浙東臺州灣海塘軟土地基水泥攪拌樁強(qiáng)度變化規(guī)律分析研究

許 峰

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002）

0 引 言

浙江東部沿海地區(qū)多為典型的淤泥或淤泥質(zhì)軟土地基，具有高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低抗剪強(qiáng)度等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)、施工過程中稍有疏忽就會引起質(zhì)量事故。隨著新材料、新工藝的不斷發(fā)展，一批用于軟土地基處理的工藝應(yīng)時(shí)而生，如真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法、攪拌樁法、換填墊層法等。其中，水泥土攪拌樁法因施工速度快、設(shè)備輕便、投資較小等優(yōu)勢被大量運(yùn)用于水利、交通和市政工程。本文結(jié)合已實(shí)施工程的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，研究提出攪拌樁樁身強(qiáng)度的變化規(guī)律及影響因素，為今后類似工程運(yùn)用提供參考。

1 水泥攪拌樁加固機(jī)理

水泥漿攪拌法是在第二次世界大戰(zhàn)后由美國研制成功，稱為Mixed-in-Place Pile（簡稱MIP法），當(dāng)時(shí)樁徑為0.3~0.4 m，樁長為10.0~12.0 m；1953年日本引進(jìn)此法后進(jìn)行改良，并接連開發(fā)出機(jī)械規(guī)格和施工效率各異的攪拌機(jī)械。攪拌樁利用水泥作為固化劑，通過攪拌機(jī)械就地邊鉆進(jìn)攪拌、邊向軟土中噴射漿液或霧狀粉體，將軟土固化成為具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥加固土[1]。目前，國內(nèi)主要采用水泥作為固化劑材料，常用水泥摻入比為10%~20%，具體根據(jù)設(shè)計(jì)需求及原狀土指標(biāo)參數(shù)確定。一般來講，原狀土含水率越高、強(qiáng)度指標(biāo)越低，水泥摻入比越大，反之則越低。浙江東部沿海軟土地基加固時(shí)，常采取水泥攪拌樁方案，根據(jù)地基土的含水率設(shè)置水泥摻入比為15%~20%。

2 工程實(shí)例

2.1 概 況

臺州某海塘提標(biāo)改造工程位于臺州灣西側(cè)，自北向南，總長17.8 km，是浙江省海塘安瀾千億工程首批重點(diǎn)示范項(xiàng)目。工程實(shí)施后，可將防潮標(biāo)準(zhǔn)從50 a一遇提升至100 a一遇。

攪拌樁加固主要位于海塘內(nèi)坡、護(hù)塘河兩側(cè)護(hù)岸及閘站區(qū)域，主要目的是提高地基土抗剪強(qiáng)度及承載力，滿足地基穩(wěn)定需要。擬加固區(qū)地基性質(zhì)基本類似，主要由淤泥或淤泥質(zhì)黏土組成：天然含水率52.4%~60.4%，天然密度1.66~1.71 g/cm3，孔隙比1.460~1.667，壓縮模量1.51~1.99 MPa，飽和度99.0%~99.8%，塑性指數(shù)18.5~20.0，液性指數(shù)1.4~1.7，快剪強(qiáng)度粘聚力4~6 kPa，內(nèi)摩擦角1.8o~3.5o，水平滲透系數(shù)5.16×10-8~7.29×10-8cm/s，垂直滲透系數(shù)2.28×10-8~4.73×10-8cm/s，屬較為典型的東部沿海軟土地基特性。攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑60 cm，長10.0~15.0 m，水泥平均摻入比20%，采用雙向攪拌、噴漿施工法。

2.2 檢測數(shù)據(jù)

為研究攪拌樁強(qiáng)度變化特性，在齡期28、60、90、120、150 d，分別在17.8 km海塘沿線范圍的海塘內(nèi)坡處理區(qū)、護(hù)塘河處理區(qū)及閘站處理區(qū)隨機(jī)選取17根攪拌樁、159個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行鉆芯取樣檢測（水泥摻入比均為20%）。取樣位置見圖1[2]，攪拌樁強(qiáng)度檢測成果見表1~5[3-4]，樁身強(qiáng)度與深度的關(guān)系見圖2，樁身平均強(qiáng)度隨齡期增長曲線見圖3。

