污泥層置換砂樁套打水泥攪拌樁軟基處理技術(shù)

林強(qiáng)有，雷 斌，馬 馳，范少峰，童 心

（1、深圳市工勘巖土集團(tuán)有限公司 深圳 518000；2、鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司 深圳 518034；3、深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定中心 深圳 518051）

0 引言

城市建設(shè)迅猛發(fā)展，為了滿足日益增長(zhǎng)的用地需求，建筑物逐漸外延至更廣闊的地域中，如建造在濱海灘涂、圍海造地而成的海塘等軟土地基之上［1］。軟土的天然含水量高、孔隙比大、滲透系數(shù)小、抗剪強(qiáng)度低、地基沉降變形大、流變性顯著［2］，其地基承載力及沉降變形達(dá)不到上層建筑要求，需先經(jīng)加固處理，以提高軟弱土層的強(qiáng)度和承載力，減少工后沉降，為基坑開(kāi)挖和建筑施工提供工程條件。其中，水泥攪拌樁是軟基處理的一種常用方式［3］。

當(dāng)軟基區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜、地層含水豐富、分布有污泥軟弱層時(shí)，攪拌樁施工會(huì)出現(xiàn)水泥固化效果差等問(wèn)題，達(dá)到齡期后地基仍為“橡皮土”，處理后的成樁質(zhì)量無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究形成了“污泥層置換砂樁套打水泥攪拌樁軟基處理技術(shù)”，創(chuàng)新地提出在既定樁位通過(guò)預(yù)先施工小直徑?400 mm砂樁，用中粗砂置換污泥層中的腐殖質(zhì)，再以“小樁套打大樁”的形式將?800 mm 水泥攪拌樁套打在同樁位處的砂樁上，同時(shí)采用“四攪四噴”工藝，使水泥漿液直接并充分與中粗砂結(jié)合，形成水泥砂漿樁體，有效增強(qiáng)樁身強(qiáng)度，確保攪拌樁滿足設(shè)計(jì)要求。

1 工程概況

1.1 工程位置及規(guī)模

深圳某軟基處理工程位于深圳市寶安區(qū)福永街道，軟基面積11.3萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)采用水泥攪拌樁處理，設(shè)計(jì)直徑800 mm，樁中心間距1 300 mm，平均樁長(zhǎng)10 m，共66 990根。

根據(jù)地質(zhì)勘探揭示，該軟基區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜、地層含水豐富、地面以下5 m 為流塑狀炭黑色污泥填埋軟弱層，腐殖質(zhì)有機(jī)物含量高；淤泥層5～10 m 為黑褐色，主要由淤泥組成，呈流塑狀態(tài)；粉質(zhì)粘土層厚10.0～12.8 m，呈青灰色，主要成分為粉質(zhì)土、粘土，呈可塑狀態(tài)。

1.2 套打成樁設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

該項(xiàng)目軟基處理區(qū)域分4 個(gè)污泥片區(qū)，每個(gè)片區(qū)分為5～7個(gè)加固處理區(qū)塊，共23個(gè)區(qū)塊。研究采用砂樁置換污泥層，再套打大直徑水泥攪拌樁，設(shè)計(jì)砂樁直徑400 mm，平均樁長(zhǎng)6 m，水泥攪拌樁直徑800 mm，平均長(zhǎng)度10.5 m，樁中心間距1 300 mm，呈方形布置。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

由于項(xiàng)目軟基區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)水泥攪拌樁進(jìn)行處理固化效果差、成樁質(zhì)量差、樁體強(qiáng)度低，據(jù)此研究采用“污泥層置換砂樁套打水泥攪拌樁軟基處理技術(shù)”，通過(guò)預(yù)先施工砂樁，置換腐殖質(zhì)污泥層，再以“小樁套打大樁”的形式將水泥攪拌樁套打在同樁位處的砂樁上，采用“四攪四噴”工藝使固化劑與砂、土充分?jǐn)嚢?，確保攪拌樁滿足設(shè)計(jì)要求［4］，有效解決了腐殖質(zhì)有機(jī)物污泥層中傳統(tǒng)水泥攪拌樁施工固化效果差、成樁質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，達(dá)到施工快捷、綜合成本低、成樁質(zhì)量好的效果。

