雙向水泥攪拌樁在杭嘉湖平原軟基處理中的應(yīng)用研究

魏自富，劉燦 （中交水利水電建設(shè)有限公司，浙江 寧波 315200）

1 引言

浙江省軟土主要分布在浙北、浙東平原區(qū)，軟土質(zhì)層具有高含水率、弱透水性、大孔隙比、低抗剪強(qiáng)度等工程特性，不能滿足市政道路等工程建設(shè)需要，需采取加固處理措施。路基的穩(wěn)定性是市政道路工程建設(shè)的關(guān)鍵，如果軟基處理不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響施工過程中的質(zhì)量和安全，造成邊坡失穩(wěn)滑塌、道路不均勻沉降等危害，增加市政道路使用過程中的安全隱患及后期運(yùn)營維護(hù)成本。目前軟基處理方法主要包括換填法、排水固結(jié)法、就地固化法、水泥攪拌樁法、高壓噴射注漿法、剛性樁法、輕質(zhì)路堤法等，這些處理方法有各自的優(yōu)勢和適用特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)軟基處理效果，滿足工程建設(shè)需要。其中水泥攪拌樁法是應(yīng)用較為廣泛、施工難度低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用性較高的處理措施，根據(jù)軟土含水率的不同，分為噴粉、噴漿兩種工藝，分別采用干噴法、濕噴法施工。本文以濕噴法水泥攪拌樁為例，對(duì)比分析現(xiàn)有施工技術(shù)，采用調(diào)整雙向水泥攪拌樁施工技術(shù)參數(shù)等措施，解決了穿越粉土、黏土及粉質(zhì)黏土等夾層下水泥攪拌樁施工的技術(shù)難題，較好地解決了攪拌樁成樁質(zhì)量問題，提高了攪拌樁施工質(zhì)量一次合格率。

2 水泥攪拌樁現(xiàn)有技術(shù)分析

2.1 加固機(jī)理及特點(diǎn)

水泥攪拌樁在軟基處理和加固中是以水泥、水的配制液作為主要固化劑，也可采用多種固化材料的混合物，以及根據(jù)工程需要和土質(zhì)條件摻加減水劑、早強(qiáng)劑等外摻劑，采用水泥攪拌樁施工機(jī)械，把已經(jīng)拌制好的水泥漿噴入軟土地基并進(jìn)行強(qiáng)制攪拌混合，使得基土和水泥漿等固化劑之間發(fā)生充分的物理化學(xué)反應(yīng)，改變?cè)型馏w構(gòu)造，降低軟土地基的壓縮性和塑性，黏結(jié)形成較高強(qiáng)度的柱狀等水泥加固土，與樁間土共同承擔(dān)上部荷載，使得軟土的地基轉(zhuǎn)變成為具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的復(fù)合型地基，從而達(dá)到提高地基承載力、減小地基沉降量或者防止土體側(cè)向滑動(dòng)的目的。

水泥攪拌樁復(fù)合地基樁土之間形成的增強(qiáng)體起到加筋作用，同時(shí)還對(duì)周圍土體產(chǎn)生一定程度的擠密和排水固結(jié)作用，增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，結(jié)合基礎(chǔ)及土工格柵碎石墊層等水平加筋墊層的調(diào)節(jié)能力，使樁土共同起到承載作用。相關(guān)研究表明，影響水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力的主要因素有面積置換率、地基土性、樁長和面周比，適當(dāng)?shù)脑黾用娣e置換率、樁長可有效提高水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力，較小面周比的攪拌樁具有較高的單樁承載力特征值；在同一地基土性條件下，面積置換率、樁長相同時(shí)，面周比較小的單軸攪拌樁的單樁承載力特征值高于雙軸攪拌樁。

