五軸水泥土攪拌樁不同成樁模式的對比分析

周玉石

1. 上海城地建設股份有限公司 上海 200062；2. 上海城地巖土設計有限公司 上海 200062

水泥土攪拌法在軟土地區應用十分廣泛，主要原因在于該法將水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌樁機械，在地基土中將土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和土之間所產生的一系列物理化學反應，使之硬結成具有整體性、水穩定性和一定強度的水泥加固土，其機理明確，且相對其他工藝施工效率較高[1]。

目前，一般基坑圍護止水和地基加固多采用二軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁（SMW工法）。二軸水泥土攪拌樁（簡稱“二軸攪拌樁”）施工工藝在實際工程中應用廣泛，不但可作為圍護結構重力式擋墻或止水帷幕，也可作為基底加固措施。二軸攪拌樁攪拌深度理論上可達到18 m，但施工過程中由于攪拌樁成樁設備本身的問題，施工效率較低，成樁質量較難控制；三軸水泥土攪拌樁（簡稱“三軸攪拌樁”）在20世紀90年代從日本引進到國內時主要是施工SMW工法用的，施工工藝中采用大水灰比設計，水泥土漿液流動性好，便于H型鋼植入。該種攪拌樁漿液攪拌均勻，止水效果較好，且攪拌深度也較大，理論上可達到33 m。但三軸攪拌樁在成樁過程中有較大的溢漿現象，大量水泥成為置換土被浪費。此外，大水灰比的水泥漿又將導致樁體強度降低[2-5]。

隨著市場競爭的加劇及機械設備性能的不斷提升，在水泥土攪拌法施工領域出現了工效更高的五軸水泥土攪拌樁施工機械。但目前，在施工環節中我們可以看到2種外觀類似但設備性能、工藝參數、施工流程均不同的五軸水泥土攪拌樁施工設備。筆者根據2種攪拌樁機械的不同成樁機理加以區分，分別稱其為置換式五軸水泥土攪拌樁（簡稱“置換式五軸樁”，圖1）和強制攪拌式五軸水泥土攪拌樁（簡稱“強制攪拌五軸樁”，圖2）。

圖1 置換式五軸水泥土攪拌樁設備

圖2 強制攪拌式五軸水泥土 攪拌樁設備

1 置換式五軸樁

水泥土攪拌法置換式成樁我們可以理解為：在固化劑注入的過程中調大水灰比（通常認為水灰比大于1.5即為大水灰比），保證所形成的水泥土漿液具有較好的流動性。鉆桿及攪拌葉片運動一方面保證鉆桿向下鉆進，另一方面使得水泥土漿液不斷地上下左右流動。通過流動實現固化劑與土體的充分、均勻拌和。這個過程中由于水摻入得較多，因此含有固化劑的置換土也大量的從孔內被排出，產生較多的置換土。為了保證所形成的攪拌樁具有設計要求的強度和抗滲性能，采用該種方法所需的水泥摻量較高（三軸水泥土攪拌樁水泥摻量在20%～22%）。

置換式五軸樁是沿用三軸水泥土攪拌樁的成樁機理及工藝參數，采用大水灰比及較多水泥摻量的施工工藝。它是在原有三軸水泥土攪拌樁機械設備的基礎上發展而來，增加了2根鉆桿，施工的功率大幅提高。但置換土多的問題仍然存在，置換量通常是加固量的35%～60%。

目前該類設備樁徑多為850 mm，鉆孔中心距為600 mm[6]。

2 強制攪拌五軸樁

在攪拌樁施工過程中，在固化劑注入后利用鉆桿驅動的攪拌葉片將土體和固化劑在原位進行高強度充分拌和。在此過程中，土體與固化劑的混合物通常不具備較好的流動性。固化劑分布的均勻性則是通過改進噴漿模式及加大攪拌強度來實現的。此類成樁模式我們可以認為是強制攪拌式成樁。該類攪拌樁效果的控制指標是單點切割次數。

