基于深層水泥攪拌樁的軟土地基公路施工技術(shù)研究

劉飛 LIU Fei；臧習(xí)倩 ZANG Xi-qian

（北京城建華晟交通建設(shè)有限公司，北京 101399）

0 引言

軟土地基是由含有大量細微顆粒的松軟土、擁有孔隙的有機質(zhì)土、泥炭等土層構(gòu)成的地基條件，擁有較高的地下水位，在軟土地基上方的填方、構(gòu)造物不具備更強的穩(wěn)定性，有較大概率會出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。我國各地均開展大規(guī)模的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需要通過處理軟土路基提高在軟土地基條件下建設(shè)的公路工程穩(wěn)定性能，提升整體承載性能。為此，本文將從具體案例出發(fā)，結(jié)合相關(guān)文獻資料，系統(tǒng)性分析基于軟土地基條件下的公路工程施工技術(shù)。

1 軟土地基的危害

軟土地基存在若干種特征，會為軟土地基上的公路工程帶來一定程度的危害：第一，因觸變性帶來的側(cè)向滑動。軟土本身屬于結(jié)構(gòu)性沉積物，一般情況下呈現(xiàn)出絮凝狀態(tài)，如果不對軟土進行外界荷載施加及破壞，其本身具備一定結(jié)構(gòu)強度。如果受到外界荷載影響，破壞原本的軟土結(jié)構(gòu)，軟土地基強度會快速下降，這種性質(zhì)即為觸變性。在施工建設(shè)中，如果軟土地基受到振動的荷載影響，有較大概率會發(fā)生側(cè)向滑動、底面擠出等負面現(xiàn)象；第二，因低透水性帶來的強度偏低影響。軟土地基不具備更高的透水性，在垂直方向透水率極低，并不能達到預(yù)期的排水固結(jié)效果。這會導(dǎo)致軟土地基擁有較長的沉降持續(xù)時間。正因為軟土地基對于公路工程后續(xù)使用產(chǎn)生較大的負面影響，所以需要采用合適施工工藝，有效處理軟土地基，合理規(guī)避可能產(chǎn)生的使用危害，保障公路工程長期安全使用。

2 深層水泥攪拌樁施工技術(shù)

2.1 工藝原理

關(guān)于水泥加固原理探討，主要為以水化反應(yīng)、水泥水解等方式利用，會有水泥水化物生成，并且其會和土顆粒產(chǎn)生團粒化、離子交換、碳酸化反應(yīng)等，從而構(gòu)成具有一定水穩(wěn)性及其強度的“水泥加固土”。而水泥加固土強度則與被加固性質(zhì)，如有機質(zhì)、含水量等息息相關(guān)，此外還會受到如外加劑、摻入量、硅酸鹽水泥等級等的影響。水泥加固土抗壓強度會伴隨水泥摻入量提升而加大，在常規(guī)情況下，一般水泥等級會大于45.2、水灰比會在0.43～0.55 之間、摻入比一般是12%～20%，關(guān)于強度標(biāo)準(zhǔn)值的確定，適宜取同配比的室內(nèi)試塊90 天齡期的立方體抗壓強度平均值和現(xiàn)場成樁28 天的無側(cè)限抗壓強度，一般可達0.5～3.0MPa。

2.2 工藝工法特點

所選工藝主要以“深層水泥攪拌樁加固”為主，該工藝具備施工噪聲小、無振動、技術(shù)可靠合理且不會污染環(huán)境等優(yōu)勢。其本身屬于就地攪拌并加固地基的一種形式，在具體施工中軟土?xí)l(fā)生不同側(cè)向擠壓現(xiàn)象，因此，不會對已有鄰近建筑產(chǎn)生過大影響，加固效果十分顯著、所投入成本也較低。基于多測研究、檢測與試驗證明，想要提升地基承載力，需將深層水泥攪拌樁加固軟基這種方式進行充分利用，該方式經(jīng)濟、科學(xué)、合理且行之有效。但是也需注意，當(dāng)前階段領(lǐng)域研究中，該技術(shù)還處于初步研發(fā)階段，在檢測技術(shù)、施工工藝等方面的研究尚不完善，這就使得施工質(zhì)量難以做到全方位把控，這就需要注重終端驗收、過程控制等工作的強化，以保證施工過程原始資料的不斷累積，以完善該工藝技術(shù)的應(yīng)用與研究。

