淺談水泥粉噴樁在地基優化處理中的應用

舒韓友

一、工程概述

新建白鷺一站工程位于安徽省巢湖市裕溪河右岸岱山聯圩內，其設計排澇標準為30年一遇。泵站規模為中型，工程等別為III 等。因裕溪河防洪標準采用50年一遇，相應堤防級別為2 級，故穿裕溪河右堤箱涵為2 級；而出口防洪閘防洪標準為100年一遇洪水位，故其為1 級建筑物；其他次要建筑物為4 級建筑物。

二、工程地質情況

1.地形、地貌及水文地質

工程區位于裕溪河右岸，以河湖相沖積平原與山前洪積平原為主。地貌類型屬于沿江丘陵平原，地形起伏不大。區內地表廣泛出露第四系松散堆積層，下伏地層為志留系—第三系（S—R）基巖。

根據勘探情況，該地區地層從老到新可分為：

（1）志留系—第三系（S—R）基巖：工程區出露基巖主要有志留系墳頭組和茅山組并層、泥盆系五通組、石炭系金陵組船山組并層、二疊系青龍組、白堊系赤山組以及第四系上更新統銀山村組等，巖性主要為灰巖、石英砂巖、礫巖、泥巖及泥質粉細砂巖等，其中礫巖以灰色為主，礫石成分以石英巖為主，鈣鐵質膠結；石英砂巖以肉紅色為主，鐵鈣質膠結；泥巖、泥質粉細砂巖為紫紅、棕紅夾淺灰綠色，泥鈣質膠結。

（2）第四系上更新統洪積物：以砂礫卵石為主，礫石含量分布不均，粒徑最大10cm 以上。

（3）第四系上更新統沖積層：主要為灰黃、褐黃及棕黃色粉質粘土、粘土，含鐵錳結核，下部夾礫卵石，主要分布在丘陵崗地段。

（4）第四系全新統河流沖積層：以灰黃、灰、棕褐色，表層多以中～重粉質壤土夾輕粉質壤土為主，其下為淤泥、淤泥質粉質壤土、粉質粘土，局部地段夾細砂、極細砂薄層，為典型的沖淤積地層，具二元結構，區內廣泛分布。

（5）人工填土：人工填筑土，分布在堤防及其兩側較小的范圍內，以重粉質壤土為主，局部堤段夾砂壤土、粉細砂團塊及磚石塊、爐渣等，以灰黃色為主，土質不均一。

其中，第四系松散沉積物的地下水主要以孔隙水的形式賦存于下部地層中，孔隙水分為孔隙潛水和孔隙承壓水。

2.工程地質情況分析

人工填土（Qml 4），以重、中粉質壤土為主，夾粉質粘土、輕粉質壤土，褐黃、灰黃等色，稍濕～濕，可塑，局部為雜填土。為高壓縮性土。

②層（Qal 4）：淤泥質粉質粘土、重粉質壤土，灰色，飽和，流塑～軟塑，局部夾薄層輕粉質壤土或砂壤土，含較多腐殖質，有臭味。為高壓縮性土。

③1層（Qal 4）：中粉質壤土夾細砂，灰色，很濕，軟塑/稍密，局細砂分布不均,局部夾細礫。為高壓縮性土。

③2層（Qal 4）：中、重粉質壤土，灰色，很濕，軟塑，夾淤泥質重粉質壤土，局部夾少量細砂與與礫石。為高壓縮性土。

⑤層（Qpl 3）：砂礫卵石，雜色，密實，礫卵石為主（粒徑2～10cm）左右，含量30%～60%左右，局部夾重粉質壤土。為低壓縮性土層。

為了對泵站地基做出更加合理的判斷，需要對現場的原狀土樣做物理力學性質試驗，并得出物理力學指標進行分析。見表1 和表2。

三、原地基方案中存在的問題及優化調整方案

1.原地基方案存在的問題

由上述地質介紹可以看出，白鷺一站坐落在深厚的淤泥質黏土和重粉質壤土層之中，該土層為軟土，允許的承載力較低，僅為60kPa，并且該土層貫擊數為1～3。根據《泵站設計規范》（GB/T50265-2010）的相關規定，標準貫入擊數小于4 擊的粘性土地基不能作為天然地基，所以原方案的地基處理并不能滿足作為該工程地基的要求。原方案中采用的是CFG 樁（水泥粉煤灰碎石樁的簡稱，是由碎石、石屑、粉煤灰組成混合料，摻適量水進行拌和，采用各種成樁機械形成的樁體）。因此需對樁基礎地基進行優化加固處理。

2.地基優化調整方案的選擇

依據上述問題與經驗，該地區的地基可選用水泥粉噴樁和鉆孔灌注樁兩種方法來進行加固優化處理解決上述問題。水泥土攪拌樁和鉆孔灌注樁的側阻力qsi、端阻力qpk如表3，由于該土層含有腐殖質，選擇水泥土攪拌樁時需通過現場試驗確定其適用性。

前述可知，工程區軟弱土較厚，且⑤層砂礫卵石為中等透水性，其上部有一定厚度的相對不透水層的覆蓋，從而形成一定的承壓性。因泵房樁基礎需打入⑤層砂礫卵石內不小于1.0m，故需將⑤層上部覆蓋的相對不透水層貫穿，勢必會使⑤層內承壓水順著鉆頭或樁身向上突涌，對樁基礎的質量產生不利的影響，因此不宜選用鉆孔灌注樁。為了更好地解決承壓水向上突涌的問題，白鷺一站的地基處理最終采用雙向水泥攪拌粉噴樁（以下簡稱為水泥粉噴樁）技術進行加固。

