雙向雙軸水泥攪拌樁加固軟土地基施工技術(shù)研究

張 莉

（福建筑廣建設(shè)工程有限公司，福建 福州 350000）

水泥攪拌樁加固技術(shù)是軟土地基加固中的一項(xiàng)重要技術(shù)，在大量工程的基礎(chǔ)工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。雙向雙軸水泥攪拌樁由于在成樁過(guò)程中借助安裝在設(shè)備上內(nèi)外同心桿上的2組攪拌葉片同時(shí)旋轉(zhuǎn)，相互配合，能極大地提高施工效率。與單軸水泥攪拌樁不同，雙向雙軸水泥攪拌樁增加旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)葉片，但也增加軟土地基施工時(shí)的擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，其鉆機(jī)速率、噴漿壓力、噴漿持續(xù)時(shí)間等控制參數(shù)會(huì)影響加固效果[2]。本文結(jié)合實(shí)際工程案例，借助數(shù)值模擬的手段，對(duì)雙向雙軸水泥攪拌樁的噴漿壓力、噴漿持續(xù)時(shí)間、樁長(zhǎng)和樁間距的變化影響展開(kāi)研究，研究成果可應(yīng)用于市政道路雙向雙軸水泥攪拌樁軟土復(fù)合地基的設(shè)計(jì)和施工。

1 工程概況

福州市某市政道路全長(zhǎng)1.50 km，里程為DK6+480~DK7+980，線路為雙向4 車道，設(shè)計(jì)速度為40 km/h。線路穿越區(qū)域?qū)儆诘湫秃ｊ懴鄾_淤積平原地貌單元，地表水系發(fā)達(dá)，河流溝渠交織、魚(yú)塘星羅棋布，廣泛分布有淤泥、淤泥質(zhì)土及軟弱黏性土。對(duì)路基產(chǎn)生較為明顯影響的主要有2 層軟土，分別為①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②黏土，均為淺埋型軟土。①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土含有貝屑、夾粉細(xì)砂薄層等，軟塑，厚度約2~7 m；②黏土呈可塑狀態(tài)，厚度約5~10 m。為了滿足承載力和工后沉降要求，設(shè)計(jì)采用直徑為600 mm、樁長(zhǎng)為12 m、樁間距為1 500 mm 的雙軸雙向水泥攪拌樁進(jìn)行加固，采用梅花形布置。

對(duì)場(chǎng)區(qū)的①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②黏土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)物理指標(biāo)測(cè)試，得到結(jié)果如表1 所示。從表1 中可知，①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②黏土均具有高液限、高含水量和高孔隙比的特點(diǎn)。土體的高液限使得其在地基碾壓過(guò)程中含水量大于最優(yōu)含水量，土體具有一定的流動(dòng)性、觸變性，無(wú)法得到有效壓實(shí)，高含水量和高孔隙比則使得土體易于壓縮、加載初期孔隙水壓力較大、后期沉降較大和力學(xué)抗剪性能差[3-6]。

表1 場(chǎng)區(qū)巖土的基本物理參數(shù)指標(biāo)

對(duì)場(chǎng)區(qū)的①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②黏土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)試，得到結(jié)果如表2 所示。從表2 中可知，①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②黏土均具有抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)。由于軟土的抗剪切強(qiáng)度大小與其排水邊界條件、加載速率（施工速率）、固結(jié)時(shí)間等各種因素有關(guān)，在較低的抗剪切強(qiáng)度條件下（≤60 kPa）如果不采取必要的地基加固和處理措施，很難達(dá)到工程承載力需求。

表2 場(chǎng)區(qū)巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)

2 雙向雙軸水泥攪拌樁加固施工參數(shù)的確定

為了確定雙向雙軸水泥攪拌樁加固施工參數(shù)，運(yùn)用數(shù)值模擬的手段建立三維計(jì)算模型，模型網(wǎng)格劃分如圖1 所示，圖中z 方向?yàn)橹亓Ψ较?。?jì)算時(shí)，①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②黏土物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)選取如表1 和表2 所示，①淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的彈性模量取10.53 MPa，泊松比取0.40，②黏土的彈性模量取14.23 MPa，泊松比區(qū)取0.35，水泥攪拌樁的樁周接觸面設(shè)置為徑向壓力和剪切力，樁底和樁頂不設(shè)置約束。

圖1 雙軸雙向水泥攪拌樁加固三維計(jì)算模型

雙軸雙向水泥攪拌樁在攪拌和噴射水泥漿的過(guò)程中，不可避免地對(duì)周圍軟弱土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使得軟土的顆粒發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的塑性位移和孔隙水壓力變化。為了研究這種變化，模擬計(jì)算設(shè)置4 種不同的噴射壓力、5 種不同的噴射持續(xù)時(shí)間，噴漿壓力分別為200 kPa、400 kPa、600 kPa 和800 kPa，噴漿持續(xù)時(shí)間分別為10、20、40、80 和160 s，對(duì)距離水泥攪拌樁不同距離處的位移、噴漿后土體不同時(shí)間內(nèi)的超孔隙水壓力進(jìn)行分析。雙軸雙向水泥攪拌樁周圍土體位移分布、土體超孔隙水壓力分布計(jì)算結(jié)果分別如圖2 和圖3 所示。

