雙軸式雙向水泥攪拌樁施工關鍵技術

祝衛星

（中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710000）

本文依托一行路公路工程項目，分析研究雙軸雙向法施工水泥攪拌樁的關鍵技術，通過和傳統方法的對比及對地質特性的分析研究，總結出雙軸雙向施工法施工技術參數及施工工藝，以提高水泥攪拌樁施工效率及水泥漿液與地質土體的結合率，進而提高成樁質量。

1 工程概況

一行路（連海路-龍溪路）工程，位于廣東省江門市江海區中東村南部1km 處。路線全長1761.5m。里程位置K00+074.000～K01+660.000，全長1586m，呈東西走向。對接高新區公共碼頭西側一行路與連海路平交口（K00+000），路線往西沿規劃一行路布設，分別在（K00+116.000）跨越哨基河，在（K00+741.150）與在建江睦路平面交叉、在（K01+100.000）跨越馬鬃沙河，項目終點止于（K01+761.590）與規劃龍溪路平面交叉，終點平交口為龍溪路工程實施范圍。

2 雙軸雙向法施工優勢分析

路基工程質量的優劣對公路后期是否能發揮良好地使用性能起著關鍵決定性作用，路基應有抵抗施工荷載以及后期公路運營中車輛產生的荷載及沖擊力的足夠強度，并保證公路在運營當中的穩定及耐久性要求，而往往公路施工路段的天然地質情況并不能滿足要求。地質軟弱，荷載作用下沉降明顯或易造成不均勻沉降。

傳統處理方式采用的是單軸單向施工法，攪拌樁機鉆頭為單葉式且只有一根鉆進軸，在噴漿過程中水泥漿會出現沿著鉆進軸向地面方向翻涌上行的情況，更有甚者，會造成水泥漿翻涌至地表面造成水泥攪拌樁攪拌質量不均，影響成樁質量；后改進推廣采用單軸雙向施工法，在此前單軸單向基礎之上在鉆進軸鉆頭之上增設攪拌葉片為雙層反向葉片，阻斷水泥漿沿鉆進軸翻涌上行的途徑[1]。但單軸鉆進極大地限制了成樁直徑以及水泥攪拌樁單次施工加固范圍，也無法達到最理想的水泥漿體與土體的攪拌結合率。

因此，為提高加固施工效率以及漿體與土體的攪拌結合率，采用雙軸雙向法進行水泥攪拌樁施工：內鉆進軸設置兩組正向攪拌葉片，外鉆進軸設置兩組反向攪拌葉片，通過外鉆進軸上攪拌葉片反向鉆進攪拌注漿與內鉆桿正向攪拌葉片同時攪拌[2]，使得噴注的水泥漿體在兩根鉆進軸的兩組葉片之間與土體攪拌結合，加快施工效率，提高漿體與土體攪拌結合率，確保成樁質量[3]。施工方法對比說明如表1 所示。

表1 水泥攪拌樁施工方法對比

3 施工關鍵技術研究

3.1 地質情況分析

公路施工區域土層為填土層和第四系沖淤積層，地質情況較簡單，按地質情況組分及沖積層序可分為6 個單元層，各單元層層位和層次較為穩定，但厚度變化較大，且各地層特性差異也較大。詳細地質情況如表2 地質情況及特性說明所示。

表2 地質情況及特性說明

施工區域內下層地質較為良好，但于公路工程而言，上層軟弱地層較厚，厚度可達10m 以上，路基地質不穩定，承載力較差，在荷載作用下土體易發生剪切破壞導致路基失穩。且重荷載作用下易發生明顯沉降或造成沉降不均的現象。因此選擇對區域內軟弱地質層采用雙軸雙向法施工水泥攪拌樁進行加固處理。考慮到軟弱地層厚度大，加固范圍廣的實際情況，選擇施做樁長15m、樁徑1.5m 的水泥攪拌樁穿越軟弱地層覆蓋施工區域進行加固地基處理，另下層性能較優巖體也可作為水泥攪拌樁的主要承力面，使廣大施工區域內地質條件得到優化。

3.2 雙軸雙向法技術試驗

3.2.1 施工參數對比分析

公路施工區域內加固地基施工的水泥攪拌樁數量較多，為確保施工進程、確定最優施工參數，擬對雙軸雙向法施工水泥攪拌樁進行試樁試驗，試樁試驗中水泥攪拌樁樁身參數與正式樁一致，樁長為15m、樁徑為1.5m。多軸法施工水泥攪拌樁工藝性試樁不少于3 根，且不少于3 組[4]。采用PH-5D 雙軸水泥攪拌機進行“四噴四攪”鉆進噴漿，當水泥漿液壓送至攪拌頭出漿口后，不應立即下鉆，確保管道噴漿正常，且漿體濃度符合配置要求后，在進行下鉆噴漿。利用內外鉆進軸、正反雙向、上下共4組攪拌葉片同時作用進行下鉆攪拌，確保樁身范圍內土體和水泥漿攪拌次數在20 次以上。鉆進中同時向周圍軟弱土體當中噴射水泥漿液，強制攪拌土體與水泥漿液結合為加固體。使軟弱土質與漿液發生化學反應，改變土體物理性質，形成復合型地基，提高承載能力。下沉鉆進過程中，如遇地質情況未揭示土體影響下鉆速度時，因根據實際情況改變鉆進速度及噴漿壓力，已達到預期效果。

