雙向水泥攪拌樁在工程中的應(yīng)用以及處理效果分析

岑建豐

廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司 廣東 廣州 510060

雙向水泥攪拌樁作為復(fù)合地基軟基處理方式中的一種，與水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、CFG樁等作用方式一樣，均通過樁土共同作用，達(dá)到提高地基承載力、降低沉降的目的。

結(jié)合工程實例，本文就雙向水泥攪拌樁處理方案的加固機(jī)理及處理效果進(jìn)行分析與研究。

現(xiàn)有一工程實例：項目位于廣東省珠海市香洲區(qū)，為市政道路配套工程，道路等級為次干路。場地原始地貌單元為濱海堆積地貌～剝蝕殘丘地貌。現(xiàn)狀地表為填筑土，填土層為褐黃、褐紅、灰黃等色，稍濕-飽和，松散，由粘性土混碎石組成，碎石約10%，平均厚度約3.2m。道路下臥層分布較厚的淤泥層及淤泥質(zhì)黏土層，淤泥為灰黑色，飽和，流塑，具腥臭味，含少量的貝殼碎屑，土質(zhì)較均勻，平均厚度為17.5m,有機(jī)質(zhì)含量為2.26%,淤泥十字剪切板強(qiáng)度為20KPa；淤泥質(zhì)黏土為深灰色，飽和，流塑-軟塑，具腥臭味，以粉粘粒為主，平均厚度為5m，有機(jī)質(zhì)含量為2.28%。軟土層底主要分布粘土層、砂質(zhì)粘性土層、中砂及粗砂層。黏土層為褐黃、褐紅色，飽和，可塑，成分以粘粒為主，含少量的石英質(zhì)砂，平均厚度約4.8m；砂質(zhì)粘性土為褐紅、褐黃色，系花崗巖殘積土，濕，硬塑狀態(tài)，含石英碎石，粘性一般，平均厚度5.9m；中砂為褐黃色，飽和，稍密，礫石成分主要為石英質(zhì)，級配差，含少量的粘性土，平均厚度3.2m；粗砂為褐黃色，飽和，稍密-中密，礫石成分主要為石英質(zhì)，級配一般，含10-30%的粘性土，平均厚度3.4m。各地層的工程特性指標(biāo)建議值如下表。

表1 各地層的工程特性指標(biāo)建議值

項目所在區(qū)域軟土深厚，周邊與道路同步開發(fā)，軟基處理方式上主要考慮復(fù)合地基處理方方式，結(jié)合本工程地質(zhì)、地貌條件，同時從經(jīng)濟(jì)、處理效果以及工期等方面綜合考慮，在軟土地基處理方案上選擇采用雙向水泥攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行處理[1]。

1 加固機(jī)理

水泥攪拌樁通過機(jī)械攪拌作用將粉體（或水泥漿液）與土體混合后形成支撐樁體，樁體和樁間土共同形成復(fù)合地基。雙向攪拌樁在成樁過程中，由動力系統(tǒng)分別帶動安裝在同心鉆桿上的內(nèi)、外兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)攪拌，增加水泥與土攪拌次數(shù)，使水泥與土混合均勻，提高攪拌樁成樁質(zhì)量，加大攪拌樁處理深度。

根據(jù)《廣東省公路軟土地基設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)定》（GDJTG/T E01--2011）4.4章節(jié)，單向水泥攪拌樁處理深度宜小于15m，雙向水泥攪拌樁處理深度宜小于24m。

圖1 現(xiàn)場施工照片

圖2 雙向水泥攪拌樁葉片正反轉(zhuǎn)動示意圖

2 方案設(shè)計

①水泥參量及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度確定

根據(jù)以往項目經(jīng)驗，水泥攪拌樁水泥參量在宜控制在15%～25%，攪拌樁才能成樁，強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，本項目參照以往項目經(jīng)驗，水泥參入量取55kg/m，摻合量為17.5%，為保證樁體成樁效果，樁頂6m范圍采用邊參量設(shè)計，水泥參入量取60kg/m。

②單樁承載力計算

利用樁身材料強(qiáng)度計算單樁承載力。根據(jù)規(guī)范推薦公式，Ra=η×fcu×Ap，Ra為單樁承載力特征值，η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配合比相同室內(nèi)加固土試塊，邊長為70.7mm的立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值，取2MPa；Ap為攪拌樁截面積，水泥攪拌樁樁徑采用50cm，Ap為0.196㎡。

