攪拌樁技術的改進及工程應用

郭克誠，孫 偉，彭 威，唐彤芝

（1. 武漢謙誠樁工科技股份有限公司，湖北 武漢 430062；2. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024）

0 引 言

水泥土攪拌樁是利用特殊的攪拌樁機，將帶攪拌頭的軸旋轉進入地基深層，經由輸送管向軟土中注入水泥粉或者水泥漿，攪拌頭旋轉切割軟土并將軟土與水泥漿（粉）攪拌均勻，使固化材料與軟土之間產生物理化學反應，形成抗壓強度高，具有整體性、水穩性的水泥加固土柱體[1-3]。該方法工藝簡單、操作方便、最大化地利用了地基原狀土、布置型式靈活多樣、施工過程中產生的振動和噪音小、對環境影響小、與高壓旋噴樁等相比，造價相對較低。水泥土攪拌樁屬于柔性樁，既可作為復合地基的豎向增強體，也可用作基坑開挖的止水帷幕，在水利、水運、交通、市政、工民建等工程建設領域的應用十分廣泛。隨著生態環保的重視，水泥土攪拌樁技術在水土污染治理領域也得到了逐步應用，發揮了較好的隔污、阻污和穩污功效[4-5]。

土是一種由氣、固、液三相體系組成的成分復雜、結構復雜、性質復雜的離散性材料，水泥土攪拌樁處理不同區域、不同成因、不同環境狀況下的地基土時，水泥等固化材料與地基土的攪拌和固結反應存在較大的差異，對成樁質量有較大的影響。為規范施工操作和質量控制，保障成樁質量，滿足地基加固對樁體強度、連續性、均勻性和承載力的設計要求，相關的標準和規范對水泥土攪拌樁的適用范圍、土質條件和設備工藝等方面做出了嚴格的規定。《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79—2012）中的強制性條款“7.3.2”明確規定：“水泥土攪拌樁用于處理泥炭土、有機質土、pH值小于 4的酸性土、塑性指數大于 25的黏土，或在腐蝕性環境中以及無工程經驗的地區使用時，必須通過現場和室內試驗確定其適用性”。工程實踐表明，當土質條件較好、處理深度15 m左右時嚴格控制施工工藝，加強現場施工質量的管理，攪拌樁的成樁質量和加固效果是可控的。

地基處理的主要目的是改善土的不良地質特性，提高地基承載力。采用水泥土攪拌樁處理高含水量、深厚復雜軟基時主要面臨兩個關鍵難題，一是高含水量、復雜土質對水泥土固化反應及強度的影響；二是深厚處理時攪拌、噴漿等施工工藝的有效控制及其對全樁長范圍內成樁質量的影響。圍繞關鍵問題，國內外學術界、工程界的廣大專家學者、工程技術人員開展了大量探索、研究和工程應用，大力推動了攪拌樁技術的創新發展和應用，歸納起來也主要體現在兩個方面：一是適合高含水量、復雜土質條件的新型固化材料的研究，如研制各類不同配方的固化劑，改善固化劑與土質的反應條件，促進固化材料與土的物理化學反應的進程和效果，調節和增強固化土強度等；二是滿足超深處理的樁機設備、攪拌與噴漿工藝的改良創新和新工法的研究。如雙向、多向多軸等基于攪拌軸、葉片和噴漿工藝改進的新型攪拌樁，有效阻斷水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻。通過攪拌葉片的伸縮擴大樁身截面形成釘形、變截面樁，增大樁-土相互作用，提高樁體承載力。發揮單一處理方法的優勢，揚長避短，大力發展攪拌樁與其他方法的組合型新技術，如排水-粉噴樁、剛-柔性樁（如水泥土-管樁、水泥土-混凝土預制樁）復合地基、水泥土-加芯加勁樁、長板-短樁工法等[6-10]。

1 新時代攪拌樁技術發展的思考

1.1 時代發展新主題與工程建設新理念

“綠色、環保、節能”是當代經濟社會發展的主題，“綠水青山就是金山銀山”。生態環境安全是經濟社會持續健康發展的重要保障，新時代更加注重和加強推進生態文明建設，尊重自然，謀求人與自然和諧發展的價值理念，貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構和生產生活方式。

