公路工程路基加固施工中深層水泥攪拌樁施工技術分析

薛軍濤

（中鐵二十一局集團路橋工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

公路工程中，路基加固是確保道路穩定性和承載能力的重要環節。深層水泥攪拌樁作為一種常用的加固施工技術，在公路工程中得到了廣泛應用。深層水泥攪拌樁通過在土體中注入水泥漿并進行攪拌，形成縱向連續的水泥柱，從而提高路基的強度和穩定性。該技術具有施工周期短、效果顯著、成本較低等優點，是一種可行、經濟的路基加固方法。因此，探討深層水泥攪拌樁的施工技術具有較強的現實意義。

1 深層水泥攪拌樁在公路路基加固中的價值

1.1 提升公路路基的承載能力

公路路基需要能夠承受車輛荷載以及自然環境的影響，但在部分地質較差或自然環境惡劣的區域，常規路基難以直接承受車輛荷載。通過深層水泥攪拌樁技術，可以將土壤與水泥充分攪拌混合，形成堅固的樁體，從而增加土體的強度和穩定性。此種加固方式可減少路基的沉降和變形，提高路面的穩定性和承載能力，確保道路長期安全使用。深層水泥攪拌樁通過創造更牢固的基礎結構來支撐路面和交通負荷。樁體的形成可以使土壤更緊密，并增加土體內的摩擦力和抗剪強度，有效地提高了路基的承載能力。同時，深層水泥攪拌樁還能夠延伸到較深的土層，使路基在不穩定土體上建立更牢固的支撐，提供了更可靠的結構[1]。

1.2 改善公路路基的土質條件

在公路建設中，常遇到土質條件較差的情況，如軟弱地基、黏性土等。此類土壤會導致路基的沉降、變形和不穩定等問題，影響道路的使用壽命和安全性。通過深層水泥攪拌樁技術，可以對土壤進行有效的改良。攪拌樁的施工過程中，水泥與土壤充分混合，形成均勻的樁體，此種混合作用可以增加土壤的密實度、抗剪強度和排水性能，改善土壤的工程性質。深層水泥攪拌樁還可以減少土壤的液塑性指標，從而提高其可塑性和穩定性。即使在軟弱的土壤條件下，也可構建出具有足夠承載力和穩定性的路基。

1.3 減少路基加固的施工時間和成本

傳統的路基加固方法往往需要耗費大量的人力、物力和時間，造成工期延長和成本增加。而深層水泥攪拌樁技術通過機械化施工，可高效地完成大面積的路基加固工程。由于深層水泥攪拌樁的施工速度較快，可以在較短時間內完成大規模的樁體形成，顯著減少施工周期，縮短工期，提高施工效率[2]。

2 公路工程路基加固中深層水泥攪拌樁的施工技術要點

2.1 加強設計規劃

首先，應進行詳細的土壤分類和地質條件評估，包括土壤承載能力、滲透性、地下水位以及其他地質特征。例如，通過鉆孔取樣和實驗室測試，確定各地層的黏土、砂和巖石含量，這些數據對于設計樁的尺寸、混凝土配比以及攪拌參數至關重要。其次，設計團隊需要依據地質數據來決定樁的布局和尺寸。樁的直徑、間距和布置模式必須根據地面載荷、交通流量預測以及路面設計壽命進行優化。例如，重載交通區域的樁可能需要更大的直徑（可達1.5m）和更緊密的間距（1.8m），以承受較大的壓力。此外，施工參數的設計是確保DCM施工成功的關鍵，包括攪拌工藝的深度、速度和時間，以及所需水泥漿的黏度和流動性。這些參數需要結合施工流程（圖1），進行先導試驗和數值模擬進行驗證，確保既能實現足夠的樁體強度，又不會對周圍土壤造成不利影響。例如，高黏土含量的土壤可能需要降低攪拌速度和增加攪拌時間，以免產生過大的剪切力導致土壤結構遭受破壞。最后，風險管理計劃的制定也是設計規劃過程的重要組成部分。設計團隊應識別并評估潛在的風險，如施工期間的天氣情況、供應鏈問題以及機械故障等，并制定相應的備用方案。例如，在洪水易發區域，設計時需加入額外的排水設計參數，并準備緊急排水設備和物資[3]。

