復(fù)雜軟土地質(zhì)超深攪拌樁關(guān)鍵技術(shù)研究

鄧 海 李登海

(1.中交上航華南市政工程有限公司,廣東 珠海 519199;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002)

水泥攪拌樁于20世紀(jì)50年代初起源于美國(guó),日本緊隨著美國(guó)開展了深層化學(xué)攪拌法(DCM)、深層水泥攪拌法(DEMIC法)、深層水泥固結(jié)法(DCCM法)等技術(shù)研究。我國(guó)水泥攪拌樁分別在陸地或海上各種軟土下成功應(yīng)用約40年,海上及陸地基礎(chǔ)加固處理涉及的施工條件和攪拌設(shè)備均存在極大差異。殷天軍等[1]研究了深中通道沉管基礎(chǔ)復(fù)雜地質(zhì)條件下DCM樁施工工藝及自動(dòng)操作系統(tǒng),形成了一套工藝檢測(cè)評(píng)價(jià)體系;劉志軍等[2]分析了海上DCM樁“W”施工曲線成因、樁頂與樁底土層加固處理關(guān)鍵技術(shù);劉志軍等[3]對(duì)水下復(fù)合地基檢測(cè)方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析;滕超等[4]統(tǒng)計(jì)分析了影響不同土質(zhì)在不同深度成樁質(zhì)量的主要因素;包珍[5]選用功率45～55kW的3層6翼片攪拌設(shè)備,對(duì)27m攪拌深度進(jìn)行分析;李興華[6]采用雙向攪拌樁結(jié)合4層8翼片鉆頭在復(fù)雜軟土中施工攪拌樁;楊文奇等[7]對(duì)大直徑水泥攪拌樁在深層地質(zhì)條件下的應(yīng)用進(jìn)行了研究,選用PH-5D型攪拌設(shè)備,采用ZB2型高壓噴射注漿泵,攪拌深度達(dá)30m。

對(duì)以上文獻(xiàn)進(jìn)行綜合分析可知,海上攪拌樁為樁簇,組合樁基截面積為4～6m2,攪拌設(shè)備由船舶+攪拌系統(tǒng)組合而成,設(shè)多根鉆桿、多處噴漿口,有體積大、功率大等特點(diǎn)。陸上攪拌樁的設(shè)計(jì)均針對(duì)純軟土地質(zhì)條件,未針對(duì)超深20m以上及復(fù)雜軟土的案例進(jìn)行分析;常規(guī)的PH-5D型攪拌設(shè)備,功率45～55kW,極限深度25m,功率小、動(dòng)力弱。實(shí)踐總結(jié)可知,低功率攪拌設(shè)備不宜在超深或大直徑攪拌樁基上應(yīng)用,否則成樁質(zhì)量將會(huì)存在巨大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究改進(jìn)了超深攪拌樁施工技術(shù)。

1 工程概況

珠海海堤提升工程設(shè)計(jì)為復(fù)合地基,攪拌樁最大樁長(zhǎng)25m,直徑80cm,加固區(qū)域位于原海堤堤壩以下,各結(jié)構(gòu)層的土質(zhì)(見圖1)情況:1～6m為雜填土(原海堤堤壩雜填土或砌筑塊石);6～15m為淤泥(含有局部流沙),15～30m為淤泥質(zhì)黏土。

圖1 水泥攪拌樁復(fù)合地基軟基處理標(biāo)準(zhǔn)斷面

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2.1 工藝局限性分析

在復(fù)雜軟土地質(zhì)條件下,采用PH-5D型攪拌設(shè)備分別以人工噴粉、自動(dòng)噴粉、自動(dòng)噴漿三種工藝進(jìn)行試驗(yàn),并統(tǒng)一按“四攪四噴”工序?qū)嵤?總結(jié)得出試驗(yàn)數(shù)據(jù),見表1。