建筑業是全球最大的原材料和能源消耗產業，目前全球建筑運營能耗已占到總能耗的30%以上，加上建設過程中的能耗，已接近 50%。我國傳統的粗放建造導致資源消耗量大、浪費現象嚴重，產生許多污染。土木工程建設的設計理念和施工技術應順應時代發展，與時俱進，轉變思路進行發展創新，向“綠色建造”轉型，走環保節能的綠色發展之路。

城市發展與交通等基礎設施建設投資巨大，對土石資源的需求量巨大，長期大量開采會造成自然資源枯竭、水土流失、自然景觀惡化，嚴重破壞生態環境。各類廢棄建（構）筑物拆除后產生大量的磚瓦、石灰、水泥土、混凝土、廢砂廢渣等混合型廢舊資源，少量用于路基回填，大部分廢棄堆放，未能實現資源化有效利用，節能環保問題十分突出。國內外部分大學、研究機構和學者在循環利用建筑垃圾，如用建筑廢棄物做骨料進行路基填筑、應用于散體材料樁施工等進行了一些初步的試驗研究，缺乏系統的應用基礎研究，工程應用很少。現有地基加固方面的技術規范或標準尚未能包含采用建筑廢棄材料作為豎向增強樁體材料的內容和要求。

有效消納和利用廢棄建筑材料資源是實現攪拌樁技術綠色發展的重要途徑之一，將改擴建工程中產生的大量廢棄建筑資源經處理后作為混合料埋置于地基深處，形成大直徑豎向增強體，發揮廢棄建筑材料資源的再利用價值，為工程建設節約大量投資，減少廢棄物堆放對場地的占用和環境的污染，達到廢舊資源有效利用、軟弱地基改良加固和節省工程投資的多重目的，符合綠色環保的可持續發展戰略。

1.2 攪拌樁技術應用所面臨的新問題

當前國家經濟社會發展的轉型升級進入快軌化，傳統領域的土木工程建設已轉向縱深發展，以超大超深的地下空間開發為代表的超大型工程建設越來越多，面臨的工程地質條件和施工環境越來越復雜，建設標準和質量控制要求越來越高。如何解決和克服更加復雜的軟土問題成為攪拌樁技術發展和應用面臨的關鍵難題。

以珠海為例，珠海市軟土按沉積成因可分為三類：濱海相軟土、三角洲相軟土和內陸相軟土。濱海相軟土主要分布于濱海平原海灣地段和海島周邊，為近代海退所形成的淺海堆積，分布范圍廣、厚度大，為珠海市最主要的軟土層；三角洲相軟土主要分布在磨刀門、泥灣門、雞啼門和虎跳門等河道兩側的平原地段；內陸相軟土主要分布于山（臺）前洼地或河谷地段。軟土多裸露于地表或伏于填土之下，呈單層或多層結構，以灰黑色淤泥、淤泥質土為主，間夾薄層黏土或砂土、淤泥質砂，厚度一般在8～40 m之間，具有近山薄、近海厚的規律，分布范圍和厚度以珠海西區和橫琴的濱海相軟土最為突出。根據工程建設所揭示的地層情況，珠海市軟土分布大致可劃分為五個區：（1）金灣區，包括三灶鎮、紅旗鎮、平沙鎮及高欄港區等區域，軟土分布面積廣，層位穩定，厚度20～40 m，上部25 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質土；（2）珠海保稅區一帶，分布面積較大，層位穩定，厚度15～30 m，靠近磨刀門水道側局部超過40 m，上部25 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質土；（3）南屏科技園一帶，軟土廣泛分布，層位穩定，厚度一般為10～20 m，近前山河側軟土層較薄，近磨刀門側軟土層較厚，最大厚度超過30 m，上部20 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質土；（4）橫琴島一帶，軟土分布面積較廣，層位穩定，厚度一般為 20～50 m，上部 25 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質土；（5）香洲區近海岸一帶，軟土零星分布，分布面積小，層位不穩定，厚度一般為 5～10 m，埋藏于硬殼層下，以淤泥及淤泥質土為主。