強制攪拌五軸樁是將二軸水泥土攪拌樁強制攪拌式成樁的機理與三軸水泥土攪拌樁“一上一下、兩噴兩攪”的施工工藝流程有機地結合起來，形成的一種獨特的強制攪拌式五軸水泥土攪拌樁機械和工藝。它選用了較小的水灰比（0.8～1.2），水泥摻量也沿用了二軸水泥土攪拌樁的用量，即13%。由于摻入的固化劑總量相對較少，故攪拌樁施工過程中產生的置換土也較少，通常低于總加固量的5%。

目前該類設備樁徑有2種，分別為700、800 mm，鉆孔中心距為500 mm[7]。

3 不同成樁模式五軸水泥土攪拌樁施工工藝對比

工藝是將原材料或半成品加工成產品的方法、技術等。而施工工藝則是選擇適當的材料、機械，通過合適的施工方法及具體步驟來實現特定的工程產品。為了理解以上2種五軸水泥土攪拌樁的區別，我們需要細致地剖析這2種工藝的設備（表1）、施工方法及步驟的差異。

表1 2種五軸樁設備的差異

3.1 設備的差異

從表1可知，雖然設備外觀類似，但是在設備性能指標上還是有很多不同的。下面就具體指標進行深入分析：

1）雖然強制攪拌五軸樁直徑比置換式五軸樁小50 mm，但形成的攪拌樁止水帷幕墻體卻厚22 mm，總體攪拌樁方量在減少的情況下，增加了止水的可靠性（圖3、圖4）。

圖3 置換式五軸樁成孔示意

圖4 強制攪拌五軸樁成孔示意

2）鉆桿直徑及鉆桿攪拌段長度有較大區別。置換式五軸樁鉆桿直徑大，且設置攪拌葉片的鉆桿長度大，此種設置可保證水泥土漿液在施工過程中一直保持流動的狀態。強制攪拌五軸樁通過減少鉆桿直徑及減短攪拌段長度進而減少鉆桿與土體之間的摩擦力，使得動力需求達到較為經濟的水平。

3）強制攪拌五軸樁通過動力需求分析，選擇了與三軸攪拌樁相近的380 kW的整體功率，與置換式五軸樁相比具有更好的現場用電適應性。

4）強制攪拌五軸樁相對于置換式五軸樁在抱箍及保持架方面均增加了1道，增加了樁體垂直度的可靠性。

5）使用智能化監控設備提升了攪拌樁質量的穩定性。

3.2 工藝及施工步驟的差異

2種五軸樁的工藝如表2所示。從表2可知，2種不同的五軸樁工藝有較大不同，這源于它們各自成樁模式的不同，但施工步驟區別并不大，只是施工過程中置換式五軸樁需要打氣，且5根鉆桿中2根噴氣、3根噴漿，而強制攪拌五軸樁的5根鉆桿均噴漿。

置換式五軸樁施工工藝流程為：場地平整→測量放線，開溝槽→樁機就位→樁機復測→啟動自動送漿系統、送漿，啟動空壓機送氣，啟動鉆機掘進攪拌→正轉掘進攪拌噴漿70%至設計樁底標高→在設計樁底標高上下0.5～1.0 m區間進行復攪→反轉提鉆攪拌噴漿30%至樁頂標高→一組結束，移至第二組繼續施工。強制攪拌五軸樁施工工藝流程為：場地平整→測量放線，開溝槽→樁機就位→樁機復測→啟動自動送漿系統、送漿，啟動鉆機、掘進攪拌→開啟集成計算系統監控成樁關鍵控制參數→正轉打開下噴漿口，關閉上噴漿口，掘進攪拌噴漿70%至設計樁底標高→在設計樁底標高上下0.5～1.0 m區間進行復攪→反轉打開上噴漿口，關閉下噴漿口，提鉆攪拌噴漿30%至樁頂標高→一組結束，移至第二組繼續施工。

表2 2種五軸樁工藝差異

4 案例分析

4.1 工程概況

董家渡某地塊項目位于上海黃浦區，地上建筑由6棟住宅塔樓、1棟酒店公寓、1棟2層設備用房構成。整體設地下2層車庫。由于拆遷問題，該項目基坑分區進行實施。基坑開挖深度為9.7～10.51 m，局部落深在1.2～1.5 m。基坑圍護總體采用排樁結合坑內2道鋼筋混凝土支撐的形式。