四、水泥粉噴樁的設計及施工工藝

1.水泥粉噴樁設計

根據泵站各主要建筑物對地基承載力的要求，并考慮到整個泵站主要建筑物變形協調，本次優化調整泵站的地基處理范圍為：進水閘翼墻、進水閘、前池翼墻、站身等（壓力水箱和穿堤涵洞、涵洞出口翼墻已完成CFG 樁）。

②層淤泥質粉質粘土、重粉質壤土平均厚度約13.4m，天然地基允許承載力為60kPa，摩擦系數為0.2，需進行地基加固處理，以提高地基承載力和抗滑摩擦系數，減小地基沉降。處理措施：將地基開挖或回填至建筑物底板墊層混凝土底面以上不小于1.5m，采用水泥粉噴攪拌樁（雙向水泥粉噴樁）加固，固化劑選用P.O42.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為16%，樁徑0.7m；樁距：泵房1.0m，前池翼墻及灌溉涵1.2m，進水閘及其翼墻1.4m；樁深：泵房、前池及翼墻至⑤層砂礫卵石壤土內不小于1.0m，其余樁深至③1重粉質壤土夾細砂或③2中、重粉質壤土內不小于1.0m。粉噴攪拌樁施工完成后，將表層1.5m 厚擾動土層挖除，樁頂端0.5m 鑿除，回填0.5m厚8%水泥土（即水泥含量為120kg/m3）至底板墊層混凝土底面高程，壓實度大于0.94。即建筑物底板混凝土墊層下為0.5m 厚水泥土，水泥土下面為水泥粉噴攪拌樁，以滿足地基承載力和減小地基沉降的要求。經加固處理后，地基抗滑摩擦系數取0.35，水泥土以下地基承載力按復合地基計算。要求粉噴攪拌樁樁身抗壓強度≥1.8MPa。

表1 泵站地基各土層的主要力學表

表2 泵站地基各土層的力學性能指標表

另外，為了防止泵房、前池基坑開挖時出現邊坡滑動的現象，對建筑物樁基礎造成不利影響，本次在泵房、前池及灌溉涵外側設置了一排樁墻，樁徑0.7m，樁間距0.5m。

表3 白鷺一站樁基設計參數建議值表

圖1 水泥粉噴樁施工工藝流程圖

2.施工工藝

水泥土攪拌技術（雙向攪拌粉噴樁技術）是一種新型地基處理優化技術，主要應用于不穩固地基加固處理。它主要是使用水泥、石灰等材料作為固化劑，通過特殊的機械進行攪拌。在地基的深處進行攪拌，將軟土與固化劑相結合，充分攪拌并產生固化反應。這種技術分為深層攪拌法和粉體噴攪法兩種，又稱“濕法”和“干法”。

該地基處理方式的核心工藝是“一噴雙攪”，并通過正、反兩方向的攪拌可有效控制承壓水向上突涌問題。施工工藝為：

（1）樁機就位：雙向攪拌機樁機定位，按照設計要求移動到施工位置并對中，按照規范要求檢查鉆頭是否能夠正常使用。

（2）噴粉下沉：首先啟動攪拌樁機，攪拌機沿已經豎立好的導向架向下方觸到土層，下面的一組葉輪旋轉強行切土，空壓機進行送氣，開始鉆進，下鉆的速度要控制在施工現場土質及規范要求范圍內。然后通過固定連接在葉片上的噴嘴向土體中高壓噴水泥粉，促使固化所用的材料就地粘附在旋轉所產生的空隙土中，上面一組葉輪旋轉攪拌，把土和水泥粉攪拌混合在一起，并且保證攪拌均勻。最后兩組葉片同時朝正反兩個方向旋轉切割、攪拌土體，并持續下沉到樁底所涉及的位置高度，完成“攪、噴、拌”三個過程。

（3）提升攪拌：在關閉送粉裝置以后，樁機需要提升，鉆頭的速度要嚴格控制在標準范圍之內；攪拌葉片要保持在成樁時的旋轉方向，兩組葉片要正反方向同時攪拌水泥；樁機提升到原地面高度時，樁頭要原地空轉30s 左右。

（4）成樁后的移位：當內鉆桿鉆頭提離地面停止后，關閉攪拌機移到下一個位置。

（5）如遇突發狀況停工時，第二次的噴粉必須要重疊接樁，若噴粉無效，則必須要重新打樁。

（6）水泥粉噴樁施工工藝流程圖見圖1 所示。

五、結論

（1）水泥粉噴樁的樁身具有攪拌均勻、成樁后質量好、自身強度高、單樁承載力高等優點，解決了軟土承載力不足和基坑穩定性的問題。（2）更好地解決了⑤層砂礫卵石層面較厚容易造成承壓水向上突涌的情況。（3）與鉆孔灌注樁等地基處理方式進行比較，在遇到正常固結的淤泥、淤泥質土、粉土等，含水量在30%～70%，土層厚度在15m 以下的土質時，采用水泥粉噴樁進行地基處理，其經濟性優于其他處理方式■