工程實踐和研究表明，在海水滲入地區，地下水中含有大量的硫酸鹽，硫酸鹽將與水泥發生反應，對水泥土產生結晶性侵蝕，使水泥土出現開裂、崩解而喪失強度。有關學者通過對海相高含鹽量（Ca+，Mg2＋，Cl－，SO42－等）軟土的水泥土固化機理和強度特性進行試驗研究，包括室內外試驗和微觀結構分析，結果表明，Mg2＋，Cl－，SO42－對水泥土強度起了不同程度的負面作用，隨著三種離子含量的增大，對水泥土強度的形成和增長具有很強的抑制作用，均會導致水泥土強度的降低。海相軟土中常常含有較多的Cl－，它會與Ca+和Al3+優先結合，生成大量強度很低的水化氯鋁酸鈣，這種物質會包裹在黏土顆粒表面，阻止黏土礦物與Ca(OH)2的進一步反應，從而嚴重阻礙水泥土的強度增長。目前建筑施工市場競爭十分激烈，施工單位為了從已經十分低廉的施工費中賺取利潤，只好采取偷工減料的方法來降低成本，導致施工質量難以控制，再加之高含水量、腐殖質、有機質、土體酸性的影響，經常出現樁身強度低、樁體不連續，甚至難以成樁的現象。

因此，發展大直徑、超深、高性能的攪拌樁設備，發展新型資源節約型環保型固化材料，是攪拌樁技術滿足土木工程建設縱深發展、適應復雜地質條件、保障質量的重要途徑和內容。

1.3 新興科技對攪拌樁技術的影響和融合

新時代是黑科技爆發的時代，很多前所未有、聞所未聞的新技術、新材料、新工藝順應時代而誕生和發展。大數據、5G網絡、信息與計算科學、人工智能等這些新興顛覆性技術，正在釋放科技革命和產業變革所積蓄的巨大能量，深刻改變著人類生產生活方式和思維方式，對經濟發展、社會進步等產生重大而深遠的影響。

當今世界都高度重視人工智能的發展，我國已把新一代人工智能作為推動科技跨越發展、產業優化升級、生產力整體躍升的驅動力量。制造業是一個能夠體現國家生產水平，區分國家經濟實力的重要行業。在當下的人工智能時代，“人工智能+制造業=智能制造”的模式逐漸被人們認可，以人工智能為代表的新興技術正在不斷影響著制造業的生產模式及運營過程。

中國工程院院士、國家最高科學技術獎獲得者錢七虎指出，在工程建設領域，實現綠色建造的必然選擇和最佳途徑是智慧建造。“信息技術要繼續深入地應用到建設工程中去，全面推廣數字工程和智慧工程，未來還要向少人化、無人化的方向發展。”要依靠大數據技術、人工智能技術、物聯網、5G技術等這些科技基礎，工程建設才會更加高效節能、低碳排放。以地下工程為例，“智慧建造”首先體現在建立全面的、透徹的感知系統。地下存在很多的不確定性，很多情況人看不到也感受不到，要通過設備、傳感器、信息化的設備去全面感知，摸清情況。其次是通過物聯網、互聯網的全面互聯，實現感知信息（數據）的高速和實時傳輸，即時地反映認知。然后是智慧平臺的打造，工程技術人員通過這個平臺對反饋來的海量數據進行綜合分析、處理、模擬，得出決策，從而及時發布安全預警和處理對策預案。有了這些技術，工程建設的風險會更低，施工人員將更安全，同時也能最大限度地節省材料和資源，減少對環境的影響和破壞。