本工程場地為典型的上海軟土地層，地基土主要由軟弱的黏土、中密-密實的砂土和粉土組成。該工程土層較為特殊的情況為①3層灰黃色黏質粉土，俗稱“江灘土”，分布較廣且層厚在0.6～5.2 m之間。此外②3層灰色黏質粉土在場地內普遍分布，厚度最大達17 m。①3層、②3層滲透性均較好，在水頭壓力作用下易發生管涌、流砂等不良地質現象。

4.2 方案及設備選型分析

4.2.1 比選的前置條件

初期基坑圍護形式綜合比選時，根據工程安全、經濟、合理的原則，圍護結構形式在鉆孔灌注樁結合φ850 mm水泥土攪拌樁止水帷幕與φ850 mm的SMW工法2種方案中進行選取（基坑內均采用2道鋼筋混凝土支撐）。考慮到工程的特殊性，比選時著重考慮以下邊界條件：

1）地塊周邊環境較為復雜，特別是場地內還有需要保護的歷史性建筑“沈宅”。

2）地層情況較為復雜，①3層、②3層滲透性均較好，且項目距黃浦江較近，如以上2個土層與江水存在水力聯系，則基坑出現滲漏水時情況更為危險。

3）由于拆遷問題，該項目基坑分區進行實施，建設單位施工成本極高。方案比選時應在確保基坑安全的前提下選取較為經濟的圍護結構方案。

4）由于整個基坑分區達11個，前期施工完成的圍護樁體在施工相鄰基坑時均存在超出圍護結構設計圖紙中規定年限的問題，部分已重新評審。因此，后續施工工期極為緊張。

4.2.2 圍護方案比選

1）鉆孔灌注樁結合φ850 mm水泥土攪拌樁止水帷幕。該方案的優點較為突出，即圍護結構樁體剛度大，開挖過程中可較好地控制環境變形；水泥土攪拌樁止水帷幕位于鉆孔灌注樁外側，不容易出現受力開裂滲漏的情況。但同時該方案的缺點也顯而易見：

① 造價高。單從每延米豎向圍護結構構件造價對比中鉆孔灌注樁就遠遠高于SMW工法。且由于拆遷問題，地塊分區實施，在采用鉆孔灌注樁加水泥土攪拌樁止水的方案時，水泥土攪拌樁止水帷幕需在圍護鉆孔灌注樁樁體兩側均布設，工程量大幅增加。

② 施工速度慢。本圍護結構方案由2種工藝組合而成，需先施工φ850 mm水泥土攪拌樁后再跟進施工鉆孔灌注樁。施工工期較SMW工法長。

2）φ850 mm的SMW工法。該方案相對于鉆孔灌注樁方案有一定的造價優勢，且施工速度也較快。但同時也存在以下缺點：

① 圍護結構剛度較弱。在控制周邊環境變形的能力上，SMW工法較鉆孔灌注樁方案是相對較弱的。此外，設計人員及專家也擔心變形過大后作為止水帷幕的水泥土攪拌樁會開裂滲水。

② 地層情況的特殊性決定水泥土攪拌樁工藝參數應慎重選取。場地分布土層砂性重，常規水泥土攪拌樁在施工過程中可能會出現離析、砂土成層的情況。由于工程距黃浦江距離較近，水力補給可能很充分。若出現攪拌樁攪拌不均，砂土沉積成層導致滲漏則后果不堪設想。

4.2.3 設備優選

經過多輪的討論，方案的選取方向確定為在安全的前提下充分考慮造價及工期等因素。設計人員通過計算，確定SMW工法可滿足工程安全需要，可作為進一步討論的方案。設計人員聯合施工人員在深入研究分析機械設備特點的情況下確定最終方案。