1.4 成樁檢測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，攪拌樁成樁后隨機(jī)抽取5%水泥攪拌樁進(jìn)行鉆芯檢測(cè)豎向承載力。報(bào)告顯示，抽取不同部位檢測(cè)，樁身完整性及強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，檢驗(yàn)實(shí)測(cè)值1 500 kPa＞理論值800 kPa，順利完成項(xiàng)目施工。

2 工藝介紹

2.1 適用范圍

⑴適用于有機(jī)物含量大于8%、呈流塑狀的污泥軟弱地基處理工程。

⑵適用于污泥質(zhì)土砂樁套打水泥攪拌樁軟弱地基處理工程。

2.2 工藝原理

水泥攪拌樁的加固效果主要與水泥漿液、加固介質(zhì)性狀、攪拌次數(shù)、水泥摻量等相關(guān)，本技術(shù)從研究水泥攪拌樁加固機(jī)理入手，通過(guò)在污泥內(nèi)施打砂樁，用中粗砂預(yù)先置換污泥層中的腐殖質(zhì)［5］，以改善污泥層性狀；同時(shí)，在砂樁位置再套成孔水泥攪拌樁，采用“四攪四噴”工藝，使攪拌樁中水泥漿液與置換的中粗砂在強(qiáng)制攪拌作用下，通過(guò)水化反應(yīng)固結(jié)為強(qiáng)度較高的水泥砂樁，從而有效提高攪拌樁單樁承載力［6］。另外，砂樁和水泥攪拌樁在施工時(shí)，其存在一定的擴(kuò)徑效應(yīng)，使得攪拌樁體以外的污泥性狀同步得到一定程度的改善［7］，大大提高了污泥層軟基區(qū)域整體加固處理效果。

2.2.1 砂樁設(shè)計(jì)

砂樁優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)水泥攪拌樁直徑和污泥性狀，經(jīng)多個(gè)砂摻合量試驗(yàn)分析和水泥攪拌樁后期成樁驗(yàn)證進(jìn)行確認(rèn)。本工程采用小直徑?400 mm砂樁，正方形布置，樁邊間距900 mm。在攪拌樁“四攪四噴”工藝條件下，可滿足水泥攪拌樁處理要求，最大程度節(jié)省采用大直徑砂樁的用砂量；砂樁樁長(zhǎng)設(shè)計(jì)穿透污泥層底，進(jìn)入淤泥層1 m，平均樁長(zhǎng)約6 m；砂料使用中粗砂，含泥量不大于10%。砂樁在沉管施工過(guò)程中，實(shí)際充盈系數(shù)達(dá)1.3，實(shí)際砂樁最大樁徑可達(dá)520 mm，樁邊間距780 mm。

砂樁置換處理效果剖面如圖1所示。

圖1 砂樁置換處理效果剖面示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sand Pile Replacement Treatment Effect Profile （mm）

2.2.2 水泥攪拌樁套打設(shè)計(jì)

砂樁完成后，在其樁中心進(jìn)行水泥攪拌樁套打成樁。套打水泥攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑800 mm，正方形布置，樁邊間距500 mm，水泥攪拌樁施工穿透淤泥層進(jìn)入下伏粉質(zhì)粘土層內(nèi)0.5 m，平均樁長(zhǎng)約10.5 m。水泥攪拌樁采用“四噴四攪”工藝，實(shí)際充盈系數(shù)達(dá)1.2，實(shí)際最大樁徑可達(dá)960 m，樁邊間距340 mm。