2.3 適用范圍剖析

深層攪拌工藝在常規(guī)情況下，其使用范圍主要在粉土、黏性土、正常固結(jié)淤泥、飽和黃土等地基處理中，也可適用于豎向承載的復(fù)合地基、基坑的止水帷幕、基坑工程圍護結(jié)構(gòu)等。

3 案例分析

某地高速公路全長為34km，擬建設(shè)雙向4 車道，路基寬度設(shè)置為24m。在前期地質(zhì)勘察作業(yè)中，確認施工區(qū)域擁有較大規(guī)模的軟土地基。比如部分路段在鹽漬化地區(qū)范圍內(nèi)，含有厚度在1～5m 之間的軟土地基，土質(zhì)類型主要為黏土、粉細砂，一些路段存在表面滲水問題。還有一部分路段在沖積平原范圍內(nèi)，擁有大量水澆地與林地，含有厚度在5～15m 之間的軟土地基，土質(zhì)類型主要為淤泥、粉質(zhì)黏土。在施工單位與設(shè)計單位綜合分析后，確認使用深層攪拌樁施工工藝對軟土地基進行處理，通過添加適量水泥的方式，達到強化軟土地基的處理目標(biāo)，確保公路工程施工建設(shè)達到預(yù)期水平。

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 設(shè)備準(zhǔn)備

①施工前應(yīng)檢查深層攪拌樁機、水泥配制設(shè)備、導(dǎo)向設(shè)備及提升速度量測設(shè)備、水泥漿流量控制儀表及其它計量設(shè)備完好程度。②在正式施工前期階段，需對攪拌機械設(shè)備灰漿輸送管至攪拌機噴口時間、灰漿泵輸送量等技術(shù)參數(shù)進行明晰與標(biāo)定（如圖1）。

圖1 GZB-600 型深層單軸攪拌機

3.1.2 材料準(zhǔn)備

①深層水泥土攪拌樁固化劑的選用，確定為32.5 級常用硅酸鹽水泥，在摻入量方面，控制為加固土重量的7%～15%，1m3土體加固需摻入約110～150kg 水泥。②水泥應(yīng)符合鋼筋混凝土用水泥標(biāo)準(zhǔn)要求，并有出廠材質(zhì)證明、進場復(fù)試報告。水泥應(yīng)存放于封閉的水泥庫中，若無條件庫存應(yīng)露天架空20～30cm 碼放，苫蓋防雨布遮蓋。③外加劑。關(guān)于塑化劑選用，是以木質(zhì)素磺酸鈣為主；在石膏、促凝劑選用方面，對產(chǎn)品出廠合格證的檢查、驗證一定要及時，并且需保證摻量能夠通過試驗。

3.1.3 施工現(xiàn)場處理

在應(yīng)用深層攪拌樁施工工藝時，需要保證施工場地的平整度，充分清掃垃圾、石塊等雜物，以水通、電通、道路通、場地平整的“三通一平”作為施工場地處理的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)施工設(shè)計圖紙做施工放樣處理，通過施工放線確認攪拌樁的具體位置，如圖2 所示。

圖2 施工現(xiàn)場處理

3.2 深層攪拌樁施工工藝

深層攪拌樁施工順序如圖3 所示。施工工藝流程如圖4 所示。

圖3 深層攪拌樁施工順序圖

圖4 水泥土攪拌法施工工藝流程

3.2.1 測量放樣

依照施工圖紙要求，把控地墻內(nèi)邊線精準(zhǔn)放出，而后利用其進行攪拌樁施工范圍有效測得，在監(jiān)理、總包檢驗、復(fù)核完成后，也需要注重定位樁設(shè)置，以保證保護效果。

