水泥攪拌樁在軟土地基加固處理中的應(yīng)用

雷才波

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院，云南昆明 650000）

0 引言

水泥攪拌樁作為一種對(duì)軟土地基進(jìn)行處理的常見方法，其在各類的軟土地基處理中，廣泛應(yīng)用，可以解決在淺層土層中的應(yīng)力集中問題，使深層土層的沉降問題。其與剛性樁相比，其能很好地與樁的承載能力相協(xié)調(diào)，其具有降低施工成本，以及使施工效果得到保證等優(yōu)勢(shì)，因此在軟土地基處理中，其具有很大的優(yōu)勢(shì)[1]。

在實(shí)際水泥攪拌樁的應(yīng)用過程中，選擇適合本工程的攪拌機(jī)從地面開始進(jìn)行施工作業(yè)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度，再通過攪拌機(jī)頭，將水泥漿液注入土層中，然后繼續(xù)進(jìn)行攪拌作業(yè)，從而使得軟土的強(qiáng)度與穩(wěn)定性得到提高這樣就會(huì)形成復(fù)合樁，使得軟土地基的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

如果在實(shí)際的施工過程中，沒有對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，又或者處理的效果不好，會(huì)增加安全事故發(fā)生的可能性，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成建筑物沉降甚至倒塌。因此，本文以一個(gè)實(shí)際的工程案列，研究在軟土地基處理的過程中，水泥攪拌樁的具體設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為水泥攪拌樁的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 水泥土攪拌樁加固機(jī)理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 深層攪拌法加固軟土地基機(jī)理

水泥攪拌樁在對(duì)軟土地基進(jìn)行處理的過程中，主要用到的材料為水泥，輔助材料為各種外加劑，用到的攪拌機(jī)型號(hào)為主要為SJB-1型與SJB-2型，攪拌機(jī)的主要作用是將軟土地基與固化劑進(jìn)行充分地?cái)嚢瑁沟密浲僚c固化劑之間可以進(jìn)行置換、團(tuán)聚等物理反應(yīng)，以及硬化、碳化等化學(xué)反應(yīng)，使得軟土地基的強(qiáng)度與變形模量得到很大地提升，使軟土地基轉(zhuǎn)變?yōu)榱己玫膹?fù)合地基，從而地基的穩(wěn)定性提高，使其能夠滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基不同的要求[2]。

1.2 深層攪拌法加固軟土地基的作用

1.2.1 樁體作用

深層攪拌樁的剛度與其周圍土體的剛度相比，其剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土體剛度，因此，與原來的地基相比，承載能力相對(duì)提高。當(dāng)在荷載作用下施加相同量的變形時(shí)，地基中的應(yīng)力分布會(huì)根據(jù)材料模塊的不同進(jìn)行重新分布，使得地基沉降減少。

1.2.2 墊層作用

深層攪拌樁會(huì)與其周圍的土體形成復(fù)合土層，該土層的力學(xué)特性比天然土層的力學(xué)性能要好，其具有換土、均勻受力以及加大應(yīng)力擴(kuò)散角的用途。當(dāng)樁身沒有完全進(jìn)入軟土層中時(shí)，其墊層的作用尤其顯著。

1.2.3 加筋作用

深層攪拌樁可以使土體的抗剪能力增強(qiáng)，還可以使土坡的抗滑能力增強(qiáng)。

1.3 深層攪拌法加固軟土地基的優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 加固效果良好

水泥土在經(jīng)過攪拌加固后，其強(qiáng)度可以達(dá)到1MPa~2MPa之間。當(dāng)水泥攪拌樁與周圍的土體進(jìn)行攪拌后，形成復(fù)合地基時(shí)，頂層的荷載可以通過剛性復(fù)合地基擴(kuò)散到大量剩余土層，大大減少地基的沉降。

1.3.2 加固后的地基可以立即承受上部荷重

在經(jīng)過深層攪拌加固后，經(jīng)過15~30d的自然養(yǎng)護(hù)后，地基即可承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的荷載，其尤其適用于類似跑道狀的加固工程的流水施工[3]。

