浮筒式水泥攪拌加固軟土地基的工后沉降分析

徐 悅 童曉榕 周文歡

（廈門(mén)路橋百城建設(shè)投資有限公司，福建 廈門(mén) 361000）

軟土具有含水率高、壓縮性高和承載力低的特點(diǎn)，在軟土地基中直接修建公路工程，在長(zhǎng)期車(chē)輛周期荷載作用下不可避免地產(chǎn)生大沉降變形，給道路的使用性能和行車(chē)安全造成影響[1]?？刂栖浲谅坊墓ず蟪两?，提高地基的承載力是公路工程建設(shè)面臨的問(wèn)題之一[2]。在現(xiàn)有的軟土地基處理工法中有不同加固機(jī)理的處理工藝，例如豎向排水法、強(qiáng)夯法以及CFG 樁法等。這些工法的施工原理、施工成本和施工周期各不相同，因此在實(shí)際工程中選擇科學(xué)合理的軟土地基加固工藝顯得尤為重要。當(dāng)軟土地基的承載力小于60kPa 時(shí)，一般的軟土地基機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)存在困難，在水泥攪拌樁基礎(chǔ)上發(fā)展出的浮筒式水泥攪拌樁能夠很好地適應(yīng)這種特殊地質(zhì)條件[3]。該文結(jié)合實(shí)際工程，使用浮筒式水泥攪拌樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，并運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法對(duì)軟土地基加固效果進(jìn)行測(cè)試，研究成果可以應(yīng)用于超軟土長(zhǎng)距離的公路工程地基加固。

1 工程概況

廈門(mén)新機(jī)場(chǎng)蓮河片區(qū)沙美路（翔安南路-濱海旅游路段）工程項(xiàng)目道路等級(jí)為城市主干路，道路設(shè)計(jì)起點(diǎn)為翔安南路，沿設(shè)計(jì)終點(diǎn)為濱海公園大道（濱海旅游路），道路長(zhǎng)約2.810km（K0+000～K2+810.394），實(shí)施范圍K0+030.344～K2+760.741。項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度為60km/h，道路標(biāo)準(zhǔn)斷面紅線(xiàn)寬43m。

場(chǎng)地內(nèi)各層巖土的物理力學(xué)指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。從表中可以看出，各土層的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)存在明顯的差異，土層承載力特征值按照③層吹填淤泥、④-a 層淤泥、④-b 層粗砂、⑤-a 層粉質(zhì)黏土、⑤-b 層粗砂、⑦層殘積砂質(zhì)黏性土的順序不斷增加。其中，③層吹填淤泥、④-a 層淤泥的力學(xué)強(qiáng)度軟弱，黏聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)較小，③層吹填淤泥和④-a 層淤泥的黏聚力分別為10.0kPa、18kPa，內(nèi)摩擦角分別為5.0°和3.2°，具有高壓縮性、高含水率的特點(diǎn)，在天然狀態(tài)下土層流塑狀，在開(kāi)挖或者擾動(dòng)條件下，土層極易產(chǎn)生坍塌、回淤等現(xiàn)象，靈敏度較高，力學(xué)性能較差，機(jī)械設(shè)備難于進(jìn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)論證和驗(yàn)算，需要采取必要的工程措施對(duì)③層吹填淤泥和④-a 層淤泥進(jìn)行軟基處理，以滿(mǎn)足道路長(zhǎng)期沉降的控制要求。

表1 場(chǎng)地內(nèi)各層巖土的物理力學(xué)指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)

浮筒式攪拌樁施作范圍為樁號(hào)K1+700～K2+760.741，共145429m。由于場(chǎng)區(qū)的表層土③層吹填淤泥，其地基承載力特征值小于60kPa，不滿(mǎn)足傳統(tǒng)的深層攪拌樁機(jī)械設(shè)備進(jìn)場(chǎng)要求，而浮筒式攪拌樁施工設(shè)備不受此限制?？紤]場(chǎng)區(qū)軟土的力學(xué)特性，浮筒式攪拌樁采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥作為膠凝劑，并適當(dāng)加入一定程度的粉煤灰以降低工程造價(jià)，粉煤灰摻量大小為加固土體質(zhì)量的18%，水灰比0.7，樁直徑為800mm，樁實(shí)鉆長(zhǎng)度5.5m～10m，空鉆長(zhǎng)度1.2m～3m，間距1.8m，梅花形布置。

2 浮筒式水泥攪拌樁地基處理施工工藝及控制參數(shù)

