堤防除險加固工程三軸水泥土攪拌樁水灰比優化

溫國棟，錢少璇，楊婷婷

（1.江蘇天源建設集團有限公司，江蘇 淮安 211700；2.江蘇省盱眙縣水務局，江蘇 盱眙 211700）

三軸水泥土攪拌樁應用于水利水電、建筑、交通等工程，主要目的是有效解決雙軸水泥土攪拌樁鄰樁搭接不完全、成樁垂直度無法保證等技術問題。但三軸水泥土攪拌樁在工程應用中主要面臨攪拌樁材料用量、水灰比和成樁質量控制等問題，現行規范中對攪拌樁水灰比的規定并不統一，對攪拌樁強度的爭議也較大[1]。為此，本文依托具體的堤防除險加固工程進行成樁試驗，探討三軸水泥土攪拌樁水灰比優化及強度控制問題。

1 工程概況

盱眙縣淮河干流灘區城根灘堤防薄弱段應急除險加固工程施工2 標（樁號9+000～16+440）包括堤防加固7.4km，堤防防滲處理7.44km，堤后填塘固基3.17×104m2，拆建大洲引水涵洞1 座，拆建壩拐排灌站出水池及穿堤涵洞，改造大洲排澇站出水口，配套工程管理與堤防巡查設施建設。設計防滲墻軸線沿城根灘圩堤現狀堤頂布置，樁頂高程16.5m，樁底高程9～10.5m，水泥攪拌樁設計樁徑0.5m，鉆孔間距0.4m，搭接厚度約0.3m。為增強加固效果，達到支護、防滲或承載的目的，決定采用三軸水泥土攪拌樁其施工工藝。

為保證施工質量，必須在施工開始前通過成樁試驗確定水泥漿水灰比、噴漿提升速度等施工參數取值及具體施工工藝。考慮到密封效果，水泥攪拌樁應設置連續型斷面，并將相鄰樁套接為一孔施工，鄰樁搭接施工間歇控制在16h 以內，若因不可避免的原因而延誤搭接施工，必須減緩攪拌速度，確保搭接質量。三軸攪拌樁施工期間，還應始終保持樁基底盤垂直于立柱導向架，并將立柱導向架垂直度偏差嚴格控制在1/250 以內。

2 施工原理及試樁方案

2.1 施工原理

三軸水泥攪拌樁以水泥為固化劑，借助三軸螺旋鉆頭進行地基土原位翻轉及強制攪拌，切削土體后在下沉及提升攪拌的同時噴漿，并施加高壓空氣，保證水泥土充分攪拌。在攪拌土未完全固化前比重基本維持在1.5～1.6kg/cm3。三軸水泥攪拌樁施工工藝對環境影響小，施工過程中高壓空氣持續釋放壓力，可有效緩解施工對周圍土體的側向壓力。本工程采用Ф850 三軸攪拌樁設備套接一孔法兩噴兩攪施工，并保證樁體范圍內水泥攪拌均勻，樁體垂直度誤差控制在1/200 以內。施工使用42.5 普通硅酸鹽水泥，按照20%確定水泥摻量，水灰比按1.5 確定，墻體抗滲系數10-6～10-7cm/s，樁體28d 無側限抗壓強度至少為1.0MPa。

三軸水泥攪拌樁施工前必須全面探測施工區域地下生活垃圾、塊石等障礙物并清理，此后分層夯實。第一批樁施工數量至少為3 根，并保證漿液水灰比、水泥投放量、泵送時間、攪拌樁沉降時間、樁長、垂直度等施工參數完全符合設計要求。樁體施工過程必須連續，通過套接一孔法施工，保證建成的水泥土攪拌墻具備可靠的防滲性能。注漿施工過程若因故暫停，并在恢復壓漿前提升或下沉攪拌機0.5m，確保攪拌樁連續。鄰樁搭接時間控制在12h 以內，若因特殊原因超出該時間，必須報經監理方及設計方同意后，在搭接處進行攪拌樁補施工。

根據相關規范，三軸水泥土攪拌樁施工時必須二噴二攪，前后兩次噴漿的水泥用量分別控制在設計用量的70%和30%，待攪拌頭沉降至設計標高后開啟壓漿泵，使漿液到達噴漿口，此后在攪拌且提升攪拌頭的同時噴漿，提升速度必須連續、勻速，待將攪拌頭提升至樁頂設計標高以上40cm 后將灰漿泵關閉，并將攪拌頭沉降至設計標高。隨即開啟注漿泵，并實施二次噴漿、提升和攪拌。

2.2 試樁方案

試樁試驗安排在該堤防工程場地東側，選擇采取套打連接方式的施工5 組Ф850@600 三軸水泥土攪拌樁，按照1.6 的水灰比和20%的水泥摻量、15m 的攪拌深度成樁。待達到一定強度后進行7d、14d、28d 動力觸探試驗、標準貫入試驗、取芯強度試驗、取漿強度試驗[2]。試驗布置具體見圖1。

圖1 試樁試驗方案

根據相關規范及設計要求進行該堤防除險加固工程防滲三軸水泥土攪拌樁配合比確定及試樁。根據地勘資料，堤防加固段土密度取1.8t/m3，三軸攪拌樁設計長度為30m；為確保樁頂水泥土強度，必須按照設計高程+50cm 確定樁頂實際高程；壓漿期間避免出現斷漿、輸漿管堵塞。擬定基礎水灰比為1.5，則對應的水泥制漿量1.82m3/t，單幅樁所需要的漿液量為29.884m3。試樁配合比具體見表1。