1.4 智能攪拌樁成套技術的架構與研發

樁工行業未來發展的趨勢主要體現在：（1）樁基技術的各種施工工藝方法和理論的研究將日趨完善；（2）相關國家規范、行業標準將更加全面細化；（3）市場競爭行為及設計、施工作業流程將日益規范；（4）樁基新技術、樁工新設備、新材料的研發與應用；（5）樁基處理技術的聯合應用；（6）以高科技為支撐，發展低碳、環保經濟；（7）樁基施工智能化、自動化；（8）樁基質量監控智能化。

鑒于攪拌樁的成樁特點，特別是利用地基土進行原位攪拌的工藝特點，與其他非原位攪拌工藝的樁型相比，攪拌樁更需要通過人機互動、自動控制、信息、網絡等技術上的嫁接，實現鉆進→噴漿→攪拌、質量→安全→檢測等全過程的智能化控制與管理。以攪拌樁為代表，將高端制造技術、信息網絡技術與樁工行業進行融合，開展樁機設備的升級改造和智能制造，是新時代樁工行業發展的必然趨勢，也是未來攪拌樁技術發展創新的重要方向[11-12]。

企業是科技創新的主體，作為國家級高新技術企業的武漢謙誠樁工，聯合國內權威高校、科研機構正在開展“樁工設備裝備及智能化研究”專項課題（見圖1和圖2），通過對傳統樁基設備的升級改造、新材料與新工藝的研發、人機交互的裝備智能化施工技術等方面進行集成研發，突破關鍵技術和難題，建立成套技術系統。圍繞樁工設備全面質量管理的“人、機、料、法、環”五個環節出發，研發出一套由信息化系統、智能化操控系統以及智能工藝系統三個部分組成的安全智能樁機作業專家系統。在現有作業工藝的基礎上，對作業設備進行自動化升級改造、對作業人員進行信息化管理、對相關物料進行系統化支配、對作業工法進行智能化優化、對作業環境進行全掌控，實行集中操作，基本實行無人化的智能操控。

圖1 攪拌樁技術發展與創新的設想Fig. 1 Assumption of development and innovation of mixing pile technology

圖2 樁機施工智能化系統架構圖Fig. 2 Intelligent system architecture diagram of pile driver construction

2 新型攪拌樁機與固化材料的研制及應用[13-14]

2.1 大直徑超深攪拌加芯一體化樁機

針對常規水泥土攪拌樁的不足，在現有的大扭矩攪拌樁基礎上進行創新和改進，將多向多軸攪拌、加芯加勁、剛-柔性樁復合地基技術進行融合，發揮各自優勢，研發形成大直徑（80～150 cm）、超深（35 m以上）、攪拌加芯一體化的新型復合樁機，可以同步施工，一次性成樁，大幅度提高施工效率，調節不同的芯樁率和芯長比，同時具備豎向增強、水平抗剪、深層止水等多項技術功能，可以滿足深厚復雜軟土地基加固、超深超大地下空間開發、深基坑支護等工程建設的需要，見圖3。

圖3 大直徑超深攪拌加芯一體化樁機結構示意圖Fig. 3 Structure schematic diagram of large diameter ultra-deep mixing and core integration pile machine

為克服深層攪拌不均勻、成樁質量差的難題，新樁機在攪拌設備和工藝上采用了如下技術創新：（1）上下四層八葉片組成的多向攪拌鉆頭，內外雙鉆桿實施，上面兩層葉片順時針旋轉與下面兩層葉片逆時針旋轉同時進行，保證漿液與土體攪拌更加充分；（2）采用雙排鏈及傳動軸傳動進行進尺轉速分離，能提供更大扭矩，通過檔位控制轉速，能進行低、中、高轉速的切換，配合進尺深度，通過樁機下鉆電流變化以及地勘資料了解項目地層情況，在深層攪拌過程中采用高轉速、慢進尺或在特殊地層停鉆復攪，能使漿液與深層淤泥的攪拌更加充分，針對含水量較高的地層在樁底做好封底復攪，避免底部水在強壓力下通過鉆桿提升沖擊樁體，影響成樁質量；（3）為了提高漿液的利用效率及攪拌及時性，將噴漿口從鉆桿處引出至葉片中部，漿液噴出后，葉片能立即將漿液與土體進行攪拌，在充分利用漿液的同時，攪拌更加均勻；而且可解決大直徑超深攪拌樁在深層淤泥中噴漿壓力不夠、有效緩解在特殊情況下泥土直接堵塞鉆桿噴漿口等問題。