砂樁與水泥攪拌樁套打成樁處理效果剖面如圖2所示。

圖2 砂樁與套打水泥攪拌樁處理效果Fig.2 Effect of Sand Pile and Cement Mixing Pile Treatment （mm）

2.3 工藝流程

污泥層置換砂樁套打水泥攪拌樁軟基處理施工工藝流程如圖3所示。

圖3 施工工藝流程Fig.3 Construction Process Flow Chart

2.4 操作要點(diǎn)

2.4.1 施工準(zhǔn)備

⑴采用挖掘機(jī)、裝載機(jī)、自卸汽車等機(jī)械設(shè)備對(duì)軟基面層進(jìn)行清表、平整；對(duì)軟弱層采用砂石土填料進(jìn)行淺層換填、壓實(shí)［8］，保證施工機(jī)械、材料的進(jìn)場(chǎng)需求。

⑵按照現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求計(jì)劃，配備臨時(shí)用電設(shè)備、設(shè)施和相關(guān)作業(yè)人員。

⑶對(duì)軟基處理進(jìn)行分區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)加固區(qū)塊面積合理布置材料堆場(chǎng)與設(shè)備機(jī)具。

⑷根據(jù)控制點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)樁位布置圖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樁位測(cè)量與放樣；采用GPS 定位儀放置軸線樁，依據(jù)軸線樁與樁間距的關(guān)系進(jìn)行中間樁位的定點(diǎn)測(cè)量，并用白灰做標(biāo)記。

2.4.2 履帶式振動(dòng)沉管砂樁機(jī)就位

⑴傳統(tǒng)前后軸滾筒式振動(dòng)沉管打樁機(jī)，移機(jī)耗時(shí)較長(zhǎng)，為提高砂樁施工速度，采用自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的履帶式振動(dòng)沉管打樁機(jī)［9］，在樁機(jī)底座設(shè)置連接件與履帶固定，兩條行走履帶上分別安置電機(jī)馬達(dá)，以帶動(dòng)和控制樁機(jī)移位，縮短移機(jī)時(shí)間，提高施工效率。

⑵履帶式振動(dòng)沉管打樁機(jī)為DZJ-60 型，主要由振動(dòng)器、沉管、樁機(jī)架、履帶行走裝置等組成，該打樁機(jī)振動(dòng)器功率為60 kW，用于振動(dòng)和起拔沉管；主卷?yè)P(yáng)拉力為5 t，用于牽制振動(dòng)錘和沉管；副卷?yè)P(yáng)拉力為2 t，用于提升上料斗。

⑶將履帶式振動(dòng)沉管打樁機(jī)移位至樁位，樁機(jī)沉管底（樁尖）采用鋼制的四活瓣設(shè)計(jì)，提升則打開(kāi)，振動(dòng)下沉前將其合攏對(duì)中樁位，并調(diào)整好沉管垂直度。砂樁沉管底活瓣樁尖如圖4所示。

圖4 砂樁沉管底活瓣樁尖Fig.4 Sand Pile Sinking Pipe Bottom Valve Pile Tip

2.4.3 砂樁施工

⑴打樁機(jī)就位后，啟動(dòng)振動(dòng)錘，沉管開(kāi)始下沉。根據(jù)沉管上已標(biāo)記的刻度標(biāo)尺，判斷沉管下沉深度，到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后向沉管內(nèi)灌注砂料。

⑵采用料斗向沉管內(nèi)灌注砂料，灌注前利用小型裝載機(jī)輔助上料至料斗，通過(guò)副卷?yè)P(yáng)提升至沉管進(jìn)料口處下料，一次性將砂灌滿至砂樁所需用量為止。

⑶砂料灌注后，振動(dòng)并提升沉管使砂料在重力作用下充盈樁孔，直至拔出地面。提管過(guò)程中，通過(guò)敲擊套管壁判斷套管內(nèi)砂的位置，保證灌砂率滿足設(shè)計(jì)要求，確保樁徑擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到約1.3。料斗提升上料如圖5所示。