1.3.3 施工的速度快

每個(gè)深度攪拌機(jī)可以運(yùn)行250延m/d，如果在對(duì)軟土地基進(jìn)行處理過程中，需要攪拌樁的總數(shù)為23000根，其樁徑按照50cm來算，樁長(zhǎng)按照9m計(jì)算，因此共20.7×104延m，工期按照80d計(jì)算，僅僅需要11個(gè)深度攪拌機(jī)即可加固作業(yè)。

1.3.4 材料的運(yùn)輸量小

根據(jù)以上第三點(diǎn)中的攪拌樁的總數(shù)，完成該數(shù)量的攪拌樁需要的水泥為9500t，工期按照80d計(jì)算，每天要運(yùn)輸119t的水泥，這樣可以降低臨時(shí)道路的運(yùn)輸壓力。

1.3.5 施工不受氣候的影響

深層攪拌樁的施工受天氣影響較小，因此在一些多雨的地區(qū)施工時(shí)，可以保證工期。

1.3.6 造價(jià)較低

如果市場(chǎng)中水泥價(jià)格為每噸400元，樁長(zhǎng)按照9m來算，每米樁長(zhǎng)的水泥用量為60kg，即每根深層攪拌樁的造價(jià)為180元，相比與其他軟土地基處理方法，其造價(jià)較低。

2 工程概況

本文以某地區(qū)的一個(gè)混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑工程為實(shí)際工程案列，該工程層數(shù)為四層，其土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

通過對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行地質(zhì)勘探，可以發(fā)現(xiàn)該工程所處的區(qū)域，軟土地層的厚度較厚，其含水量也比較高，土質(zhì)的壓縮性較高，但其強(qiáng)度卻較低。對(duì)整個(gè)施工場(chǎng)地的地質(zhì)情況與應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，選擇水泥攪拌樁對(duì)其進(jìn)行軟土地基處理。在使用水泥攪拌樁的過程中，要結(jié)合專門的機(jī)器，使地基的承載能力得以提高，使地基沉降減小，滿足上部結(jié)構(gòu)的要求。

在實(shí)際施工過程中，需要將水泥摻入進(jìn)去，使水泥與原有的土體相結(jié)合進(jìn)行施工，同時(shí)要注意就地取材，降低施工成本。混凝土施工所用機(jī)械較為簡(jiǎn)單，結(jié)合地質(zhì)條件，地基處理也較為簡(jiǎn)單，這樣不僅僅可以使施工的效率得到提高，還可以降低對(duì)周邊環(huán)境的影響。通常情況下，在對(duì)水泥攪拌樁進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要對(duì)水泥與原有的土質(zhì)的強(qiáng)度進(jìn)行充分地考慮，同時(shí)要注意能提高水泥的強(qiáng)度盡量不提高水泥的用量。除此之外，在應(yīng)用水泥攪拌樁的過程中，應(yīng)盡量考慮長(zhǎng)短水泥攪拌樁進(jìn)行軟土地基處理，這樣可以是施工效果得到保證，還可以降低施工成本以及縮短工期[4]。受力機(jī)理如圖1所示。

從圖1可以看出，d為基礎(chǔ)埋深，Ⅰ區(qū)采用長(zhǎng)短樁，但是要注意的是，明確長(zhǎng)樁與短樁之間合理的間距，以及合理的埋深，使樁體之間的共同作用，保證長(zhǎng)短樁與地面的共同沉降，提高了Ⅰ區(qū)的承載能力。Ⅱ區(qū)為長(zhǎng)樁區(qū)，可有效減少沉降問題，Ⅲ區(qū)為持力層。三區(qū)協(xié)同工作，從而使地基的承載能力得以提高，地基沉降值減小，同時(shí)在長(zhǎng)短樁的配合使用下達(dá)到了預(yù)期的施工效果。

圖1 受力機(jī)理

3 水泥攪拌樁設(shè)計(jì)要素

在結(jié)合長(zhǎng)短樁使用進(jìn)行軟土地基處理時(shí)，要對(duì)應(yīng)力分布進(jìn)行充分地考慮，使地基的承載能力與強(qiáng)度得到保證。為了使水泥攪拌樁符合設(shè)計(jì)的要求，需要進(jìn)行很多次的計(jì)算。在實(shí)際工程中，柱底尺寸一般為B×L=5m×5m，長(zhǎng)短樁結(jié)合起來使用，長(zhǎng)樁的樁長(zhǎng)為17.5m，沉樁的長(zhǎng)度18.8m，短樁的樁長(zhǎng)為11m，沉樁的長(zhǎng)度為11.6m，置換率（m）=0.2562，樁徑為0.5m，水泥土強(qiáng)度fcu為1850kPa。

