道路工程大直徑超深水泥攪拌樁施工技術(shù)研究

包 珍

(中國鐵建港航局集團有限公司,廣東 珠海 519000)

0 引言

水泥攪拌樁技術(shù)引入國內(nèi)已有20多年的發(fā)展，具有設(shè)備簡單，施工方便，無振動，無噪音，對環(huán)境無污染，對土體無側(cè)向擠壓等眾多優(yōu)點[1]。但大直徑超深水泥攪拌樁一直受樁身完整度差、樁體質(zhì)量難以控制等問題困擾。為改善以上問題，通過改進施工設(shè)備與施工工藝的方法，提高工程質(zhì)量。最終水泥攪拌樁成樁效果好，各項檢測指標均符合設(shè)計要求。

1 工程概況

本項目道路填土高度為2.0 m，軟基處理設(shè)計水泥攪拌樁均按照正方形(矩形)布置，設(shè)計樁徑為0.8 m，設(shè)計樁間距為2.0 m，樁間設(shè)置樁徑0.6 m，樁長為8 m的水泥攪拌樁短樁進行加固處理，如圖1所示。樁頂設(shè)1層雙向塑料土工格柵和50 cm后碎石墊層褥墊層。水泥攪拌樁施工工藝：四攪四噴，水泥摻量： 20%(重量比，淤泥重度16.0 kN/m3)；設(shè)計水灰比為0.5～0.6，水泥土28 d抗壓強度不低于0.6 MPa，水泥土60 d 抗壓強度不低于0.8 MPa，90 d抗壓強度不低于1.0 MPa；水泥攪拌樁90 d單樁承載力不低于300 kN。正式大面積施工前，應(yīng)進行不少于5根的工藝性試樁[2]。

圖1 水泥攪拌樁復(fù)合地基軟基處理標準斷面圖(單位:m)Fig.1 Standard section of soft foundation treatment for cement mixing pile composite foundation(unit:m)

復(fù)合地基常規(guī)設(shè)計中采用樁徑50 cm，樁長小于20 m 方式，施工中采用雙層葉片鉆頭，四攪四噴工藝[2]。

2 地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探揭露的地層自上而下為：地表水；人工填土層(Q4ml)；第四系海陸交互相沉積層(Q4mc)；殘積層(Qel)；下伏基巖為燕山三期侵入花崗巖(γ52(3))。

(1)人工填土：褐黑、黃褐、灰黃、褐灰等雜色，稍濕～濕，松散～局部稍密狀，主要由黏性土混砂組成，含約10%～30%左右的碎石，粒徑約2～8 cm，為人工回填而成。平均厚度約2.00 m。

(2)第四系海陸交互相沉積(Q4mc)

① 淤泥：灰黑色，飽和，流塑，成分以黏粒為主，含有機質(zhì)及少量貝殼碎片，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，具腐臭味，局部夾薄層粉細砂。目前揭露的厚度為12.50～31.50 m，平均約19.00 m。

② 淤泥質(zhì)黏土：灰黑色，飽和，軟塑，成分以黏粒為主，含有機質(zhì)，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高，無搖振反應(yīng)，略具腐臭味，局部夾薄層粉細砂。該層在場地內(nèi)較廣泛地分布，目前揭露的厚度為3.10～24.40 m，平均約12.00 m。

③ 黏土：褐紅、褐黃、灰黃、灰白、褐灰色，濕，可塑，成分為黏粒組成，黏性好，切面光滑，干強度高，韌性高。該層在場地內(nèi)基本都有分布，目前揭露的厚度為1.40～37.50 m，平均約7.00 m。

④ 中砂：褐灰、灰黃、褐黃、灰白色，飽和，稍密，成分以石英中砂為主，含10%～25%的黏粒，局部含黏土較多，分選性較好，顆粒級配良。目前只是局部揭露出該層，目前揭露的厚度為1.10～10.80 m，平均約6.60 m。

(3)第四系殘積層(Q4el)

砂質(zhì)黏性土：灰白、灰黃、褐黃、褐紅色，稍濕～濕，硬塑，成分以長石風化形成的次生黏土礦物為主，含約25%左右的石英砂，干強度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)，浸水易崩解、軟化。目前只是局部揭露出該層，目前揭露的厚度為1.10～14.20 m，平均約4.00 m。各地層物理力學(xué)性能如表1所示。

表1 各層物理力學(xué)性能統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of physical and mechanical properties of each layer