根據地質報告得知，樁身范圍內土體天然密度ρ=1.71g/cm3～1.94g/cm3之間，取1.86g/cm3來計算水泥摻量：

式中：m 為水泥摻入量，kg/m；α 為水泥摻入比例，取值12%；π 為圓周率；r 為樁基半徑，取0.75m；p為土體天然平均密度，取1.86g/cm3；

經估算得知，水泥摻入量m=393.6kg/m，因此試樁參數按表3 試樁參數進行選擇試驗。

表3 試樁參數選擇

通過對12 根試驗樁選用不同參數進行試驗，并對比成樁效率及質量，最終確定選用試樁7#～8#樁所選用的施工參數作為正式的施工參數。鉆進攪拌噴漿至設計樁底標高之后，停止鉆進下沉，因樁底位置強度劣于上部位置，攪拌頭在樁底繼續保持攪拌噴漿30s[5]，使樁底端部土體與水泥漿液充分攪拌結合后在開始提升攪拌頭。攪拌頭的提升高度應在設計樁頂標高上方0.5m～1m 位置，以保證成樁樁頂質量。

3.2.2 質量控制措施

雙軸雙向法施工水泥攪拌樁時，于樁頂位置處易出現蜂窩狀土體，易開挖移除樁頂部位影響樁體承載力土體并進行重新二次噴攪攪拌進行人工修復；噴攪進程中，停機檢修時間若超過30 分鐘，需要將鉆動軸沖洗干凈并保證每30min 啟動鉆機使鉆動軸轉動一次即可。因其他緊急問題導致停機，需提升鉆動軸攪拌頭至停機前噴漿位置上1.5m 位置處；加固地質原狀土若天然含水量較低且其塑性指數較高時，容易造成水泥土糊鉆，降低噴攪效率，可根據具體地質情況調整水泥漿配比、重新設置鉆動軸與攪拌葉片夾角，使水泥土得到充分攪拌。

3.3 樁身成樁強度分析

當樁體達到28d 齡期后，對水泥攪拌樁的強度進行抽樣檢測，抽樣檢測數量為施工區域內水泥攪拌樁總數的0.5%，即對區域內6 根水泥攪拌樁樁身每2m 檢測一次樁身強度，抽樣取芯檢測樁身強度與標準貫入試驗同步進行，每2m 進行一次標準貫入試驗[6]。根據水泥攪拌樁樁身參數及區域內地質條件情況按照式（2）估算單樁豎向承載力，作為判定樁身強度是否合格的強度標準，同時應達到式（3）對于樁身承載力的要求[7]。

式中：Ra為單樁豎向承載力（KN）；up為樁身周長，取值4.71m；qsi各層土體的側向阻力（KPa），按表2 中側向阻力特征值取值；lpi各層土體厚度（m），按表2 中層厚取值；αp為發揮系數，取值0.5；qp為樁端地基土承載力（KPa），取值400KPa；Ap樁身橫截面積，取值1.77m2；η 為樁身折減系數，取值0.25。fcu為水泥漿液立方體試塊標養90d 抗壓強度平均值（KPa），取值3500KPa[8]。

由式（2）根據區域內地質情況及樁身參數估算單樁豎向承載力為Ra=1393KN；由式（3）對標養90 天的試件進行計算，得出單樁豎向承載力為Ra=1548KN。

綜上所述，水泥攪拌樁單樁豎向承載力取值Ra=1548KN 作為抽樣檢測強度標準。樁身強度檢測結果及標貫錘擊數如圖1 樁身強度分布及圖2 標貫試驗錘擊數結果所示。

圖2 標貫試驗錘擊數

據圖1 對6 根檢測樁強度檢測數據分布可以得出，樁身強度平均值隨著深度增大而降低，從3.3MPa 左右降至0.9MPa 左右，均能滿足驗算單樁承載力Ra=1548KN的要求。水泥攪拌樁上部靠近地面部分強度最高，樁身最后3m 范圍內強度最低。

圖1 樁身強度分布

據圖2 對6 根樁標貫試驗錘擊數分布可以得出，平均錘擊數從45 擊次左右隨著深度增大下降到10 擊次左右，可佐證由圖1 所得出的水泥攪拌樁樁體強度隨深度的變化特性。

由此可見，因水泥攪拌樁靠近地面部分樁體比下部樁體硬化所用時間更短，且下部樁體受地質中水的影響比較大，所以造成了強度在樁體樁長范圍內的這種變化規律。

4 結論

綜合本文所述，通過對水泥攪拌樁加固公路工程地基，提高地基承載力，改善地質性能的研究分析，對比雙軸雙向施工法相較于傳統施工方法的優勢所在，結合項目地質特性的實際情況得出了行之有效的施工參數及雙軸雙向施工技術，并通過對水泥攪拌樁成樁質量的檢測分析，佐證了雙軸雙向施工水泥攪拌樁提高施工質量及效率的可行性，為后續類似地基加固處理工程提供了有效地技術經驗支持。