3.1 計(jì)算承載力特征值

（1）計(jì)算單樁豎向承載力特征值。

具體公式如式（1）、式（2）所示，應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將計(jì)算結(jié)果最小值作為施工依據(jù)[5]。

式中：η——樁身強(qiáng)度的折減系數(shù)，取0.25；α——樁端土承載力的折減系數(shù)，取0.5；up——樁周長(zhǎng)；li——第i層土的厚度。

（2）計(jì)算水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力特征值。根據(jù)相關(guān)規(guī)范與規(guī)定，計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：β——樁間土承載力的折減系數(shù)，取0.5；fak——復(fù)合地基承載力特征值。根據(jù)實(shí)際的要求設(shè)定fak=130kPa，經(jīng)過計(jì)算可以得到樁基下的樁數(shù)量為32根。

3.2 估算基底附加應(yīng)力及沉降

根據(jù)Mindlin解可以得到軟土地基中水泥攪拌樁的附加應(yīng)力，如表2所示。

表2 基底附加應(yīng)力

計(jì)算地基沉降進(jìn)行時(shí)，通過利用復(fù)合無量法，根據(jù)置換率，分別計(jì)算蘭格分區(qū)的沉降量，再將這三個(gè)分區(qū)的沉降量進(jìn)行相加，即可得到地基沉降量，計(jì)算公式如式（4）所示。

在水泥攪拌樁中，復(fù)合土層的沉降量Si計(jì)算方法如式（5）所示。

式中：Pz——水泥攪拌樁的土層底面；Pzl——頂面的附加應(yīng)力值；Espi——水泥攪拌樁的復(fù)合土層壓縮模量。

根據(jù)實(shí)際的工程情況可知，Ep=185MPa，Espi的計(jì)算公式如式（6）所示。

最終得到該工程的沉降量為11.6mm。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行基礎(chǔ)的靜載荷試驗(yàn)。如果試驗(yàn)的結(jié)果比計(jì)算結(jié)果多出10%，則可以證明該設(shè)計(jì)符合要求。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，本工程的長(zhǎng)樁深度不超過15m，但是在實(shí)際情況中，長(zhǎng)樁深度接近19m，因此需要進(jìn)行長(zhǎng)樁打樁部分的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，從而更好地反映出施工效果，主要的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 抗壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表3可以看出，水泥土的抗壓強(qiáng)度大于1.8MPa，說明超過15m部分的水泥屈服符合設(shè)計(jì)要求，整體效果良好。由此可見，本工程的水泥攪拌樁的強(qiáng)度明顯提高。

5 水泥攪拌樁施工應(yīng)對(duì)措施及質(zhì)量控制

5.1 樁機(jī)的選擇

在本工程的實(shí)際施工的過程中，長(zhǎng)樁樁深接近19m，必須使用噴粉樁機(jī)進(jìn)行施工。本文選用的粉噴樁機(jī)具體型號(hào)為GPP-5E，功率45kW，可施工距離可達(dá)22m，符合技術(shù)要求。打樁機(jī)中配置著傳感器，可對(duì)深度與重量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)街鳈C(jī)上，施工人員可以得到每米的噴灰量，從而可以根據(jù)實(shí)際的施工情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，確保攪拌樁各段均能滿足設(shè)計(jì)的要求，使施工質(zhì)量保持在正常范圍之內(nèi)[5]。

5.2 監(jiān)控計(jì)量

當(dāng)進(jìn)行粉噴作業(yè)時(shí)，為了更好地監(jiān)測(cè)，需要用到相應(yīng)的劑量計(jì)，例如電流表、粉末流量計(jì)以及壓力表等等。除此之外，實(shí)際施工過程中，要使粉噴樁的質(zhì)量得到保證，并且達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，從而保證施工質(zhì)量。

5.3 復(fù)攪處理

施工完成后，必須再次復(fù)攪。根據(jù)電流確定攪拌深度，提高水泥混合料樁的承載能力。