Ra=η×fcu×Ap=0.25×2×0.196=98KN。

利用樁周土及樁端土抗力提供的單樁承載力計算。據(jù)規(guī)范推薦公式，Ra=μp×∑qsi×li+α×Ap×qp，Ra為單樁承載力特征值，μp為樁的周長，為1.57；qsi為樁周第i 層土的側(cè)阻力特征值；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；α為樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.6；Ap為攪拌樁截面積，水泥攪拌樁樁徑采用50cm，Ap為0.196㎡；qp樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值。

取最不利位置進(jìn)行計算，樁端進(jìn)入持力層50cm，持力層為粘土層。Ra=μp×∑qsi×li+α×Ap×qp=1.57×（3.19×10+15.9×6+0.5×16）+0.6×160×0.196=231.26KN。

取2者中小值作為單樁承載力，故單樁承載力為98KN，考慮檢測數(shù)據(jù)取整，單樁承載力取100KN。

③復(fù)合地基承載力計算及布樁間距確認(rèn)

根據(jù)規(guī)范推薦公式，fspk=m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk，fspk為復(fù)合地基承載力特征值；m為樁土面積置換率；Ra為單樁承載力特征值，根據(jù)上面計算取100KN；Ap為攪拌樁截面積，水泥攪拌樁樁徑采用50cm，Ap為0.196㎡；β為樁間土承載力折減系數(shù)，本次取0.5；fsk為樁間土承載力特征值，取淤泥承載力50KPa；

本項目要求復(fù)合地基承載力大于100KPa，水泥攪拌樁擬按1.3m正三角形布置，fspk=m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=0.134×100/0.196+0.5×(1-0.134)×50=101KPa,滿足要求，承載力計算與設(shè)計要求較吻合，樁間距按1.3m正三角形布置較經(jīng)濟(jì)合理。

④方案確定

根據(jù)上述計算，雙向水泥攪拌樁的直徑d=50cm,按正三角形布置，樁間距車行道1.3m，考慮節(jié)省投資，人行道間距取1.5m。樁頂設(shè)置碎石墊層60cm及2層GSZ8080型雙向土工格柵,墊層寬出路基兩側(cè)坡腳各0.5m，碎石采用級配碎石，最大粒徑不大于20mm，含泥量不大于5%。樁體所用水泥為42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥,水灰比宜為0.5～0.6,水泥摻合量為17.5%,其中樁頂6m范圍內(nèi)設(shè)計水泥量不低于為60kg/m,其余部分設(shè)計水泥量不低于為55kg/m。

終孔原則,滿足以下其中一點(diǎn)要求即可終孔:(1)水泥土攪拌樁達(dá)到設(shè)計樁長并穿透軟土層并打入持力層50cm。(2)水泥土攪拌樁實體樁長已達(dá)24m。

施工工藝為四噴四攪,攪拌樁身強(qiáng)度28天齡期不得低于0.6MPa，90天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于1.0MPa。28天單樁承載力不少于60kN，90天單樁承載力不小于100kN。復(fù)合地基承載力不低于100KPa。

圖3 雙向水泥攪拌樁處理設(shè)計圖

本項目所處區(qū)域下臥軟土層較厚，雙向水泥攪拌樁設(shè)計樁長最大達(dá)24m。

3 處理效果分析

3.1 室內(nèi)配合比強(qiáng)度

為驗證水泥攪拌在該地區(qū)是否適用以及樁身設(shè)計水泥參量能否滿足設(shè)計強(qiáng)度要求，施工前于現(xiàn)場取淤泥中部原狀土進(jìn)行室內(nèi)配合比實驗，得到室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試塊7天、14天、28天室內(nèi)配合比強(qiáng)度，根據(jù)檢測報告，7d強(qiáng)度達(dá)到0.83MPa，14d強(qiáng)度達(dá)到0.95MPa，28d強(qiáng)度達(dá)到1.25MPa。室內(nèi)配比強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，證明攪拌樁適用于該區(qū)域。

3.2 現(xiàn)場試樁情況

為驗證雙向水泥攪拌樁在該區(qū)域成樁情況及得到相關(guān)工藝參數(shù)，現(xiàn)場大面積施工前先進(jìn)行試樁。根據(jù)室內(nèi)配比報告，樁身設(shè)計水泥參量能滿足設(shè)計要求，現(xiàn)場采用設(shè)計水泥參量進(jìn)行試樁，同時根據(jù)試樁情況得到雙向攪拌樁下沉及提升速度、噴漿壓力、水灰比等參數(shù)，水泥攪拌樁下沉及提升均按80cm/min進(jìn)行控制，噴漿壓力為40MPa，水灰比采用0.5。試樁樁體達(dá)到28d齡期后進(jìn)行單樁承載力、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及單樁復(fù)合地基承載力檢測。根據(jù)檢測報告，28d現(xiàn)場抽芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.72～5.74MPa，芯樣大部分完整，局部破碎，手感硬，水泥分布基本均勻。單樁承載力可達(dá)到65KN，復(fù)合地基承載力達(dá)到100KPa。試樁結(jié)果表明，雙向水泥攪拌樁適用于該地區(qū)，樁身水泥參量能滿足設(shè)計要求。