2.2 現(xiàn)有施工技術(shù)對(duì)比分析

水泥攪拌樁根據(jù)單次施工加固范圍不同可分為單軸、雙軸、三軸及以上，根據(jù)單次鉆進(jìn)成樁數(shù)量的不同可分為單樁、雙樁（非咬合樁），根據(jù)鉆頭攪拌葉片旋轉(zhuǎn)方向的不同可分為單向、雙向、多向攪拌，根據(jù)鉆頭結(jié)構(gòu)不同主要分為單鉆桿＋葉片結(jié)構(gòu)、內(nèi)外同心鉆桿＋葉片結(jié)構(gòu)、單鉆桿＋齒輪系＋葉片結(jié)構(gòu)，其中雙向水泥土攪拌樁機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)裝置的不同可分為單電機(jī)、雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)；按照鉆桿外截面形狀可分為圓形鉆桿、方形鉆桿，采用圓形鉆桿的攪拌樁返漿量小于方形鉆桿的攪拌樁，前者有效摻灰量大?，F(xiàn)有施工技術(shù)對(duì)比分析如表1所示。

表1 現(xiàn)有施工技術(shù)對(duì)比分析

3 工程概況

南太湖某路網(wǎng)項(xiàng)目地貌分區(qū)屬浙北平原區(qū)堆積地貌沖湖海積平原，地勢平坦。根據(jù)浙江省軟土分區(qū)，屬于杭嘉湖平原軟土分布區(qū)，勘察期間場地主要為農(nóng)田、池塘、荒地、河道、村莊等，本工程道路市政工程重要性等級(jí)為二級(jí)，場地復(fù)雜程度等級(jí)二級(jí)，巖土條件復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)，道路等級(jí)為城市支路，設(shè)計(jì)時(shí)速為30km/h，標(biāo)準(zhǔn)路幅寬度25m。試驗(yàn)段場地勘察報(bào)告揭示的地質(zhì)土層自上而下情況如表2所示。

表2 地質(zhì)土層情況及特性

4 軟基處理設(shè)計(jì)

結(jié)合地勘資料、道路等級(jí)、填方高度、設(shè)計(jì)荷載等，并結(jié)合當(dāng)?shù)剀浕幚斫?jīng)驗(yàn)及本項(xiàng)目軟土層特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)對(duì)道路軟基路段采用單軸雙向水泥攪拌樁進(jìn)行處理，試驗(yàn)段軟基處理攪拌樁持力層主要位于第④層粉土層。水泥攪拌樁的樁徑為0.5m，一般路段有效樁長10m，橋頭30m 范圍樁心距采用1.1m，一般路段樁心距采用1.5m，橋頭路段與一般路段之間設(shè)置30m 過渡段，樁心距1.3m，樁位在平面上呈等邊三角形布置。樁體設(shè)計(jì)摻灰量55kg/m，水泥采用42.5MPa 普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.45～0.55。

圖1 水泥攪拌樁平面布置圖

為了增加攪拌樁水泥漿液的和易性和穩(wěn)定性，提高早期強(qiáng)度，在軟土的天然含水量較高段，在有條件的情況下制備水泥漿時(shí)可以考慮摻加高效減水劑或早強(qiáng)劑（設(shè)計(jì)不做強(qiáng)制要求），摻量由室內(nèi)配合比試驗(yàn)確定。

樁體施工工藝采用2 噴4 攪（見圖2），每個(gè)作業(yè)點(diǎn)施工前必須先打不少于5 根的工藝試驗(yàn)樁，以檢驗(yàn)機(jī)具性能及施工工藝中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。成樁28天后對(duì)樁體取芯，進(jìn)行室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，樁體28 天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度＞1.0MPa，采取復(fù)合地基靜載試驗(yàn)對(duì)雙向水泥土攪拌樁進(jìn)行復(fù)合地基承載力檢驗(yàn)，處理后的符合地基承載力要求不小于100kPa，復(fù)合地基承載力檢測頻率為總樁數(shù)1.0%，取芯0.5%，并不得少于3根。

圖2 “2噴4攪”工藝流程

圖3 一般路段水泥攪拌樁立面圖

路基填筑須在攪拌樁施工完養(yǎng)護(hù)1個(gè)月后進(jìn)行，水泥攪拌樁樁頂鋪設(shè)30cm 級(jí)配碎石墊層，中間鋪土工格柵，級(jí)配碎石最大粒徑不大于31.5mm，壓實(shí)度不小于97%，土工格柵縱、橫向抗拉強(qiáng)度大于80kN/m，延伸率不大于3%。