2.2 新型節能環保型固化材料

針對水泥土攪拌樁加固軟黏土普遍存在強度低、不均勻，特別是在深厚海相淤泥質地層中成樁難以控制的問題，十余年來組織專家技術人員、聯合高校、科研機構等，大量投入人力、物力和財力，堅持不懈地進行固化材料的創新研究，在珠海、中山、江門、南沙等不同區域、不同項目類型的工程中進行反復試驗，重點針對海相淤泥的高含水量、高有機質含量、有害鹽離子和酸堿不平衡等關鍵的物化特性，不斷研究改進和完善，成功研發出新型QC系列軟土固化劑，較好地解決了在海相深厚流塑狀淤泥地基中成樁不均勻、強度不高、取芯不完整、甚至不成樁的難題。

新型QC系列固化劑成本低，環保性好。水泥熟料摻量僅為10%～25%，其他材料采用經處理后的工業廢料，如高爐?；V渣、粉煤灰、以及電廠發電過程中產生的工業廢料脫硫石膏等，就地取材，實現工業廢渣的資源化利用。該固化材料質量好、水穩定性好、耐久、早期強度高、后期強度不受影響，如表1所示。

表1 QC固化土無側限抗壓強度測試結果Table 1 Unconfined compressive strength test results of solidified soil using QC curing agent

2.3 工程應用實例

將攪拌樁技術發展的兩個重要內容“樁機設備與工藝”和“固化材料”融合在一起，形成公司自主研發的“海相淤泥質土專用固化劑及配套設備工藝”新技術，已申報國家發明專利受理審查中，其中新型樁機設備已取得國家專利。新技術已在向莆鐵路南昌樞紐工程、南廣鐵路梧州南站、貴廣南廣鐵路廣州樞紐工程、衢寧鐵路寧德站前工程、江門會港大道、鶴崗高速等多個鐵路、高速公路工程軟土地基處理得到成功應用，樁身強度高、取芯連續完整，檢測無側限抗壓強度、地基承載力均滿足設計要求。大直徑超深攪拌加芯一體化樁機施工現場見圖4。

圖4 大直徑超深攪拌加芯一體化樁機施工現場Fig. 4 Construction site of large diameter ultra-deep mixing and core integration pile machine

（1）珠海大道擴建工程先行標項目，設計攪拌樁 1 535根，樁徑 600 mm，樁身設計強度≥0.8 MPa，設計樁長22.7 m，樁端持力層為淤泥質粉質黏土。設計單樁承載力特征值110 kN?，F場施工自2020年1月初開始，3月下旬由第三方質檢單位進行取芯檢測（兩根檢測樁）和靜載試驗（三根檢測樁），結果表明，取芯率均達到95%以上，芯樣均勻完整，膠結程度良好（見圖5），均呈大于100 mm長的柱狀，芯長最大超過 0.8 m。樁身強度代表值分別為1.59、3.55 MPa，超過設計要求，單樁承載力特征值達到110 kN，滿足設計要求，見圖6。

圖5 珠海大道擴建工程先行標施工現場Fig. 5 Construction site of first section of Zhuhai avenue extension project

圖6 珠海大道擴建工程先行標取芯強度與單樁承載力試驗分布曲線Fig. 6 Curves of core samples strength and Q-s in first section of Zhuhai avenue extension project

從取芯強度分布曲線可以看出，樁身強度分布的不均勻性還是存在，中下部仍是難點。從技術發展的角度來看，通過后續的智能化升級改造，鉆進過程中根據傳感器自動監測扭矩、轉速、流速等參數的變化，從而自動識別地層土性，優化后臺制漿水灰比，智能控制噴漿和攪拌，實現噴漿用量科學化、樁身質量均勻化。