3 重難點分析

(1)區(qū)域特點

本項目所處的洪灣港北片區(qū)位于珠江三角洲的南部前緣，因特有的地理位置及地質(zhì)成因，使得該地區(qū)濱海相軟土及其所處環(huán)境呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域特征，是全國報道中最軟的軟土，在該條件下進行的大規(guī)模地基處理成本高、技術(shù)難度大[3]。

(2)目前水泥攪拌樁應(yīng)用特性

水泥土攪拌樁復(fù)合地基是一種能有效提供承載力和控制工后沉降的深厚軟基處理較常用的地基加固方法。然而實際工程中，由于天然形成、環(huán)境污染或海水入侵等原因，地下水和土的礦化度很高，這使得水泥土性能隨時間衰減很快，對水泥攪拌樁成樁質(zhì)量要求較高[4-5]。

(3)大直徑超深樁特點

大直徑超長水泥攪拌樁設(shè)備功率要求高、樁徑大、樁長深、質(zhì)量控制難度大，采用常規(guī)工藝施工無法滿足設(shè)計及規(guī)范要求[6]，如表2所示。

表2 常規(guī)攪拌樁與大直徑超深樁對比Tab.2 Comparison between conventional mixing pile and large diameter ultra-deep pile

①徑大

水泥攪拌樁軟土地基處理中設(shè)計常規(guī)以50～60 cm 為主，本研究水泥攪拌樁樁徑為80 cm，直徑較大，對于攪拌樁機械設(shè)備功率要求高。

②身長

《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)中規(guī)定攪拌樁噴漿攪拌法的加固深度不宜大于20 m，本工程攪拌樁設(shè)計長度為25～27 m，極容易出現(xiàn)斷樁、強度低、短樁等質(zhì)量事故，對于工程施工帶來了極大難度。[7]

③質(zhì)復(fù)雜

項目位于濱海地區(qū)，地下水位高，淤泥及淤泥質(zhì)黏土層厚度達33 m，其中淤泥層厚24.5 m，對于水泥攪拌樁成樁質(zhì)量影響較大。

4 施工技術(shù)優(yōu)化方案

4.1 鉆頭優(yōu)化

(1)3層葉片

水泥攪拌樁機的鉆頭葉片常規(guī)由厚度2 cm，寬10 cm 2層4組葉片組成[8]，根據(jù)大直徑攪拌樁特點增加1道葉片，形成3層6組葉片，每層葉片投影方向相互垂直，間距50 cm。優(yōu)點為增加水泥漿液與淤泥質(zhì)土的攪拌次數(shù)，達到更加充分的攪拌效果，提高攪拌均勻度，提高樁身強度，保證樁體完整性。鉆頭圖如圖2所示。

圖2 3層葉片鉆頭Fig.2 Three-layer bladed drill

(2)雙道葉牙

水泥攪拌樁機的鉆頭雙層葉片上分別在外緣、中間部位焊接一道合金鋼牙齒，高2 cm，優(yōu)點在于進一步提高攪拌均勻性。為樁周方向提供漿液流暢通道，進一步提高了攪拌均勻性，保障樁身強度值。結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 鉆頭加設(shè)葉牙Fig.3 Blade teeth added on drill pipe

4.2 噴漿口優(yōu)化

水泥攪拌樁機的噴漿口位于鉆桿中心，鉆頭底部，施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)堵塞、淤泥回流等現(xiàn)象[9-10]，導(dǎo)致出漿量不足、斷漿等影響樁身質(zhì)量。本項目中采用2個噴漿口形式，分別位于鉆桿底端左右兩側(cè)，雙口噴漿既保證了噴漿量足又克服了堵塞現(xiàn)象，有效提高了樁身質(zhì)量。

圖4 鉆頭噴漿口設(shè)置Fig.4 Setting of drill pipe nozzles

4.3 噴漿壓力優(yōu)化

攪拌樁施工過程中噴漿時注漿泵出口壓力0.4～0.6 MPa[11]，為了漿液與土體攪拌更充分，并控制好總漿液用量，第1次一攪一噴時噴漿壓力采用上限值，即0.6 MPa，第2次一攪一噴時噴漿壓力采用下限值，即0.4 MPa。優(yōu)點在于第1次攪拌時先噴出超額水泥漿液進行攪拌，第2次可控制總漿液用量，有效提高了樁身質(zhì)量，并控制了成本[12]。

4.4 鉆桿升降控制

水泥攪拌樁樁機功率為45～55 kW，施工時鉆桿下沉及提升速度控制在0.5～0.8 m/min，下沉時采用上限值，提升時采用下限值，確保加固深度范圍內(nèi)土體攪拌均勻，當鉆頭提升至距原地面0.3～0.5 m 時，可停止噴漿。

