水泥深層攪拌法在水庫(kù)軟基加固中的應(yīng)用

吳有生

(陜西省寶雞峽管理局 扶風(fēng)總站,陜西 扶風(fēng) 722200)

水泥深層攪拌法是利用水泥作為主要固化劑,通過(guò)深層攪拌機(jī)械在地基深部將軟土和固化劑強(qiáng)制拌和,提高軟土地基強(qiáng)度。水泥深層攪拌法根據(jù)水泥摻加時(shí)的狀態(tài)可分為:噴漿型攪拌法和噴粉型攪拌法[1,2]。加固軟土地基技術(shù)源于二次世界大戰(zhàn)后的美國(guó),我國(guó)自1978年開始研究,1980年在上海寶鋼軟土地基加固處理中得到應(yīng)用。實(shí)踐證明,該方法具有施工簡(jiǎn)單、速度快、施工效率高等特點(diǎn)特別適用于工期緊或早期強(qiáng)度要求較高的工程。與其他處理方法相比,水泥深層攪拌法還能夠有效地減少和控制沉降量和工后沉降量,具有較好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 水泥深層攪拌法的加固原理

水泥深層攪拌法利用深層攪拌機(jī)械,沿深度將固化劑(水泥漿或水泥粉,外摻一定的添加劑)與地基土強(qiáng)制攪拌,通過(guò)固化劑與地基土之間的一系列物理、化學(xué)作用,使地基土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性、較低滲透性和一定強(qiáng)度的水泥土體(CSS)。土質(zhì)不同,其加固機(jī)理也有所差別。對(duì)于砂性土,水泥土的固化原理類似于水泥砂漿,具有很高的強(qiáng)度,固化時(shí)間也較短;對(duì)于粘性土,由于水泥摻量較小,水泥的水解和水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的土體圍繞下進(jìn)行的,所以土質(zhì)條件對(duì)于攪拌樁樁身質(zhì)量(主要包括樁身水泥土攪拌均勻性和水泥土成型強(qiáng)度兩方面)的影響較大[3,4]。

2 信邑溝水庫(kù)壩坡培厚施工設(shè)計(jì)及工藝

2.1 信邑溝水庫(kù)基本情況

位于渭河三級(jí)支流美陽(yáng)河上,距離扶風(fēng)縣城東北7.5 km,是寶雞峽灌區(qū)渠庫(kù)結(jié)合工程之一,攔河壩為均質(zhì)土壩,總庫(kù)容3705×104m3。大壩在1998年的安全鑒定中被鑒定為三類壩,需要對(duì)大壩上、下游進(jìn)行培厚加固。

壩前飽和淤泥土層5 m以上基本無(wú)承載力,5 m以下基本承載力f0僅為50 kPa,故需要對(duì)上游壩坡培厚體壩基進(jìn)行處理。通過(guò)分析比較及使用條件分析,本工程壩基處理措施選用了深層攪拌法,主要是基于以下三方面的考慮:①水泥攪拌樁可以作為淤泥開挖基坑圍封的支擋結(jié)構(gòu);②水泥攪拌樁可以作為培厚部分的壩腳阻滑體;③水泥攪拌樁在淤泥開挖基坑前可形成一道防滲帷幕,便于換填土施工。

根據(jù)信邑溝水庫(kù)壩前淤泥特性(表1)及分析計(jì)算,軟基宜采用兩排直徑1.0 m,厚1.9 m,深16 m(伸入原壩坡 8 m)的水泥漿攪拌連續(xù)壁狀式擋墻進(jìn)行圍封清淤。計(jì)算樁體抗壓強(qiáng)度 fy取值為3.0MPa,抗拉強(qiáng)度 fu取值 1.08MPa,抗剪強(qiáng)度τy取值0.8MPa。

表1 信邑溝水庫(kù)壩前淤泥特性

2.2 室內(nèi)配合比試驗(yàn)

為了確定水泥摻入量、水灰比、最佳外加劑對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響,首先進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn),求得齡期與強(qiáng)度關(guān)系,從而為設(shè)計(jì)計(jì)算和施工工藝提供可靠的參數(shù)。

試驗(yàn)加固料選用秦嶺牌普通硅酸鹽水泥P042.5R,摻入比8%、12%、16%、20%,淤泥土水灰比 0.4 、0.45 、0.5,壩體土水灰比1.61、1.66、1.71。試驗(yàn)結(jié)果表明:①水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度影響甚微,而土體自身含水率變化(18.4%～64.4%)卻對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大。②壩體中水泥土強(qiáng)度隨水泥摻量的增加時(shí)有波動(dòng),主要是因?yàn)樘烊煌馏w含水率較小(平均含水率21.4%),密度較大(ρ=2.04 t/m3),攪拌時(shí)土體不易分散,難以均勻等原因造成的。③淤泥土強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而增大,但增長(zhǎng)幅度呈遞減趨勢(shì);此外,淤泥土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng),其90 d抗壓強(qiáng)度較28 d抗壓強(qiáng)度增大23.8%～44.9%。④試驗(yàn)配比成型的水泥土滲透系數(shù)均在10×10-9cm/s～9.0×10-9cm/s之間變化,其抗?jié)B性能已接近或超過(guò)S4標(biāo)準(zhǔn),隨齡期的增長(zhǎng)滲透系數(shù)略有減少。⑤各種配合比淤泥水泥土90 d抗壓強(qiáng)度介于0.41MPa～3.85MPa之間,抗拉強(qiáng)度介于0.09MPa～0.13MPa之間,粘聚力介于0.372MPa～1.617MPa之間,內(nèi)摩擦角介于 20.69°～29.97°之間。 表2給出了水灰比為0.45、水泥摻量20%的淤泥水泥土各項(xiàng)指標(biāo)。