浮筒式水泥攪拌樁地基的加固機(jī)理是在軟土中噴攪固化劑普通硅酸鹽水泥，水泥與軟土、水發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，水泥顆粒與軟土充分結(jié)合。首先，為水解和水化反應(yīng)，水泥表面的氧化物與軟土中的水生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣等物質(zhì)，使軟土中的自由水大幅度降低。其次，軟土中的黏土礦物與水泥水化硬凝，形成穩(wěn)定的結(jié)晶化合物，如公式（1）、公式（2）所示，結(jié)晶化合物結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，黏土中的顆粒帶有負(fù)電荷，會(huì)吸附水泥中的Na+與K+礦物，粒子交換和團(tuán)?；\(yùn)動(dòng)形成膠體微粒。另外，水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳發(fā)生碳酸化作用形成碳酸鈣沉淀物，沉淀物的穩(wěn)定性好，且可以增加水泥土的強(qiáng)度[4]。如圖1 所示，浮筒式水泥攪拌樁的施工順序?yàn)樵O(shè)備定位→下鉆噴漿攪拌→提升攪拌→下鉆噴漿攪拌→提升復(fù)攪→移位。具體的施工控制如下。浮筒式水泥攪拌樁施工工藝如圖2 所示。在施工前，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況設(shè)置試驗(yàn)段，其目的是為了保證處理路段的路基整體承載力、沉降等[5]。施工前必須采集工點(diǎn)最軟弱土層試樣進(jìn)行室內(nèi)配比試驗(yàn)，確定合適的配合比、水泥摻量、水灰比以及施工參數(shù)等，如公式（1）和公式（2）所示。

圖1 軟土地區(qū)浮筒式攪拌法施工工藝流程

圖2 浮筒式水泥攪拌樁施工工藝圖

為了確定合適的水泥攪拌樁配合比，在室內(nèi)試驗(yàn)中制備6 中不同水泥摻入比，分別為8%、10%、12%、14%、16%和18%，并分別測(cè)定各個(gè)水泥摻入比試樣7d、28d、90d 和180d 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4和表2 所示。

表2 不同水泥摻入比條件下水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從圖3 中可以看出，在同一水泥摻入比條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，水泥土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率分成明顯的2 段，當(dāng)試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間小于90d 時(shí)，水泥土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，試樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間大于90d 后，水泥土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度降低。在同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，隨著水泥摻入比增加，水泥土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加。綜合考慮工程的施工工期，為了獲得較高的早期強(qiáng)度，確定選用水泥摻入比為18%。

為了確定合適的水泥攪拌樁配合比，在室內(nèi)試驗(yàn)中制備6 中不同水灰比試樣，水灰比分別為0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9 和1.0，并分別測(cè)定各個(gè)水泥摻入比試樣7d、28d、90d 和180d 的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同水灰比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下水泥土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線(xiàn)

從圖4 中可以看出，在同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，隨著水泥土水灰比增加，試樣無(wú)側(cè)限抗壓呈現(xiàn)冪指數(shù)降低的趨勢(shì)，當(dāng)水灰比小于0.70 時(shí)，試樣無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度下降較快，而水灰比大于0.7 后，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于收斂；在同一水灰比條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，試樣無(wú)側(cè)限抗抗壓強(qiáng)度不斷增加。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和工期因素，確定水灰比為0.7。

3 浮筒式水泥攪拌樁施工載荷試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為驗(yàn)證浮筒式水泥攪拌樁的軟土地基加固效果，在里程K2+000.000、K2+100.000、K2+200.000 路基中心選取具有3 個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行載荷試驗(yàn)，加載荷載范圍從0kPa～320kPa，荷載增加等級(jí)為40kPa，累積加載時(shí)間360min。測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 軟土路基不同里程位置處載荷試驗(yàn)荷載-沉降曲線(xiàn)

從圖5 中可以看出，在不同里程處軟土路基的載荷曲線(xiàn)的變化規(guī)律一致，數(shù)值相近，表明采用浮筒式水泥攪拌樁對(duì)工程的軟土路基加固效果均勻，從圖5 中可知，里程K2+000.000、K2+100.000、K2+200.000 的地基承載力值均為180kPa，最大累積沉降量分別為14.99mm、13.49mm和14.17mm，最大回彈量分別為10.45mm、9.29mm 和9.65mm，回彈率分別為69.71%、68.86%和68.09%，滿(mǎn)足軟土路基的承載力和沉降變形要求，路基地基處理效果良好。

4 結(jié)論

該文以廈門(mén)新機(jī)場(chǎng)蓮河片區(qū)沙美路（翔安南路-濱海旅游路段）工程項(xiàng)目為研究背景，運(yùn)用浮筒式水泥攪拌樁對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法確定水泥摻入比和水灰比，并運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)測(cè)試浮筒式水泥攪拌樁的地基處理效果，得到以下3 個(gè)結(jié)論：1）在水泥摻入比相同的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，水泥土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈不斷增加的趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速率分成明顯的2 段；在養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的條件下，隨著水泥摻入比增加，水泥土試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷增加。2）在養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同的條件下，隨著水泥土水灰比增加，試樣無(wú)側(cè)限抗壓呈現(xiàn)冪指數(shù)降低的趨勢(shì)，當(dāng)水灰比小于0.70 時(shí)，試樣無(wú)測(cè)限抗壓強(qiáng)度下降得較快，當(dāng)水灰比大于0.7 時(shí)，試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于收斂；在水灰比相同的條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，試樣無(wú)側(cè)限抗抗壓強(qiáng)度不斷增加。3）載荷試驗(yàn)表明，在不同里程處軟土路基的載荷曲線(xiàn)的變化規(guī)律一致，數(shù)值相近，表明采用浮筒式水泥攪拌樁對(duì)工程的軟土路基加固效果均勻，處理后地基承載力值為180kPa，最大累積沉降量為14.99mm，回彈率分別為69.71%，滿(mǎn)足軟土路基的承載力和沉降變形要求，路基地基處理效果良好。