5 施工設(shè)備及技術(shù)參數(shù)選擇

5.1 主要設(shè)備配置

雙向攪拌工藝選取SJB-II 型單軸雙向水泥攪拌樁機(jī)（雙頭），鉆頭采用兩組正反方向葉片，主要施工機(jī)械設(shè)備配置如表3所示。

表3 主要機(jī)械設(shè)備配置表

5.2 施工技術(shù)參數(shù)選擇

按照設(shè)計(jì)要求，在作業(yè)點(diǎn)水泥攪拌樁施工前，選取5 根樁呈梅花型布置，進(jìn)行工藝性試樁，采用42.5MPa 普通硅酸鹽水泥（散裝）進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn)，最終選定水泥攪拌樁施工技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 水泥攪拌樁主要技術(shù)參數(shù)表

6 雙向水泥攪拌樁技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)檢測

成樁28 天后，對(duì)各作業(yè)點(diǎn)已施工完成部分的水泥攪拌樁進(jìn)行取芯和復(fù)合地基承載力試驗(yàn)檢測，試驗(yàn)檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表5所示。

表5 水泥攪拌樁一次性合格率統(tǒng)計(jì)表

6.2 原因分析及要因確定

在采用選定的機(jī)械設(shè)備和技術(shù)參數(shù)進(jìn)行施工的水泥攪拌樁，其一次性合格率最低為74.5%，距離一次性合格率≥90%的質(zhì)量目標(biāo)還有很大差距。為提高水泥攪拌樁施工質(zhì)量一次性合格率，對(duì)施工質(zhì)量檢驗(yàn)記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照質(zhì)量缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理，如表6 可知，影響水泥攪拌樁施工質(zhì)量一次性合格率的主要癥結(jié)是樁體強(qiáng)度不足和樁體不均勻。

表6 水泥攪拌樁施工質(zhì)量缺陷調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

在試驗(yàn)段穿越粉土、黏土及粉質(zhì)黏土等夾層下水泥攪拌樁施工過程中，對(duì)可能產(chǎn)生樁體強(qiáng)度不足和樁體不均勻的各個(gè)影響因素進(jìn)行逐個(gè)驗(yàn)證，確定導(dǎo)致樁體強(qiáng)度不足和樁體不均勻問題產(chǎn)生的主要原因是鉆頭選型及操控不當(dāng)、注漿壓力不匹配，提出了針對(duì)性的解決措施，并進(jìn)行目標(biāo)驗(yàn)證。

6.3 實(shí)施對(duì)策

6.3.1 設(shè)備選型及操控

6.3.1.1 方案對(duì)比

從鉆頭選型和樁機(jī)鉆進(jìn)、提升速度控制兩個(gè)方面落實(shí)對(duì)策，制定方案并進(jìn)行方案結(jié)果對(duì)比，如表7所示。

表7 設(shè)備選型及操控對(duì)策落實(shí)方案對(duì)比

6.3.1.2 解決措施

①施工前交底，明確樁機(jī)鉆頭型號(hào)

樁機(jī)進(jìn)場前，對(duì)樁機(jī)班組所有人員進(jìn)行交底，要求必須使用選定的樁機(jī)鉆頭型號(hào)。

②不定期抽查

水泥攪拌樁施工全過程中，管理人員需旁站監(jiān)督，并不定期抽查樁機(jī)鉆進(jìn)、提升速度，穿過特殊土層時(shí)要求作業(yè)人員必須減緩鉆進(jìn)速度。

6.3.2 注漿壓力確定

6.3.2.1 方案對(duì)比

在淤泥質(zhì)土質(zhì)下，選取8m 的樁為試驗(yàn)對(duì)象，分別采用[0.1～0.3）MPa、[0.3～0.5）MPa、[0.5～0.7）MPa 三種壓力進(jìn)行對(duì)比，如表8所示。

表8 淤泥質(zhì)土注漿壓力結(jié)果對(duì)比

由表8 可知：①注漿壓力為[0.1～0.3）MPa 時(shí)，實(shí)際水泥漿用量低于設(shè)計(jì)用量，但檢測合格率偏低；②注漿壓力為[0.3～0.5）MPa 時(shí)，水泥漿用量在容許偏差范圍內(nèi)，檢測合格率滿足目標(biāo)要求；③注漿壓力為[0.5～0.7）MPa 時(shí)，檢測合格率滿足目標(biāo)要求，但水泥漿液用量超出設(shè)計(jì)用量，導(dǎo)致成本增加，經(jīng)濟(jì)效益下降。