3.2.2 導(dǎo)溝開挖

以定位樁利用，進行攪拌樁邊線測得，標(biāo)識過程需采用石灰或細繩，而后才能依據(jù)標(biāo)識展開樣槽開挖工作，其深度需控制在自然地坪下約1.5m 左右位置，在正式開挖前，需注重障礙物及周邊環(huán)境清理。

3.2.3 樁機就位

在樣槽開挖作業(yè)已經(jīng)完成后，需確定攪拌樁是否依照定位樁實現(xiàn)精準(zhǔn)就位，并充分發(fā)揮攪拌機上水平尺、線錘設(shè)置，進行攪拌機水平度、垂直度調(diào)整、改善，保證攪拌機鉆桿能夠一直維持垂直。將場地內(nèi)水準(zhǔn)點進行充分利用，并引測攪拌機底座平臺的標(biāo)高。同時，依照設(shè)計圖紙，著重利用不同水泥摻量對應(yīng)深度范圍、加固深度等要求，進行攪拌機鉆桿入土深度換算，在換算完成后需于機架上做出標(biāo)識，保證整體控制有效性。

3.2.4 預(yù)拌下沉

在起重機上利用鋼絲繩吊掛“預(yù)拌下沉設(shè)備”，貯料儲罐砂漿泵與深層攪拌機的連通，需要以輸漿膠管利用實現(xiàn)，而后需在確定深層攪拌機冷卻水的循環(huán)時間已經(jīng)正常之后，及時開啟攪拌機，以使其充分利用自身重量，在導(dǎo)向架攪拌方向引領(lǐng)下，把控時效做切土下沉動作，這個過程起重機鋼絲繩也需要做到及時有效放松，其中，電機電流檢測表主要展現(xiàn)的是下沉速度有效控制作用，常規(guī)情況下需把控速度在0.6～0.8m/min 之間。作業(yè)期間運行電流需要≤70A。一旦出現(xiàn)下沉速度過慢情況，可以采用于輸漿系統(tǒng)補給稀漿液形式，推進鉆進工作速度。

3.2.5 制備水泥漿

確定深層攪拌機已經(jīng)下沉至一定深度，需遵循設(shè)計配合比要求，開展水泥漿拌制作業(yè)，在正式進行壓漿作業(yè)前期，要及時于集料斗中進行水泥漿添加。

3.2.6 噴漿攪拌提升

在深層攪拌機的下沉，已經(jīng)達到設(shè)計所需深度之后，需做到灰漿泵的及時開啟，以便于自攪拌機中心管將水泥漿壓入地基，這個過程需要注重一邊噴漿、一邊攪拌，在持續(xù)1～2min 后，可以上提，上提過程需直至到達設(shè)計樁頂標(biāo)高，以確保一次攪拌過程完成。關(guān)于深層攪拌機的提升速度控制，需要嚴格依照設(shè)計提升速度進行，常規(guī)情況下，以0.5m/min 的勻速提升為主。

3.2.7 重復(fù)上下攪拌

在集料斗水泥漿已經(jīng)排空、深層攪拌機已經(jīng)提升到符合深度的頂面標(biāo)高，為保證泥漿與軟土間充分攪拌，需再次以邊旋轉(zhuǎn)邊沉入方式將攪拌機置于土中，下沉速度不變，直至已經(jīng)達到設(shè)計深度，需要再把攪拌機從地面提出，這個過程也就完成一根柱狀加固體，其外形呈現(xiàn)是“8”字形。而后重復(fù)上述作業(yè)流程即可構(gòu)成壁狀墻體。

3.2.8 清洗

在每日施工已經(jīng)完成后，需將適量清水添加至集料斗中，并將灰漿泵開啟，以保證所有管路水泥泵的有效清洗，直至清洗干凈，當(dāng)然也需對粘附于攪拌頭軟土做出清洗，保證其干凈。

3.2.9 質(zhì)量檢驗

根據(jù)規(guī)范規(guī)定及設(shè)計要求，施工質(zhì)量控制主要采用：①水泥土取樣，7 天無側(cè)限抗壓強度滿足設(shè)計要求；②鉆芯取樣，檢測樁數(shù)的1%且不少于3 根，28 天抗壓強度應(yīng)符合設(shè)計要求；③靜力觸探或貫入試驗，必要時可采取靜力觸探或貫入試驗手段，查明加固范圍及加固土體的強度。