圖2 雙軸雙向水泥攪拌樁周圍土體位移分布

圖3 雙軸雙向水泥攪拌樁周圍土體超孔隙水壓力分布

從圖2 可以看出，不同噴漿壓力下水泥攪拌樁周圍土體位移隨著距徑比增加的變化規(guī)律大致相同，均呈指數(shù)降低的趨勢(shì)，在距徑比≤3.0 m時(shí)，噴漿壓力越大，水泥攪拌樁周圍土體越大；在距徑比＞3.0 m 時(shí)，噴漿對(duì)土體的擾動(dòng)基本可以忽略不計(jì)，不同噴漿壓力下的土體位移均接近于零。在實(shí)際工程中，噴漿壓力可以選擇為400 kPa，以滿足足夠的噴漿壓力形成合適直徑的樁體，同時(shí)又避免產(chǎn)生較大的土體擾動(dòng)。

圖3 為噴漿壓力為400 kPa 時(shí)，雙軸雙向水泥攪拌樁周圍土體超孔隙水壓力分布。從圖3可以看出，隨著距徑比的不斷增加，水泥攪拌樁周圍土體超孔隙水壓力在不同噴漿持續(xù)時(shí)間條件下的變化規(guī)律大致相同，均呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢(shì)，并不斷趨近于零。在同一距徑比條件下，隨著噴漿持續(xù)時(shí)間的增加，周圍土體超孔隙水壓力不斷增加，且在噴漿持續(xù)時(shí)間＜40 s 時(shí)，超孔隙水壓力的增幅較大；而噴漿持續(xù)時(shí)間≥40 s后，超孔隙水壓力的增幅較小。在實(shí)際工程中，可以選取噴漿時(shí)間為40 s，以滿足足夠的噴漿時(shí)間形成完整的樁體，同時(shí)又能滿足孔隙水壓力的快速消散。

為了確定軟土地基加固時(shí)間，雙向雙軸水泥攪拌樁的長(zhǎng)度和樁間距分別設(shè)置3 種不同的計(jì)算工況，其中樁長(zhǎng)度分別設(shè)置為10 、12 和14 m，樁間距分別設(shè)置為1.0 、1.5 和2.0 m。不同雙軸雙向水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的復(fù)合地基荷載沉降曲線計(jì)算結(jié)果如圖4 所示，不同雙軸雙向水泥攪拌樁樁間距的復(fù)合地基荷載沉降曲線如圖5 所示。

圖4 不同水泥攪拌樁樁長(zhǎng)的復(fù)合地基荷載-沉降量曲線

圖5 不同水泥攪拌樁樁間距的復(fù)合地基荷載-沉降量曲線

從圖4 可以看出，隨著荷載的不斷增加，復(fù)合地基的沉降量呈非線性增加的趨勢(shì)；在同一荷載下，隨著水泥攪拌樁長(zhǎng)的增加，復(fù)合地基的沉降量不斷減小，樁長(zhǎng)從10 m 增加到12 m時(shí)，復(fù)合地基的沉降降幅較大；而樁長(zhǎng)從12 m增加到14 m 時(shí)，復(fù)合地基的沉降降幅較小。

從圖5 可以看出，隨著荷載的不斷增加，復(fù)合地基的沉降量呈線性增加的趨勢(shì)；在同一荷載下，隨著水泥攪拌樁間距的增加，復(fù)合地基的沉降量不斷增加，樁間距從1.0 m 增加到1.5 m 時(shí)，復(fù)合地基的沉降增幅較??；而樁間距從1.5 m 增加到2.0 m 時(shí)，復(fù)合地基的沉降增幅較大。

3 雙向雙軸水泥攪拌樁加固施工工藝

雙軸雙向水泥攪拌樁是借助雙向攪拌機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，分別驅(qū)動(dòng)2 組攪拌葉片進(jìn)行雙向、雙軸攪拌，并在攪拌的過(guò)程中以水泥作為固化劑，不斷向土體中噴射水泥漿液，形成具有一定固結(jié)強(qiáng)度的復(fù)合地基，以改善軟弱土體的物理力學(xué)性質(zhì)。研究針對(duì)實(shí)際工程案例，選用PH-5 型雙軸雙向水泥攪拌樁設(shè)備，設(shè)備在內(nèi)鉆桿上設(shè)置正向旋轉(zhuǎn)葉片、噴漿口，外轉(zhuǎn)桿上設(shè)置反向旋轉(zhuǎn)葉片；水泥選用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水泥漿液的水灰比為0.65；鉆進(jìn)速度為0.6 ~1.0 m/min，噴漿攪拌時(shí)間為40 s，噴漿壓力為400 kPa，提升速度控制在0.8 ~1.5 m/min。主要的施工工藝如圖6 所示。

圖6 雙軸雙向水泥攪拌樁施工工藝流程

4 結(jié)語(yǔ)

（1）不同噴漿壓力下水泥攪拌樁周圍土體位移隨著距徑比增加的變化規(guī)律均呈指數(shù)降低的趨勢(shì)，距徑比＞3.0 時(shí)，不同噴漿壓力下的土體位移均接近于零；不同噴漿持續(xù)時(shí)間，水泥攪拌樁周圍土體超孔隙水壓力隨距徑比增加均呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢(shì)，并不斷趨近于零，噴漿持續(xù)時(shí)間＞40 s 后，超孔隙水壓力的增幅較小。

（2）隨著荷載的不斷增加，復(fù)合地基的沉降量呈非線性增加的趨勢(shì)，在同一荷載下，隨著水泥攪拌樁長(zhǎng)的增加，復(fù)合地基的沉降量不斷減??；隨著荷載的不斷增加，復(fù)合地基的沉降量呈線性增加的趨勢(shì)，在同一荷載下，隨著水泥攪拌樁間距的增加，復(fù)合地基的沉降量不斷增加。