表1 單幅防滲三軸水泥土攪拌樁配合比

在三軸攪拌樁試樁期間，當水灰比取1.5～1.6時，所對應的廢漿量較大，現場所估算的廢漿量高達7m3/幅，通過進一步考察該除險加固工程堤防工況條件發現，造成這種現象的原因主要是基坑內地下水位較高，所實際測得的地下水高程為-0.5m；堤防防滲樁在高程約+8.0m 的堤頂向下開挖施工，內外側水位標高均值均達到+2.5m，堤身其余高度內則無地下水位補給。

結合6d 齡期靜力觸探試驗檢測結果，所檢測得4 根三軸水泥攪拌樁均勻性比原狀土明顯改善，但是靜力觸探比貫入阻力曲線存在較大波動，均勻性一般；6d 齡期三軸水泥攪拌樁強度也比原狀土有所提升，最大提升幅度為2.03 倍，堤防加固效果較為顯著。

3 水灰比優化

按照設計，三軸水泥攪拌樁水泥摻量應至少為20%，并將基于理論計算所得到的水泥漿液29.884m3均勻摻入樁體內。但施工期間，水泥漿混合物返漿外溢現象較為明顯，溢漿主要通過導流槽導入儲漿坑，達到固化狀態后外運棄置。這一情況會直接造成樁體水泥摻量達不到20%的要求，并會影響成樁質量。

結合調查，沉樁區域內地下水位較高，使得配置好的水泥漿液無法徹底融入待加固土體內，故應降低水灰比，從而在保證水泥摻量20%的情況下提升漿液配置濃度，控制漿液體積。筆者調查到的現行規范中所規定的水灰比具體有3 種：①《建筑深基坑工程施工安全技術規范》中所規定的三軸水泥土攪拌樁水灰比，具體見表2。②《建筑地基處理技術規范》所規定的固化劑應選用強度等級至少32.5 的水泥，單軸及雙軸水泥土攪拌樁水泥摻量應為13%～15%，三軸水泥土攪拌樁水泥摻量應按照20%～22%控制；濕法水泥漿水灰比應確定為0.45～0.70，以保證其可噴性和施工的方便性。③《型鋼水泥土攪拌墻技術規程》中將三軸水泥土攪拌樁水灰比規定在1.2～2.0，具體見表3。

表2 JGJ311-2013 所規定的三軸水泥土攪拌樁水灰比

表3 JGJ/T199-2010 所規定的三軸水泥土攪拌樁水灰比

結合筆者調查，市場上現有的三軸攪拌樁機供漿系統工作水灰比基本按照1.5～2.0 設計，如果調整水灰比，必須更換機械供漿系統，勢必會增大工程造價。綜合考慮后該除險加固工程決定采用《型鋼水泥土攪拌墻技術規程》所推薦的水灰比下限，并將水灰比調整為1.2，據此計算，水泥制漿量達到1.52m3，單幅樁所需要的制漿量則降為24.959m3。調整后的配合比具體見表4。與原水灰比相比，在水泥摻量不變時，調整后的水灰比下總漿液量減少4.925m3，且每幅攪拌樁現場實測的廢漿量僅為2m3。三軸攪拌樁施工結束28d后成樁質量檢測結果顯示，樁身強度、取芯率等均滿足設計。

表4 調整后的單幅防滲三軸水泥土攪拌樁配合比

《普通混凝土配合比設計規程》規定，必須基于試拌配合比展開混凝土強度試驗，并應在該規程所規定的試拌配合比之外，至少采用兩種不同配合比，且這兩種配合比的水膠比應在試拌配合比的基礎上±0.05，砂率±1%。基于以上規定，還可以進行該堤防除險加固工程三軸水泥土攪拌樁水灰比的進一步優化[3]。

此外，進行待攪拌土層含水量原位測定，并將此部分含水量納入三軸攪拌水泥土水灰比計算。試樁過程中應依據經驗確定水灰比，基于此再將水灰比增加±0.5，水泥用量不變的情況下調整用水量。在確保地基處理所需樁體強度及滲透系數的情況下進行水灰比試樁返漿量實測，并以返漿略微高出地面為準確定最有水灰比。針對所確定出的最小水灰比調整水泥用量后展開沉樁試驗，并進行符合樁體強度與滲透系數的水泥用量確定，將合格保證率控制在95%及以上。混凝土配置強度按照下式確定：

式中：fcu,0—混凝土配置強度，N/mm2；fcu,k—混凝土標準抗壓強度，N/mm2；σ—混凝土強度標準差，N/mm2。

4 結論

綜上所述，該堤防除險加固工程三軸水泥土攪拌樁水灰比降低后，堤防防滲加固效果明顯提升，并使得水泥地基土充分水化，加固均勻性有保證，有效避免了原水灰比下用水量過多，漿液流失嚴重，前期固結速度慢等系列問題，漿液外溢及固體廢物污染也得到有效遏制。雖然水灰比降低會因三軸攪拌樁機供漿系統的更換而增加工程造價，但是與所產生的工程效益相比，微乎其微。按照本文所提供的思路，還可以進行三軸水泥土攪拌樁水灰比的進一步優化，不斷推動三軸水泥土攪拌樁施工工藝的發展和完善。