3.3 參數(shù)計算

軟土地基加固的攪拌樁確定，以φ800@600 三軸攪拌樁型號為主，總體樁長在18.72m，實樁、空樁分別是12.21m、6.52m，二者水泥摻入量也不同，分別是20%、10%。單根樁水泥用量：實樁為12.20（長）×1.8（土比重）×1.08（有效加固面積）×0.2（水泥摻入量）=4.74T，空樁為6.53（長）×1.8（土比重）×1.08（有效加固面積）×0.10（水泥摻入量）=1.27T，總量為：6.01T。單根樁水泥漿漿液用量：漿液配比為水:水泥=1.5:1，漿液比重為1.37t/m3，實樁4.74（水泥用量）÷0.4[水泥用量÷（水用量+水泥用量）]÷1.37（漿液比重）=8.65m3，空樁1.27（水泥用量）÷0.4[水泥用量÷（水用量+水泥用量）]÷1.37（漿液比重）=2.32m3，漿液總量：10.97m3。漿泵參數(shù)：漿泵一般設(shè)置4 個檔位，其中1 擋450L/min，2 擋320L/min，3 擋210L/min，4 擋120L/min。現(xiàn)場設(shè)置1 個3 擋、1 個4 擋。平均注漿壓力0.4MPa，每桶漿液注完時間一般是5min，可確定漿泵供漿流量是每分鐘0.219m3。

3.4 鉆孔取芯強度分析

在已經(jīng)成樁約28d 之后，需做鉆探、取芯作業(yè)，常規(guī)情況下抽檢的頻率需控制占總樁數(shù)1%，取芯位置最好控制在樁徑2/5 位置處。而后需要做代表性樣芯加工作業(yè)，將其加工成φ×h=50mm×100mm 的圓柱體試件，而后需開始抗壓強度測試。芯樣28d 齡期無側(cè)限抗壓強度大于1MPa，90d 齡期無側(cè)限抗壓強度大于1.4MPa，顯示成樁強度符合預(yù)期。

3.5 載荷試驗

在已經(jīng)成樁28d 之后，還需規(guī)劃載荷試驗，主要針對復(fù)合地基承載力、單樁承載力做出檢驗，抽檢頻率確定為總樁數(shù)0.2%，每一單項工程需確定3 處開展載荷試驗，保證復(fù)合地基承載力能夠充分滿足設(shè)計要求。

3.6 效果分析

本公路工程采用深層攪拌樁施工工藝處理施工范圍內(nèi)的軟土地基，在2020 年5 月正式投入使用，在2021 年～2022 年對公路工程進行跟蹤調(diào)查，并沒有出現(xiàn)因軟土地基引起的使用問題。同時，該公路工程在2023 年6 月進行復(fù)檢時，無側(cè)向滑動，使用強度較好，符合公路工程使用的數(shù)據(jù)指標(biāo)。可以認為，本文采用的深層攪拌樁施工的組合工藝，基本完成該公路工程的軟土地基處理任務(wù)，可以滿足公路工程長期使用需求。

4 結(jié)束語

在軟土地基條件下開展公路工程施工作業(yè)，需要根據(jù)勘探技術(shù)，詳細分析軟土地基的實際情況，確認公路工程施工規(guī)模，結(jié)合本文理論內(nèi)容，設(shè)計一套內(nèi)容完善的施工方案。在方案執(zhí)行過程中，需要根據(jù)施工人員反饋情況、現(xiàn)場技術(shù)人員工作經(jīng)驗，對部分細節(jié)內(nèi)容做合理優(yōu)化，確保施工資源得到最大化應(yīng)用，降低軟土地基對公路工程施工與應(yīng)用造成的負面影響，實現(xiàn)當(dāng)?shù)亟煌ㄏ到y(tǒng)穩(wěn)定運行目標(biāo)。