表2 壩前淤泥水泥土各項(xiàng)指標(biāo)

2.3 現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn)

由于深層攪拌樁成型受施工現(xiàn)場(chǎng)水文、土質(zhì)以及環(huán)境因素影響較大,因此樁體成型的強(qiáng)度指標(biāo)與室內(nèi)水泥土試驗(yàn)的結(jié)果差別較大。所以,在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,還必須結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),尋求特定條件下深層攪拌樁的特性,以確定施工工藝和外加劑對(duì)于水泥土的影響。

現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn)采用的設(shè)備為PH-6型深層攪拌機(jī),直徑500mm,采用室內(nèi)試驗(yàn)的配合比成樁墻10 m。經(jīng)開挖驗(yàn)樁及鉆機(jī)取芯檢測(cè)可見(jiàn),樁體多不成型,水泥摻入量20%的90 d抗壓強(qiáng)度僅為0.94MPa,僅達(dá)到室內(nèi)強(qiáng)度3.85MPa的24.4%,與設(shè)計(jì)要求的抗壓強(qiáng)度3MPa(90 d)相差較大。

鑒于野外成樁試驗(yàn)存在成樁不理想、抗壓強(qiáng)度低的問(wèn)題,以及野外成樁淤泥含水率高、現(xiàn)場(chǎng)攪拌不均勻、現(xiàn)有機(jī)械型號(hào)局限等因素限制,將原設(shè)計(jì)方案的水泥漿攪拌改為水泥粉攪拌;采用14排Φ 50mm厚5.7 m深9.25m的格柵狀重力式擋墻,替代原設(shè)計(jì)方案的兩排直徑1.0m,厚1.9 m,深16 m(伸入原壩坡8 m)的連續(xù)壁狀式擋墻,計(jì)算樁體抗壓強(qiáng)度取值為0.8MPa。

按照《粉體、噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范》(TB10113-96)要求,樁體施工前工藝性成樁20根(一個(gè)井格),經(jīng)挖深4 m觀察及抗壓檢測(cè)試驗(yàn)可知,樁體成型良好,7 d抗壓強(qiáng)度1.02MPa,符合樁體成型及設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。根據(jù)工藝成樁試驗(yàn)結(jié)果,最終樁體的施工工藝為:粉噴樁摻灰比17%,每米摻灰量為55 kg,鉆進(jìn)速度為0.8 m/min,提升速度為0.5 m/min,注漿口控制壓力0.4MPa～0.6MPa。

2.4 施工流程及工序

結(jié)合本工程的施工經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)施工工藝規(guī)范要求,總結(jié)出水泥土攪拌樁施工流程及工藝如下:試樁試驗(yàn)→樁位放樣→鉆機(jī)就位→檢驗(yàn)、調(diào)整鉆機(jī)→正循環(huán)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度→打開注漿泵→反循環(huán)提鉆噴漿→重復(fù)攪拌下鉆并噴水泥漿至設(shè)計(jì)深度→反循環(huán)提鉆補(bǔ)噴→成樁結(jié)束→施工下一根樁。

2.5 施工質(zhì)量監(jiān)控

為了保證施工質(zhì)量能達(dá)到預(yù)期的加固效果就必須針對(duì)土質(zhì)對(duì)于水泥深層攪拌樁樁身質(zhì)量的影響情況,應(yīng)及時(shí)做好對(duì)于水泥土均勻性和強(qiáng)度方面的監(jiān)控和檢測(cè)工作。

水泥土的均勻性檢測(cè)一般常用目測(cè)法。采用輕便觸探器中附帶的勺鉆在樁身中心鉆孔、取芯樣,通過(guò)觀察其顏色是否一致,是否存在水泥富集的“結(jié)核”或未被攪勻的土團(tuán)以確定水泥土是否攪拌均勻。水泥土成樁強(qiáng)度檢測(cè)通常采用輕便觸探器擊數(shù)與水泥土強(qiáng)度對(duì)比關(guān)系確定。

施工中,為保證水泥攪拌樁樁體垂度,采用J2經(jīng)緯儀校測(cè),以保證鉆機(jī)垂直度;為保證摻灰量和樁體長(zhǎng)度的精度,通常在PH-6型深層攪拌機(jī)上和供灰管路上安裝電子感應(yīng)器,通過(guò)液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示深度和單米摻灰量以保證摻灰量和樁體長(zhǎng)度的精度;若施工中遭遇停電或故障停機(jī),第二次噴粉接樁長(zhǎng)度應(yīng)大于1m。

3 結(jié) 語(yǔ)

在介紹水泥深層攪拌法軟基處理原理的基礎(chǔ)上,分析總結(jié)了該方法在實(shí)際工程中處理軟基時(shí)的設(shè)計(jì)方法、施工工藝和質(zhì)量監(jiān)控措施。信邑溝水庫(kù)上游壩坡深層攪拌法培厚加固處理表明,良好的施工工藝及質(zhì)量控制措施是樁體成型均勻,樁身強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的重要前提。深層攪拌法除險(xiǎn)加固方法在信邑溝水庫(kù)成功的應(yīng)用,為寶雞峽灌區(qū)其它水庫(kù)除險(xiǎn)加固積累了經(jīng)驗(yàn),也為水利工程中推廣應(yīng)用提供了參考。

[1]華南理工大學(xué),東南大學(xué),浙江大學(xué)等.地基與基礎(chǔ)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1995.

[2]GB50007-2002.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]湯怡新,劉漢龍,朱偉.水泥固化土工程特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(5):549-554.

[4]焦志斌,盛華興,馬建國(guó),等.深層攪拌法加固應(yīng)天河套閘軟基工程[J].水運(yùn)工程,2004,(8):70-72,78.