí)清洗干凈以防結(jié)塊；將遮擋板安裝于噴漿口上方，以防噴漿孔堵塞。

3)冒漿、抱鉆。原因分析：拌和難度大或黏土黏結(jié)力大很容易引起抱鉆、施工工藝不合適、部分土層持漿能力不足或上浮壓力過(guò)大易引起冒漿。處理對(duì)策：將砂子摻入黏結(jié)力過(guò)大的施工土層中，降低黏度以防抱鉆的發(fā)生；施工前，可以用清水輸入攪拌頭下沉處，充分濕潤(rùn)表面；冒漿后，實(shí)際輸漿量不符合設(shè)計(jì)要求，可以改用“一攪拌、一輸漿拌合、輸水?dāng)嚢琛钡氖┕すに?，為減輕冒漿情況還要提高攪拌速度。

4)樁頂強(qiáng)度偏低。原因分析：加固效果較差、表層土體擾動(dòng)較大無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻攪拌。處理對(duì)策：提高設(shè)計(jì)標(biāo)高1m范圍的水泥摻量，反復(fù)攪拌形成加強(qiáng)段；可以鑿除樁頂強(qiáng)度較低部分，重新加固。

3 結(jié) 論

文章結(jié)合法庫(kù)縣河道整治工程地質(zhì)條件，系統(tǒng)探討了水泥攪拌樁的施工工藝，可為有效處理河岸軟土地基提供一種新的途徑，主要結(jié)論如下：

1)施工前，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件開展室內(nèi)配合比試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，合理確定水泥摻入量、固化劑和外摻劑等參數(shù)。此外，為提高試驗(yàn)保證率必須對(duì)最弱土層取樣分析。

2)選擇最典型的地質(zhì)條件進(jìn)行試樁，一般試樁數(shù)量不少于3根。水泥攪拌樁具有隱蔽工程的典型特征，為保證施工質(zhì)量必須有效把控整個(gè)施工過(guò)程。施工前，要全面檢查外摻劑、水泥等原材料和機(jī)具性能，保證各項(xiàng)工藝參數(shù)處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；施工時(shí)，加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)督以及逐一評(píng)定成樁質(zhì)量，保證施工記錄詳細(xì)完整，對(duì)檢測(cè)不合格的攪拌樁采取補(bǔ)強(qiáng)、增加攪拌樁數(shù)量等處理措施，按成樁總數(shù)的2%取樣進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。