表2 60 d攪拌樁強(qiáng)度檢測成果表

表3 90 d攪拌樁強(qiáng)度檢測成果表

表5 150 d攪拌樁強(qiáng)度檢測成果表

圖1 攪拌樁取樣位置示意圖

圖2 攪拌樁樁身強(qiáng)度與深度關(guān)系圖

圖3 樁身平均強(qiáng)度隨齡期增長曲線圖

3 成果分析

3.1 樁身強(qiáng)度的離散性及其原因分析

攪拌樁樁身鉆芯取樣見圖4。

圖4 攪拌樁樁身鉆芯取樣圖

由圖2中17根攪拌樁、159個(gè)點(diǎn)的取樣分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，攪拌樁樁身強(qiáng)度普遍存在強(qiáng)度離散性問題，外觀上反映為鉆芯取樣不連續(xù)。由此可推測：數(shù)據(jù)離散性越大，芯樣外觀連續(xù)性也越差，兩者存在一定相關(guān)性。分析其可能的影響因素，可分別從地基土自身的物理性質(zhì)和攪拌樁技術(shù)特點(diǎn)2方面進(jìn)行論述。

1）地基土物理性質(zhì)。根據(jù)加固區(qū)地基土的物理參數(shù)分析結(jié)果（見表6），地基土自上而下不同土層的含水率、密度、孔隙比、飽和度以及快剪強(qiáng)度等參數(shù)均存在一定差異，而攪拌樁強(qiáng)度自上而下均存在明顯的離散性，可推測土層的上述物理參數(shù)差異與攪拌樁強(qiáng)度的離散性相關(guān)性較小。當(dāng)黏土的塑性指數(shù)大于25時(shí)，施工中容易在攪拌頭葉片上形成泥團(tuán)，使得固化劑與土無法充分拌和[1]，泥團(tuán)間的孔隙被水泥顆粒填滿，從而導(dǎo)致水泥摻入不均勻。本工程地基土之間、淤泥和黏土之間的塑性指數(shù)略低于25，但物理特性與上述情況類似。

表6 地基土物理特性表（十一塘）

2）攪拌樁技術(shù)特點(diǎn)。由于攪拌機(jī)械的切削攪拌作用，實(shí)際上不可避免地會留下一些未被粉碎的大小土團(tuán)，因此，在樁身中會產(chǎn)生強(qiáng)度較大、水穩(wěn)性較好的水泥土區(qū)和強(qiáng)度較低的土塊區(qū)，兩者在空間上相互交替，從而表現(xiàn)為鉆芯取樣不連續(xù)，強(qiáng)度離散大。

綜上所述，不論是地基土的塑性指數(shù)影響還是攪拌樁自身工藝影響，其最終均體現(xiàn)為攪拌均勻度的影響。攪拌越充分、土塊被粉碎得越小，水泥分布到土中越均勻，水泥土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的離散性越小，其宏觀的總體強(qiáng)度也越高[5]。

3.2 強(qiáng)度隨深度、齡期變化特性及影響因素分析

3.2.1 強(qiáng)度隨深度變化特性

由圖2可知，排除樁體強(qiáng)度離散性因素，在較短齡期條件下（28 d），攪拌樁樁身強(qiáng)度隨深度的變化特性較為一致且整體呈下降趨勢，隨著深度逐漸增加，樁身強(qiáng)度逐漸減小。在6.0~9.0 m深度范圍內(nèi)，樁身強(qiáng)度降低速率相對較緩；超出6.0~9.0 m范圍后，樁身強(qiáng)度則快速降低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，樁底處平均強(qiáng)度為樁頂處的35%~40%。在較長齡期條件下（60~150 d），各攪拌樁樁身強(qiáng)度隨深度的減小逐漸減弱，樁底處水泥土強(qiáng)度經(jīng)大幅增長后，其強(qiáng)度與樁頂強(qiáng)度趨于一致，與短齡期條件下的強(qiáng)度變化特性存在較大差異。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，樁底處平均強(qiáng)度可達(dá)到樁頂處的90%以上。