圖5 沉管料斗提升上料Fig.5 Lifting and Loading of Immersed Tube Hopper

2.4.4 砂樁機(jī)移位

⑴單根砂樁施工完成后，將打樁機(jī)按照既定的施工順序移位至下一樁位。

⑵砂樁施工采用退后式分片、分區(qū)施工，完成一部分區(qū)域后轉(zhuǎn)場(chǎng)至下一區(qū)域。

2.4.5 場(chǎng)地二次平整及測(cè)放樁位

⑴砂樁施工完成后，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行二次平整，以滿足施工現(xiàn)場(chǎng)水泥漿配漿設(shè)備、材料存放、攪拌機(jī)移位等要求，并在水泥攪拌樁分區(qū)外邊線開(kāi)挖臨時(shí)排水溝。

⑵場(chǎng)地平整完成后，再次根據(jù)測(cè)定的樁位軸線測(cè)放水泥攪拌樁樁位。

2.4.6 雙動(dòng)力頭水泥攪拌樁機(jī)就位

⑴為加快攪拌樁施工進(jìn)度，現(xiàn)場(chǎng)采用PH-5型雙動(dòng)力頭水泥攪拌樁機(jī)。該鉆機(jī)總功率110 kW，行走方式為液壓步履式。水泥攪拌機(jī)連接泥漿流量記錄儀，通過(guò)電子控制注漿量，避免人工計(jì)量誤差。

⑵水泥攪拌樁機(jī)與已放樣樁位點(diǎn)對(duì)中，就位時(shí)保證攪拌軸垂直度偏差不大于1%。

2.4.7 水泥攪拌樁四噴四攪施工

⑴鉆機(jī)就位后，按照試樁后的參數(shù)，取水灰比0.55 進(jìn)行水泥漿液配制，摻入水泥量15%，通過(guò)漿液攪拌機(jī)攪拌系統(tǒng)自動(dòng)配制，單根樁的水泥漿需求量一次攪拌配制完成。水泥攪拌機(jī)連接泥漿流量記錄儀，電子控制注漿量，注漿管路總長(zhǎng)不超過(guò)50 m。漿液攪拌機(jī)攪拌系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 漿液攪拌機(jī)攪拌系統(tǒng)Fig.6 Slurry Mixer Mixing System

⑵漿液配制就續(xù)，啟動(dòng)鉆機(jī)預(yù)攪下沉鉆進(jìn)，邊鉆進(jìn)邊噴漿，鉆進(jìn)速度控制在0.5 m/min～0.8 m/min［10］，鉆頭到達(dá)設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后持續(xù)勻速噴漿30 s，確保樁底土層與水泥漿液充分拌合均勻、密實(shí)。

⑶第一次鉆進(jìn)攪噴完成后，緩慢提升鉆桿，邊提升邊噴漿，提升速度控制在0.4 m/min～0.6 m/min，以保證噴漿量均勻，直至提升鉆桿至工作基準(zhǔn)面。

⑷重復(fù)一次下沉攪拌噴漿、提升攪拌噴漿，完成四攪四噴作業(yè)，單根水泥攪拌樁施工完畢。水泥攪拌樁施工如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)水泥攪拌樁施工Fig.7 Construction of On-site Cement Mixing Piles

2.4.8 水泥攪拌機(jī)移位

⑴攪拌樁機(jī)施工完畢后，將鉆桿和鉆頭提升出工作面，迅速移機(jī)至下一樁位。

⑵就位時(shí)調(diào)節(jié)樁架垂直度和對(duì)中樁位，滿足要求后進(jìn)行下一組攪拌樁施工。

2.4.9 養(yǎng)護(hù)及成樁檢驗(yàn)

