深層多向水泥攪拌樁在沿海地區的施工技術研究

李曉東

（中交路橋華北工程有限公司，北京 100000）

1 概述

市政道路作為城市交通重要組成部分，不僅是城市交通的重要組成部分，更作為一種特殊的景觀向人們展示城市的風采，因此市政道路的施工質量與道路體現的人文關懷會直接影響到城市形象[1]。軟土地基是城市道路常見通病之一，也是導致路基不均勻下沉，引起路面開裂的重要原因之一，其處理的結果將直接影響路基施工質量。水泥攪拌樁是利用固化劑與原土體進行化學反應，使軟土地基硬結，從而達到加固軟土地基的效果[2]。本文結合福建省瑯岐市政EPC 項目實際情況，旨在探究多向水泥攪拌樁在沿海地區軟土地基應用的施工條件，在保證成樁質量的同時尋求經濟效益的最大化，為沿海地區多向水泥攪拌樁施工提供一定的實踐基礎。

2 主要創新點

2.1 使用江蘇建固發明的多向水泥攪拌樁鉆頭，通過增加多組攪拌葉片、伸縮葉片，促使水泥漿由內向外橫向均勻攪拌，滿足變徑、地基承載力等施工技術要求，保證多向水泥攪拌樁成樁質量。

圖1 多向水泥攪拌樁施工原理圖

2.2 通過試驗室水灰比配置測定“水灰比-泥漿比重”曲線，通過自動計重稱量設備保證水泥摻量準確，通過泥漿比重計測定泥漿比重，保證泥漿“水灰比”準確。

2.3 通過控制變量法進行分析，對水泥摻入量、水灰比進行梯度試驗，確定福州瑯岐沿海地區水泥攪拌樁施工最佳施工條件，在確保水泥樁滿足設計加固要求的同時避免不必要的經濟浪費，為沿海地區類似施工提供一定的實踐基礎。

3 依托項目工程簡介

福州瑯岐市政EPC 項目共有市政道路兩條，其中管委會東側道路為城市支路，全長328.268m，修建寬度為18m，小康路為城市次干路，全長1872.601m，修建寬度為30m。現場道路地質主要以人工填土、淤泥夾沙、泥質中砂為主，其中淤泥及泥質中砂土層較厚，分別為3.6-25.2m、8.3m。針對以上軟基問題，本工程擬采用多向水泥攪拌樁進行加固，使路基在施工及使用期內不發生局部及整體破壞。

福州瑯岐市政EPC 項目軟基處理范圍共6 萬m2，小康路擬采用25m 多向水泥攪拌樁進行加固，管委會東側道路擬采用22m 多向水泥攪拌樁進行加固。攪拌樁分為上下兩部分，上部樁身長度為4m，直徑為1.2m，其余部分為下部樁身，樁徑為0.6m。樁位布置呈正三角形，采用42.5 普通硅酸鹽水泥作為固化劑。

4 施工原理

4.1 多向水泥攪拌樁施工原理

軟土地基主要成因是軟土含水率較高、土壤孔隙度較大，水泥攪拌樁是利用水泥漿作為固化劑，通過水泥漿水化反應產物與軟土發生硬凝反應、團粒化作用，從而達到改善土壤物理特性，降低軟土塑性指數的效果。水泥攪拌樁使用攪拌鉆向下鉆進，通過壓力噴漿，將水泥漿射入土體，再通過攪拌葉攪拌，使水泥漿沿樁身橫向擴散，促進樁身橫向分布均勻[3]。

4.2 本項目多向水泥攪拌樁的施工優勢

多向水泥攪拌樁相對于普通水泥攪拌樁優勢：普通水泥攪拌樁攪拌方向單一，鉆進效果效果較長，樁長受限，部分水泥泥漿射入土壤后未進行充分攪拌，導致形成水泥塊，未與土壤結合，成樁后樁身多呈千層餅狀，承載力較低，工后沉降大；多向水泥攪拌裝通過橫、縱多個攪拌葉片，保證水泥漿由內向外橫向均勻分布，實現攪拌樁樁頭冒漿量較少，確保水泥攪拌樁成樁質量較優。且多向水泥攪拌樁施工較均勻，可優化水泥攪拌樁施工工藝，降低重復攪拌次數，縮短工期，可為施工單位節約成本。

本項目采用江蘇建固發明的自反力多向水泥攪拌樁鉆具，鉆具通過增加動力頭及縱向分布葉片，使鉆具在普通單電機水泥攪拌樁機使用即可實現多向水泥攪拌裝施工，安裝快捷，安全系數較高[4]。

5 施工工藝

5.1 施工工藝的選擇

施工前，項目部組織技術人員對水泥攪拌樁的相關施工經驗進行討論，結合現場地質復核報告以及設計文件，確定采用多向水泥攪拌樁加固方式，根據沿海地區水泥攪拌樁的施工經驗，確定鉆機鉆進速度為0.5-0.8m/min，提升速度為0.8-1.0m/min，鉆頭鉆速為70r/min，額定電流≤40A。

5.2 水灰比、水泥參入量設計

為保證樁基施工質量滿足設計要求，尋求經濟效益的最大化，項目部選取9 根樁水泥攪拌樁作為試樁，通過控制變量法對水灰比、水泥摻入量進行配比，具體設計如表1 所示。

表1 水灰比、水泥參入量設計

5.3 施工技術要求

5.3.1 多向水泥攪拌樁施工流程如圖2 所示。

圖2 多向水泥攪拌樁施工流程示意圖

5.3.2 多向水泥攪拌樁施工質量控制要點[5]