圖1 施工流程

2.2 合理選擇材料

首先，黏土、砂土以及含有機質土壤對水泥改性反應各不相同。例如，黏土類土壤適合使用快硬型水泥，因為黏土與水泥的化學反應相對緩慢；而砂土則需要一定的黏結劑，因此，常添加具有黏結作用的粉煤灰或膠結材料。實踐中通常通過實驗室測試確定最佳摻量，例如，標準試驗可能顯示，對于某特定黏土，水泥摻量在20%~30%時能達到預期的強度增長。其次，根據目標強度和耐久性需求挑選適宜的水泥品種。普通硅酸鹽水泥（OPC）廣泛應用于多種土壤類型，但在苛刻環境下，如存在較高的硫酸鹽含量或酸性土壤中，需采用硫鋁酸鹽水泥（SAC）來提高抗硫酸鹽侵蝕能力，SAC 在酸性條件下的性能可以是OPC 的兩倍以上。此外，視工程所在區域的氣候條件選擇抗凍性或耐熱性材料。溫度變化會引起水泥土體裂縫，影響其整體性能。例如，在寒冷地區，冬季施工可能需要抗凍性能更好的水泥，或是添加適量抗凍劑。而在炎熱地區，快速水化反應產生的熱量可能導致過早的水分流失，可選用低熱型水泥或添加適當的緩凝劑。再次，在選擇水泥外，還需評估其他添加劑的必要性，如石灰、粉煤灰或礦物粉等。粉煤灰作為一種工業副產品，能有效減少水泥用量并提高復合土的工作性和后期強度。例如，將水泥與粉煤灰按1.0:1.5 比例混合，可使7d 齡期的抗壓強度相比單純水泥土提升20%以上。最后，材料質量直接影響路基加固的成效，應嚴格按照國家或地區的標準開展進貨檢驗是必不可少的步驟。每批水泥都應進行穩定性和一致性測試，確保其物理和化學性質滿足設計規范[4]。

2.3 合理選擇設備

首先，應選擇能夠適應特定地質條件（土壤類型、硬度和含水量）的攪拌設備。對于混合較硬或干燥土壤的場地，可選擇高扭矩的鉆桿和強力驅動裝置。相反，軟土或泥巖地層需要較小的扭矩和提供更精細控制速度的設備。例如，當土壤黏度大時，可以使用連續螺旋形攪拌頭來減少拔出阻力。其次，大型機械發動機功率通常較大，可在復雜地質情況下維持穩定的工作性能。然而，對于空間受限的城市或現有交通網絡附近的工程，中小型設備因其良好的機動性和較低的噪音級別而更加適用。至于操作效率，應根據項目規模和預期工期來選擇設備，在滿足工期的前提下，盡可能提升生產率，例如，選用帶有自動化攪拌深度控制系統的設備以提高作業精準度。此外，不同類型的攪拌樁設備具有不同的工作范圍，例如，從較淺的地層改良到超過30m 深的構造。因此，應基于設計的深度要求，選擇相匹配的攪拌設備，確保深層攪拌過程能夠到達設計深度。再次，為實現均勻混合和準確的樁位置，應選用能夠進行連續攪拌并配備高精度定位系統的設備。此類設備能夠通過GPS 定位或其他傳感器確保施工的精度，避免樁體位置偏移，從而提高整體路基的承載能力。最后，針對噪聲和排放管控嚴格的區域，應挑選符合當地環境法規和排放標準的設備。低噪音、低排放的設備雖然初期投資較高，但長遠來看可減少對周邊環境的影響，同時降低潛在的環境責任風險[5]。