5 施工注意事項

(1)做好場地的平整工作，并有足夠的承載力[13]，施工中應(yīng)保持攪拌樁機底盤的水平和導(dǎo)向架的豎直，攪拌樁的垂直偏差不得超過1%[14]。

(2)設(shè)計要求的水泥摻量暫定為20%，應(yīng)通過試樁確定最佳水泥摻量，建議采用18%，20%，22%，這3種水泥摻量進行試樁。

(3)水泥每次投料后拌和時間不得少于3 min，待壓漿前將漿液倒入集料池中，配置的灰漿應(yīng)流動性好[15]，不離析，便于泵送、噴攪，灰漿應(yīng)攪拌均勻，現(xiàn)制現(xiàn)用，加濾網(wǎng)過濾，制拌好的水泥漿不得停置時間過長，超過3 h不得使用[16]。

(4)攪拌鉆頭直徑不小于800 mm，應(yīng)每天檢查1次，磨損量不得大于10 mm，及時加焊或更換葉片。

(5)攪拌機下沉到設(shè)計深度后，噴漿30 s保證樁底的加固質(zhì)量，然后再按規(guī)定速率邊噴漿邊提升攪拌機。

(6)施工過程中，如遇到停電或特殊情況造成停機導(dǎo)致攪拌中斷時，應(yīng)將攪拌機下降至停漿點以下1 m處，待恢復(fù)供漿時再噴漿攪拌，以防止出現(xiàn)不連續(xù)樁體[17]。

6 效果檢驗情況

經(jīng)委托珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站檢測A35，A36，A48，A49，A64，A65，A117，A118，A136，A153，A154，A171，A172，A189等14根水泥攪拌樁，檢測結(jié)果如下。

(1)樁長

設(shè)計樁長25 m，取芯長度24.8 m，實取芯樁22.4 m，取芯率99.2%(因取芯操作問題，造成沉渣積累，扶正器無法下去)[18]，按樁長25 m計，取芯率89.6%，實際施工可達到驗收合格標準。

(2)完整性

取芯后樁身完整性較好，芯樣連續(xù)，水泥攪拌均勻。

A35，A49，A65，A189受檢樁芯樣多數(shù)呈長柱狀，少數(shù)呈短柱狀、塊狀，膠結(jié)好，手感堅硬，RQD指標0.056，樁身完整性判定為Ⅰ類。

A36，A48，A64，A117，A136，A153，A154受檢樁芯樣多數(shù)呈長柱狀，少數(shù)呈短柱狀、塊狀，大多數(shù)芯樣膠結(jié)較好，手感較硬。局部芯樣松散或芯樣水泥含量少，RQD指標0.112，樁身完整性判定為Ⅱ類。

A118，A171，A172受檢樁芯樣多數(shù)呈長柱狀，少數(shù)呈短柱狀、塊狀，大多數(shù)芯樣膠結(jié)較好，手感較硬。局部芯樣松散或芯樣水泥含量少，呈可塑性且芯樣長度大于1倍樁徑，樁身完整性判定為Ⅲ類。

檢測結(jié)果表明Ⅰ類樁占28.6%，Ⅱ類樁占50.0%，Ⅲ類樁占21.4%，合格樁占78.6%。

(3)樁身強度

14根水泥攪拌樁從芯樣上、中、下3個不同位置取樣，水泥土芯樣抗壓強度代表值為0.64～1.56 MPa，水泥土抗壓強度28 d設(shè)計值為0.6 MPa，滿足設(shè)計要求。

7 結(jié)論

(1)濱海地區(qū)深軟土地質(zhì)條件下D800 mm、27 m 大直徑超長水泥攪拌樁施工可采用樁機鉆頭優(yōu)化改進、鉆桿噴漿口的增設(shè)、噴漿壓力調(diào)整、鉆進及提升速率的控制等綜合措施，保證樁身施工質(zhì)量。

(2)大直徑水泥攪拌樁的樁距按2.0 m正方形布置，施工過程中未發(fā)現(xiàn)樁土擠壓造成斷樁現(xiàn)象，樁距設(shè)計合理。

(3)通過多次試驗及檢測結(jié)果表明工藝適應(yīng)性強，效果明顯，操作簡單，質(zhì)量、安全保障性高等特點，可廣泛應(yīng)用于類似軟土地基處理水泥攪拌樁工程施工中。