如采用SMW工法，目前可選取的機械設備（表3）有以下幾種：常規φ850 mm三軸樁、φ850 mm置換式五軸樁、φ800 mm強制攪拌五軸樁。

表3 實例工程中可選機械性能比選

根據對以上機械設備性能的分析，設計人員提出了緊密依托φ800 mm強制攪拌五軸樁植入H700型鋼的圍護結構方案。該方案有以下優點：

1）由于φ800 mm強制攪拌五軸樁鉆桿軸距為500 mm，型鋼插入的根數是φ850 mm三軸攪拌樁或φ850 mm置換式五軸樁（軸距均為600 mm）的1.2倍。有效增加了圍護結構控制變形的能力。

2）由于強制攪拌五軸樁采用13%～15%的水泥摻量，攪拌樁樁體造價低于φ850 mm三軸攪拌樁和φ850 mm置換式五軸樁。雖然型鋼數量增加了，但工程總體造價較鉆孔灌注樁結合水泥土攪拌樁止水帷幕的方案有較大的優勢。

3）由于強制攪拌五軸樁采用較小的水灰比（0.8～1.2），較好地解決了砂性土中水泥土攪拌樁可能出現的砂土離析、成層的問題。此外，φ800 mm強制攪拌五軸樁較φ850 mm三軸攪拌樁或φ850 mm置換式五軸樁止水帷幕厚22 mm，進一步減小了止水帷幕滲漏的可能性。

4.3 工程實施中問題的發現及解決

強制攪拌五軸樁水灰比較小，成樁后水泥土流動性較差，型鋼依靠自重僅插入1/3～1/2樁長[3]。為保證型鋼能順利沉至標高，現場初期采用高頻振動錘輔助沉樁。雖然高頻振動錘可以有效減少對周邊環境（包括歷史性保護建筑）的影響，但型鋼植入過程中由于僅有下部限位器一個約束點，垂直度較難保證。

針對以上問題，施工中通過調整型鋼植入設備，采用靜壓的方式來施工，有效地確保了型鋼垂直度，通常垂直度可達1/250。由于是采用液壓驅動，施工過程中無振動、無噪聲，文明施工得到好評。

5 結語

根據以上對2種不同成樁模式的五軸水泥土攪拌樁施工設備、工藝的對比分析，加之對實例中圍護結構方案、設備選型分析及結果驗證，可以進一步得到以下結論：

1）置換式五軸樁和強制攪拌五軸樁雖然外觀較相似，但在設備各部分組成特性、施工工藝參數及流程上均存在較大差異，應屬于2種不同的水泥土攪拌樁類型。

2）置換式五軸樁無論設備特性，還是施工工藝參數流程上均與三軸攪拌樁極為相似，可以認為其是三軸攪拌樁的一種衍生產品，可參照三軸攪拌樁進行設計與施工。而強制攪拌五軸樁既不同于二軸攪拌樁，也不同于三軸攪拌樁，可以認為是一種全新的攪拌樁工藝。

3）強制攪拌五軸樁較置換式五軸樁有以下優勢：

① 強制攪拌五軸樁工程造價更便宜，不但節約了7%的水泥，而且減少了置換土的外運費用。

② 一方面，強制攪拌五軸樁采用了小水灰比，在水泥的使用量上更加節約，攪拌樁的強度較高，抗滲性能較強；另一方面，設備上攪拌葉片集中在鉆桿端部且分布較密，有效地增加了攪拌強度，保證了攪拌樁底部的施工質量。

③ 強制攪拌五軸樁具有較小直徑的鉆桿及較短的攪拌葉片分布，這使得設備與土體接觸時的阻力有效減小。因此在配備動力時僅用了2臺90 kW的電機，提升了該設備的現場適應能力。

4）由于2種五軸樁設備參數、工藝流程不同，也因此具有不同的適應能力和造價水平。設計施工時應針對工程特點合理選擇機械設備。

5）在與H型鋼結合形成SMW工法時，由于強制攪拌五軸樁水泥土黏稠，流動性差，常規靠自重沉入H型鋼的方式不可取，應選取特定的機械設備加以輔助，確保垂直度滿足設計要求。