⑴置換型砂樁套打水泥攪拌樁采用自然養(yǎng)護(hù)方式，7 d 后檢驗(yàn)樁體外觀質(zhì)量，以人工配合小型挖掘機(jī)開(kāi)挖，樁頭通過(guò)人工清理。

⑵現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)際最大樁徑960 mm，充盈系數(shù)達(dá)1.2，滿足設(shè)計(jì)要求。置換型砂樁套打水泥攪拌樁成樁外觀檢驗(yàn)如圖8所示。

圖8 成樁外觀效果Fig.8 Appearance Effect of Pile Formation

⑶置換型砂樁套打水泥攪拌樁20～28 d后進(jìn)行鉆芯檢測(cè)，采用地質(zhì)鉆機(jī)對(duì)水泥攪拌樁鉆芯取樣，檢查樁體均勻程度；檢驗(yàn)實(shí)測(cè)值1 500 kPa＞理論值800 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 工藝特點(diǎn)

3.1 施工工效高

本技術(shù)采用污泥層中置換砂樁套打水泥攪拌樁施工工藝，砂樁施工采用履帶式振動(dòng)沉管打樁機(jī)，鉆機(jī)移位便利，施工效率高；同時(shí)，水泥攪拌樁采用雙動(dòng)力頭鉆機(jī)雙樁同步施工，成樁速度快；另外，砂樁與水泥攪拌樁分片、分區(qū)、流水組織作業(yè)，工序銜接有序，整體處理施工便捷高效。

3.2 有效提高樁體質(zhì)量

本技術(shù)采用砂樁對(duì)流塑狀腐殖質(zhì)污泥進(jìn)行置換，改善了污泥層中有機(jī)質(zhì)土性狀，再在砂樁中套打水泥攪拌樁，并采用“四攪四噴”工藝，使置換后砂土與水泥漿液充分均勻攪拌結(jié)合成樁，樁身材料以水泥砂漿為主，強(qiáng)度高，保證了樁體成樁質(zhì)量，進(jìn)一步提高了軟基處理效果。

3.3 綜合成本低

本技術(shù)采用小直徑置換砂樁套打水泥攪拌樁處理腐殖質(zhì)污泥層，用砂量小，節(jié)省原材耗費(fèi)，同時(shí)還避免了采用加密水泥攪拌樁間距或增大水泥摻量等處理措施，節(jié)省了額外處理費(fèi)用；另外，采用履帶式砂樁機(jī)和雙動(dòng)力雙樁攪拌施工工藝，加快了處理進(jìn)度，降低了總體施工成本。

4 結(jié)語(yǔ)

污泥層置換砂樁套打水泥攪拌樁軟基處理施工技術(shù)針對(duì)腐殖質(zhì)有機(jī)物污泥層中傳統(tǒng)水泥攪拌樁施工固化效果差、成樁質(zhì)量難以保證等問(wèn)題，通過(guò)在污泥內(nèi)預(yù)先施工小直徑砂樁，用中粗砂置換污泥層中腐殖質(zhì)，同時(shí)以“小樁套打大樁”的形式，將水泥攪拌樁套打在同樁位處的砂樁上，采用“四攪四噴”工藝，置換后砂土與水泥漿液充分均勻攪拌結(jié)合成樁，有效增強(qiáng)樁身強(qiáng)度，確保攪拌樁滿足設(shè)計(jì)要求［11］。相較于傳統(tǒng)方法，本技術(shù)在成樁質(zhì)量、工序管理、生產(chǎn)效率、施工成本控制等方面都突顯出了顯著的成效，既可適應(yīng)于地基承載力不足的軟土地基基礎(chǔ)處理工程中，也可應(yīng)用于深厚軟土上采用剛性樁基礎(chǔ)的泵站、水閘及船閘等穿堤建筑物的防滲工程中，未來(lái)將在我國(guó)沿海地區(qū)工程中得到大力推廣應(yīng)用，進(jìn)一步提升工程效益。