從單樁靜載試驗的Q-s曲線可以看出，三根單樁受壓變形的曲線線性化明顯，說明單樁加壓條件下，樁間軟土發揮的作用較弱。最大加載達到220 kN時，三根樁的最大沉降量分別為7.47、7.97和8.31 mm，卸載后最大回彈量分別為3.02、3.33和3.42 mm，回彈率分別為40.4%、41.8%和41.2%。若不考慮樁體本身的受壓變形，試驗變形量較小，主要應為樁端下臥淤泥質粉質黏土層的壓縮變形。

（2）珠海市鶴港高速（鶴州—高欄港）一期工程HGTJ3標段，采用加芯攪拌樁，樁徑600 mm，樁身設計強度≥1.0 MPa，設計樁長25.0 m，芯樁為邊長 20 cm的預制混凝土方樁，長度分別為 20、22.5 m，單樁豎向抗壓承載力特征值≥400 kN。施工結束后于2018年6月下旬進行鉆孔取芯（2根樁）和單樁靜載試驗（3根樁），取芯檢測表明芯樣連續、完整、堅硬、攪拌均勻、呈柱狀；檢測樁長與施工記錄樁長相符，樁身水泥土芯樣抗壓強度代表值分別為4.5、3.3 MPa，超過設計要求。單樁承載力特征值達到400 kN，滿足設計要求，見圖7。

圖7 鶴港高速一期工程HGTJ3標取芯強度與單樁承載力試驗曲線Fig. 7 Curves of core samples strength and Q-s in HGTJ3 section of He-Gang highway project

檢測樁 A004-3號和 A006-6號的芯樁長度是20 m，芯長率為80%，檢測樁A003-5號的芯樁長度是 22.5 m，芯長率為 90%，從單樁靜載試驗的Q-s曲線可以看出，芯長率不同，受壓過程中樁身的壓縮變形存在差異，芯長率較大時在相同加壓荷載下樁身壓縮量較小。加芯對于增強樁身剛度、提高攪拌樁的單樁承載能力的效果是明顯的，在滿足設計要求的前提下應綜合考慮經濟性、土層分布、樁身強度和受力變形以及樁土相互作用等因素來確定合理的芯長率。

從現場應用情況來看，為保障深厚淤泥軟土的加固效果，滿足地基承載力和工后沉降控制的要求，要重視樁身中下部和樁端的攪拌和噴漿質量，攪拌樁施工結束后應鋪設褥墊層以構成復合地基，協調樁-土變形和應力分擔，發揮樁土共同作用。

3 結 論

攪拌樁技術的發展創新一直在路上，繼續深入開展樁機設備的升級改造、施工技術與工藝的創新以及與工業互聯網、大數據、人工智能、5G技術等新興高科技的交叉融合，才能應對復雜地質條件和土層特性，才能滿足工程建設縱深發展的需要。

應繼續研發新型節能環保型固化材料，針對不同區域地質環境和土質特點，深入開展固化材料與土體反應的微細觀結構變化、固化機理與強度增長的研究，重點關注土體的含水率、有害鹽離子、有機質等物化特性，建立適應不同區域、不同土質特點的固化劑大數據平臺。通過采用新的技術措施和方法對工程建設領域產生的大量廢舊資源（如拆挖產生的磚塊、混凝土等建筑垃圾、溝塘底泥、工程礦渣、鉆孔廢漿、盾構廢渣等）進行有效的資源化利用，充分利用廢棄建筑垃圾和工業廢渣，逐步減少水泥、砂石料的用量，在滿足質量要求的前提下節省投資，節省資源，保護環境，實現節能環保的“綠色施工”。

應繼續研發和改進樁機設備裝備，引入專家智慧構建地層自動識別系統，進行施工攪拌與噴漿的自動優化控制，加快樁工行業數字化與智能化升級步伐，將新興高科技、高精端制造與傳統基建相結合，逐步完善巖土、樁機裝備、施工工藝與工法等行業技術標準，通過樁工設備裝備及工藝的全面自動化、實時化、信息化和智能化，實現“智能施工”，最終實現“智慧樁工”。