2.4 控制攪拌工藝

首先，根據前期的土壤測試結果，計算得出最佳的水泥與土壤的質量比，通常情況下，水泥用量占土壤重量的10%~30%。實時監控水泥漿的密度、黏度以及流變性能，確保所有攪拌批次的均勻性和穩定性。需要精確控制水泥漿的供應系統，包括泵送壓力和流量，防止水泥漿因供應不足或過量影響樁體強度和均勻性。其次，通過精確定位系統檢測攪拌頭的垂直位置，以確保按設計深度進行攪拌，并且避免重復攪拌或遺漏未攪拌區域。若攪拌深度不足，將導致樁體底部承載力不足；反之，過深則會造成材料浪費和不必要的成本增加。并采用適當的攪拌順序，如單排、雙排或錯列排列，這取決于設計上的承載力要求和土壤情況。在實際操作中，應考慮到相鄰樁之間攪拌樁在施工中產生的作用力可能對已完成的樁體造成干擾，因此，需合理規劃攪拌順序，通常從工作面的兩端開始，逐步向施工區域的中心推進。注漿方面可采用噴射注漿法，結合實際選擇單管、雙管、三管。噴射注漿法示意圖如圖2 所示。最后，樁體澆筑結束后，應對完成的樁體進行檢測和評估，以驗證攪拌工藝的效果。通過取樣檢測樁體的不同深度處的強度，確認達到設計要求。在特殊情況下，還可以采用無損檢測方法如超聲波測試，來評價樁體內部的均勻性和完整性。

圖2 噴射注漿法示意圖

2.5 加強質量控制

首先，施工前應對水泥、水和其他添加劑進行嚴格測試，確保所選材料符合設計規范要求。例如，水泥應符合相關標準，其細度、設置時間、抗壓強度等參數需要通過實驗室測試來驗證。其次，施工期間要監控攪拌深度、速度和時間，確保每一根樁都達到了設計要求。通常，現場監控系統能夠實時記錄設備參數，如樁深度傳感器記錄的樁達到的深度，以及攪拌機頭的轉速。也可在現場設備中安裝各類傳感器，如深度傳感器、壓力傳感器、流量計等，傳感器安裝位置如圖3 所示。此外，為確保攪拌均勻性，可以從不同深度和攪拌區域提取樣本，通過無損檢測技術如超聲波測試評估樁身內部均質性和完整性。結構完整性的評估通常需要對超聲波檢測數據與地理信息系統（GIS）中樁位置進行分析，確保數據準確性。完成樁體硬化后，通過鉆芯取樣和實驗室測試來評價樁的強度和持久性，包括抗壓強度、韌性和抗蝕性。例如，28d 齡期的水泥攪拌樁應達到設計強度的95%。最后，建立起全面的質量管理體系，確保從材料供應到施工完成的每個步驟都有文檔記錄和質量追溯。這個體系應包括標準操作程序、質量檢查表以及改正和預防措施。

圖3 傳感器安裝位置

2.6 加強環境保護

首先，施工前期應評估預計的環境影響，并制定相應的緩解措施。地下水位測量是必不可少的步驟，因為DCM 施工過程中可能會引起地下水污染。若預測到有潛在的污染風險，則需采用隔離措施，例如，設立防滲膜或水平防水層來保護地下水。其次，選擇適當的施工機械也是降低環境影響的關鍵。應選用符合當地排放標準的機械，以此減少施工過程中的廢氣排放。此外，還需確保機械處于良好的運行狀態以減少噪音和振動。例如，使用電動攪拌機代替柴油機攪拌機可顯著減少噪聲和空氣污染。在材料的使用上，嚴格控制水泥和添加劑的配比，以減少對土壤和水質的潛在危害。特別是使用環保型添加劑（如粉煤灰）不僅能提高混凝土性能，而且能減少水泥使用量，從而減少二氧化碳的排放。粉煤灰作為一種副產品，不僅利用了工業廢料，而且減少了填埋空間的需求。最后，對完成的樁體附近的土壤和地下水進行檢測，確保未超出污染閾值。根據需要，還應實施長期監測計劃，以評估施工活動對周邊環境的長期影響。

3 結語

綜上所述，通過研究深層水泥攪拌樁施工技術，可以進一步完善和優化該技術，提高公路工程的質量和效益。在未來的研究中，需要進一步探索土體與水泥漿的充分混合、攪拌樁質量的控制以及施工效率的提升等關鍵問題。同時，還可以結合新材料和新技術的應用，探索更加可持續和環保的施工方案。通過不斷改進和創新深層水泥攪拌樁施工技術，將進一步提高道路的安全性、舒適性和可靠性。