5.3.2.1 鉆桿導向架的垂直度應不大于L/150，L 為導向架長度。

圖3 多向水泥攪拌樁施工示意圖

5.3.2.2 鉆桿長度應大于設計樁長不得小于2m，且鉆桿長度應與鉆桿表盤相對應。

5.3.2.3 水泥攪拌樁鉆機與后臺連接管長度不應大于60m。

5.3.2.4 水泥攪拌樁噴漿壓力應大于0.6Mpa，小于0.8Mpa。

5.3.2.5 鉆桿下沉至樁底，應繼續噴漿30s，以保證底部水泥攪拌樁成樁質量。

5.3.2.6 鉆桿提升時，應改變鉆桿為順時針旋轉，確保水泥與土攪拌均勻，提升至上部樁徑4m 位置，鉆機應打開伸縮刀頭，確保上部樁徑滿足設計要求。

5.4 水泥攪拌樁的檢測

5.4.1 成樁28d 后對水泥攪拌樁進行檢測，樁檢由第三方進行檢測并出具報告。

5.4.2 載荷試驗：成樁28d 后，應對水泥攪拌樁進行載荷試驗，且樁身強度必須滿足試驗荷載條件。主要的檢測項目為：復合地基載荷試驗及單樁載荷試驗。要求復合地基承載力特征值不小于120kPa、攪拌樁在最大荷載作用下的樁頂沉降均應小于40mm。

5.4.3 抗壓強度檢驗：成樁28d后，采用取樣器鉆心取樣，對水泥土抗壓強度進行檢驗。要求樁體無側限抗壓強度不低于1.0MPa。

6 樁檢結果

6.1 樁身強度檢測結果

樁身強度檢測結果如表2 所示。

表2 抗壓強度代表值結果（MPa）

且受檢測的9 根樁中僅J9979 號樁為2 類樁，其余均為Ⅰ類樁。

試驗結果表明，當水泥摻入量為16%時，樁J9979 抗壓強度不符合設計要求。水泥摻量為18%、20%時，各樁樁身無側限抗壓強度均滿足設計要求，即≥1.0MPa。

6.2 單樁復合地基載荷試驗結果

單樁復合地基載荷試驗結果如表3 所示。

表3 最大試驗荷載下樁頂沉降（mm）

試驗結果表明，各樁在最大壓力荷載下樁頂沉降均≤40mm，均滿足設計要求；當水泥摻量為18%時，各樁樁頂沉降量均小于其余兩組；當水灰比為0.55時，各樁樁頂的沉降量均小于其余兩組。

6.3 單樁復合地基承載力試驗結果

單樁復合地基承載力試驗結果如表4 所示。

表4 復合地基承載力特征值（kPa）

試驗結果表明，當水泥摻量為16%時，J10037、J9979 的單樁復合地基承載力值未符合設計要求；當水泥參量為18%、20%時，各樁單樁復合地基承載力符合設計要求；當水灰比為0.55 時，攪拌 樁復合地基承載力值均大于其余兩組。

7 結果討論

7.1 樁身無側限抗壓強度是評定水泥攪拌樁靜力學特性的重要指標之一。無側限抗壓強度主要取決于水泥參量。通常水泥攪拌樁的水泥摻量不應小于12%，通過水泥漿與原土體產生水泥水化反應，改變原土體的顆粒結構，從而達到改善土體結構。王任杰[6]（2021）曾研究表明，當水泥摻入量較小時，土體與水泥固化反應的產污較少，硬結反應較弱，抗壓強度值在凝期內增長較慢；隨著水泥摻入量增大，水泥土的抗壓強度逐漸提高，當達到水泥摻入量峰值后，水泥土強度增長變緩，且造成不必要的經濟浪費。本試驗研究表明，當水泥摻入量達18%時，樁身無側限抗壓強度已達設計要求，且當水灰比為0.55 時，樁身無側限抗壓強度為最大值。

7.2 復合地基承載力值、最大試驗荷載下樁頂沉降值可直接反映地基加固的完成效果。當復合地基承載力較大、樁頂沉降量較小時，表明地基加固效果較好，后期不易發生不均勻沉降。Jiang Y[7]曾研究表明，水泥攪拌樁在28d 凝期前主要通過水泥水化反應與原土體生成的膠裝物質填充土體孔隙來提高水泥攪拌樁的抗壓強度，28 天后主要通過硬凝反應與團粒化作用提高攪拌樁抗壓強度，且當水泥摻量大于12%時，水泥攪拌樁可有效改善軟土地基的抗壓強度。本試驗研究表明，當水泥摻入量達18%時，單樁復合地基承載力值、最大荷載樁頂沉降量均滿足設計要求，且當水灰比為0.55 時，水泥攪拌樁的加固效果最優。本試驗與前人的研究結果基本一致。

8 結論

本研究通過在沿海地區應用多向水泥攪拌樁，克服了單軸攪拌樁“千層餅狀”的通病，減少了樁頭冒漿現象，取得了較好加固效果，為同類地區多向水泥攪拌樁施工提供了實踐基礎。且沿海地區深層水泥攪拌樁施工條件為：水泥攪拌樁水泥摻量為18%，水灰比為0.55，鉆進速度為0.5-0.8m/min，提升速度為0.8-1.0m/min，噴漿壓力為0.6-0.8Mpa，鉆頭鉆速為70r/min，額定電流應≤40A。