3.3 工程樁成樁情況

3.3.1 樁頭成樁情況

本項目雙向水泥攪拌樁按設(shè)計方案實施完成后，待齡期滿足28天后，將所有樁頭挖出，觀察成樁直徑及質(zhì)量。現(xiàn)場樁頭直徑大于50cm，樁頭較完整，強(qiáng)度較高。

3.3.2 檢測結(jié)果分析

①現(xiàn)場抽芯無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

樁體齡期達(dá)到28d后，現(xiàn)場按0.5%檢測比例進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測，采用雙管單動取樣器進(jìn)行抽芯，根據(jù)檢測報告，該工程范圍雙向水泥攪拌樁強(qiáng)度達(dá)到0.91～6.69MPa，芯樣大部分完整，局部破碎，手感硬，部分軟，水泥分布基本均勻。滿足設(shè)計要求。

②單樁承載力

樁體齡期達(dá)到28d后，現(xiàn)場按0.5%檢測比例進(jìn)行單樁承載力靜載試驗，單樁檢測荷載取設(shè)計值2倍進(jìn)行，根據(jù)檢測報告，該工程范圍雙向水泥攪拌樁單樁承載力均大于60KN，滿足設(shè)計要求。

③單樁復(fù)合地基承載力

樁體齡期達(dá)到28d后，現(xiàn)場按0.5%檢測比例進(jìn)行單樁復(fù)合地基承載力靜載試驗，復(fù)合地基檢測荷載取設(shè)計值2倍進(jìn)行，根據(jù)檢測報告，該工程范圍雙向水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力均大于100KPa，滿足設(shè)計要求。

3.4 處理效果分析

本項目雙向水泥攪拌樁打設(shè)長度達(dá)24m，根據(jù)室內(nèi)配合比強(qiáng)度、現(xiàn)場試樁及工程樁檢測結(jié)果，雙向水泥攪拌樁在該區(qū)域成樁質(zhì)量較好，各項指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求，處理效果達(dá)到預(yù)期。

4 工藝優(yōu)勢

雙向水泥攪拌樁具有攪拌樁所有的特性，施工工藝與常規(guī)攪拌樁一致，都是通過水泥與原狀土攪拌混合，達(dá)到改善原狀土物理性能的目的，進(jìn)而達(dá)到工程使用要求。

雙向水泥攪拌樁由于采用內(nèi)、外兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉(zhuǎn)攪拌，使得水泥與土充分?jǐn)嚢杌旌希岣邤嚢铇冻蓸顿|(zhì)量，加大攪拌樁處理深度[2]。本項目軟土較深，若采用常規(guī)水泥攪拌樁則無法打穿淤泥層，攪拌樁處于懸浮狀態(tài)，后續(xù)工后沉降偏大。采用CFG等剛性樁，雖然也能打穿淤泥層，但由于現(xiàn)狀地表標(biāo)高較高，樁頂土層較薄，道路運(yùn)營期易路面出現(xiàn)“蘑菇狀”，且造價較高。雙向水泥攪拌樁為柔性樁，在本項目中能穿透軟土層，采用雙向水泥攪拌樁能較好解決工后沉降及路面“蘑菇狀”問題，且軟基處理費(fèi)用較剛性樁低，具有明顯的優(yōu)勢。

5 結(jié)束語

以工程實例作為研究對象，從雙向水泥攪拌樁加固機(jī)理、方案設(shè)計以及處理效果及工藝優(yōu)勢等方面進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：雙向水泥攪拌樁處理深厚軟土效果較好，處理深度較常規(guī)水泥攪拌樁大，成樁質(zhì)量較常規(guī)水泥攪拌樁更好，更均勻。

雙向水泥攪拌樁作為復(fù)合地基一種，在深厚軟土地基處理中具有明顯的優(yōu)勢，通過樁土共同作用，能夠明顯提高地基承載力、降低工后沉降，做為柔性樁，與樁間土沉降能協(xié)調(diào)，整體沉降均勻。