3.2.2 強(qiáng)度隨齡期變化特性

由圖3可知，攪拌樁樁身水泥土強(qiáng)度均值隨齡期的增長而增大，增長周期可至150 d或更長，與混凝土強(qiáng)度隨齡期的增長規(guī)律區(qū)別較大。28~60 d，水泥土強(qiáng)度增長幅度最為明顯；60~90 d，增長速度略有降低；90 d后，增長速度逐漸收斂，趨于平緩。此外，就樁身平均強(qiáng)度而言，60 d齡期約為28 d齡期的1.51倍，90 d齡期約為28 d齡期的1.67倍，150 d齡期約為90 d齡期的1.08倍，與GB/T 50783—2012《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》給出的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式吻合度較高。

3.2.3 影響因素分析

影響水泥土強(qiáng)度變化的因素較多，包括原狀土含水率、有機(jī)質(zhì)含量、水泥摻入比、水體pH值等，其中最為主要的是水泥摻入比。由于水泥攪拌樁以葉片攪拌為主，噴漿為輔，其噴漿壓力相比高壓旋噴樁小得多。通常注漿口壓力不超過0.6 MPa，這就使得在施工過程中，當(dāng)樁身達(dá)到一定深度以后，在地基土自身應(yīng)力作用下，有效注漿量減小，深度越深，注漿量減小越多，摻入比降低越明顯。

根據(jù)水泥摻入比和水泥土強(qiáng)度的關(guān)系，水泥土強(qiáng)度隨水泥摻入比的變化關(guān)系分為3個(gè)階段：水泥土強(qiáng)度的非反應(yīng)區(qū)、水泥土強(qiáng)度的反應(yīng)區(qū)和水泥土強(qiáng)度的惰性區(qū)[6]。水泥土強(qiáng)度的非反應(yīng)區(qū)即水泥摻入比不足的區(qū)段，一般為樁身較深處。其特征是水泥水化反應(yīng)程度較小，對水泥土強(qiáng)度的影響較小，從而導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度增長較慢，達(dá)到最終強(qiáng)度所需周期較長，即為較短齡期條件下，攪拌樁強(qiáng)度在一定深度后逐漸減小的原因。水泥土強(qiáng)度的反應(yīng)區(qū)、水泥土強(qiáng)度的惰性區(qū)分別為水泥摻入比合適、過度的區(qū)段，一般在樁身中部、樁頂。其特征是在反應(yīng)區(qū)，隨著水泥摻入比增加，水泥水化反應(yīng)增強(qiáng)，水泥土強(qiáng)度增長速度相比在非反應(yīng)區(qū)明顯增加；在惰性區(qū)，水泥摻入比過度，水泥土強(qiáng)度增長速度比反應(yīng)區(qū)仍有增加，但不明顯：上述即為攪拌樁中上部區(qū)段，水泥土短齡期條件下增長幅度大、強(qiáng)度較高，后期增長幅度放緩的原因。

4 結(jié) 語

通過研究和分析已實(shí)施工程的實(shí)際檢測數(shù)據(jù)，對浙東臺州灣海塘軟土地基中攪拌樁的強(qiáng)度變化特性得到以下結(jié)論：

1）攪拌樁樁身強(qiáng)度的離散性客觀存在且無法完全避免，為減小離散性，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)施工工藝控制和水泥攪拌均勻性控制。此外，為提高攪拌均勻度，還需針對攪拌機(jī)械，如攪拌頭的結(jié)構(gòu)型式等作進(jìn)一步研究。

2）攪拌樁的樁身強(qiáng)度變化與水泥摻入比的影響較為密切。由于攪拌樁噴漿壓力有限，對于攪拌樁設(shè)計(jì)樁長較深、施工完成后短期內(nèi)即投入運(yùn)行并有可能遭遇不利工況的情況，應(yīng)當(dāng)考慮隨深度增加，攪拌樁強(qiáng)度降低所引起的不利影響。

3）在以往方案設(shè)計(jì)中，受混凝土結(jié)構(gòu)特性影響，水泥土攪拌樁采用28 d齡期強(qiáng)度作為控制指標(biāo)較為普遍，這常造成檢測數(shù)據(jù)不符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求等問題。在后續(xù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能采用水泥土60 d及以上齡期強(qiáng)度。對于如何采用短齡期指標(biāo)推求其他長齡期指標(biāo)，GB/T 50783—2012《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》給出了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，經(jīng)對比，本工程實(shí)測數(shù)據(jù)與技術(shù)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式符合性較好，試驗(yàn)和檢測成果合理可靠。