因此，在淤泥質(zhì)土下，注漿壓力為[0.3～0.5）MPa 時(shí)，既達(dá)到了對(duì)策目標(biāo)又節(jié)省了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

另選取一批8m 的樁為試驗(yàn)對(duì)象，穿過淤泥質(zhì)土?xí)r均采用[0.3～0.5）MPa，在穿過粉土、黏土及粉質(zhì)粘土等夾層時(shí)（可根據(jù)鉆進(jìn)是否卡頓、鉆進(jìn)速度變化、電流變化來判斷），分別采用[0.1～0.3）MPa、[0.3～0.5）MPa、[0.5～0.7）MPa 三種壓力進(jìn)行對(duì)比，注漿壓力對(duì)比結(jié)果如表9所示。

表9 含夾層土注漿壓力結(jié)果對(duì)比

由表9 可知：①注漿壓力為[0.1～0.3）MPa、[0.3～0.5）MPa 時(shí)，檢測合格率偏低，達(dá)不到目標(biāo)要求；②注漿壓力為[0.5～0.7）MPa 時(shí)，檢測合格率滿足目標(biāo)要求。

因此，在穿過粉土、黏土及粉質(zhì)粘土等夾層時(shí)，注漿壓力需提升至為[0.5～0.7）MPa，并減小鉆進(jìn)速度，以確保成樁效果。

6.3.2.2 解決措施

①通過增設(shè)壓力表，確保每次抽泵頻率均勻

通過配備顯示管道壓力的壓力表和計(jì)量水泥噴入量的流量計(jì)，安排專人督查壓力表、流量計(jì)，確保噴漿壓力穩(wěn)定在[0.3～0.5）MPa，噴漿量穩(wěn)定。

②穿越夾層時(shí)提升注漿壓力，減緩鉆進(jìn)速度

當(dāng)水泥攪拌樁打設(shè)過程中鉆進(jìn)受阻、樁機(jī)晃動(dòng)、電流明顯波動(dòng)時(shí)，提升注漿壓力至[0.5～0.7）MPa，并減緩鉆進(jìn)速度。

6.3.3 施工技術(shù)參數(shù)調(diào)整

根據(jù)實(shí)施對(duì)策的方案比選結(jié)果及針對(duì)性的解決措施，對(duì)施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如表10所示。

表10 調(diào)整后施工技術(shù)參數(shù)

6.4 效果檢查

對(duì)策實(shí)施后，對(duì)本工程后續(xù)水泥土攪拌樁施工質(zhì)量的一次合格率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共檢測72 項(xiàng)次，強(qiáng)度不足與樁體不均勻的缺陷均未出現(xiàn)，而其他缺陷累計(jì)出現(xiàn)6次，如表11所示。

表11 對(duì)策實(shí)施后水泥攪拌樁施工質(zhì)量一次合格率統(tǒng)計(jì)表

對(duì)策實(shí)施后，水泥攪拌樁施工質(zhì)量一次合格率提高至90%以上，達(dá)到質(zhì)量管理目標(biāo)，減少補(bǔ)樁工作，對(duì)工程總體質(zhì)量、進(jìn)度控制提供了有效保障，同時(shí)獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)語

杭嘉湖平原軟土地質(zhì)情況復(fù)雜，南太湖市政道路建設(shè)采用單軸雙向水泥攪拌樁2噴4攪濕噴法施工工藝時(shí)，通過對(duì)樁體強(qiáng)度不足和樁體不均勻兩個(gè)主要質(zhì)量缺陷的量化分析，制定設(shè)備選型及操控、注漿壓力確定對(duì)比方案，調(diào)整施工技術(shù)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，解決了穿越硬夾層下水泥攪拌樁施工的技術(shù)難題，使水泥漿液與土體攪拌均勻，減少了樁身強(qiáng)度沿樁長的離散型，較好地解決了攪拌樁成樁質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)效。