表1 PH-5D型攪拌設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)[8]:設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)施工機(jī)械的能力確定,噴漿攪拌法的加固深度不宜大于20m;噴粉攪拌法的加固深度不宜大于15m。通過(guò)該結(jié)論判定:攪拌樁長(zhǎng)大于20m,應(yīng)屬于“超深攪拌樁”。攪拌樁長(zhǎng)20m及以下,在普通軟土下基礎(chǔ)加固處理工藝成熟,質(zhì)量可控;當(dāng)樁長(zhǎng)大于20m且遇復(fù)雜軟土地質(zhì),必然在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上增加了技術(shù)難度,因此在原有工藝上加以改進(jìn)后才能保證超深樁基的強(qiáng)度和質(zhì)量。

2.2 攪拌設(shè)備功率

攪拌樁鉆桿及鉆頭的阻力隨軟土深度增加而增大,在一定軟土深度時(shí)的鉆頭提速或攪拌不能滿足技術(shù)要求;在深層時(shí)噴漿(粉)必然受水或土壓力影響,施加的注漿(粉)壓力過(guò)大更容易引起向上返漿或地下竄漿,造水泥材料過(guò)多浪費(fèi);反之,施加的壓力過(guò)小,又無(wú)法保證攪拌樁的水泥摻量和成樁質(zhì)量。

攪拌設(shè)備功率大小是在軟土內(nèi)高質(zhì)量成樁的關(guān)鍵,樁身每斷面的攪拌位置與噴漿(粉)必然要同步同時(shí),否則膠凝材料難以與軟土更好地拌和均勻,導(dǎo)致芯樣不連續(xù)或強(qiáng)度不合格等質(zhì)量問(wèn)題。

2.3 攪拌頻率和工效

《復(fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)規(guī)定:施工加固深度范圍內(nèi)土體任何一點(diǎn)均應(yīng)攪拌20次以上,結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的3層6翼片或4層8翼片鉆頭,若按常規(guī)“四攪四噴”工序控制,攪拌頻率分別達(dá)到24次和32次,雖滿足技術(shù)規(guī)范要求,但存在工序多、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益低等不利因素。

3 復(fù)雜軟土地質(zhì)定義

水泥攪拌樁工藝適用于普通軟土地質(zhì)下攪拌成樁。普通軟土一般為淤泥質(zhì)土、淤泥黏性土、粉細(xì)砂、淤泥等,采用正常工藝攪拌后,軟土與膠凝材料均能保證成樁質(zhì)量。特殊軟土是指普通軟土中夾有一定塊石、局部流沙層、雜填土等不穩(wěn)定的軟土層。復(fù)雜軟土在正常攪拌后,軟土與膠凝材料無(wú)法融合攪拌,與普通軟土相比,成樁質(zhì)量更難以保證。本文中主要涉及的復(fù)雜軟土含有大量塊石(地面1～6m)且超深軟土含流沙(樁底15～30m)。

4 攪拌設(shè)備分析

4.1 設(shè)備功能分析

PH-5D型攪拌設(shè)備極限加固深度為25m(見表2),設(shè)備具有功率小、自重輕、占地面積小、抗風(fēng)能力弱等特點(diǎn)。通過(guò)實(shí)踐證明:在普通軟土的實(shí)際最大加固深度22m及以下,若遇特殊軟土地質(zhì),將無(wú)法實(shí)現(xiàn)提速或鉆進(jìn),樁底質(zhì)量也很難得到保證。DGN-28型設(shè)備具有功率大、動(dòng)力足、履帶式行走等特點(diǎn),加固深度可達(dá)25～28m。在超深軟土或復(fù)雜軟土下,DGN-28型攪拌設(shè)備(見圖2)與傳統(tǒng)的PH-5D型攪拌設(shè)備相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

表2 攪拌設(shè)備功能參數(shù)分析

圖2 DGN-28攪拌設(shè)備

4.2 攪拌鉆頭分析

將傳統(tǒng)4層8翼片鉆頭改進(jìn)為6層12翼片鉆頭,按“二攪二噴”工藝在任意一點(diǎn)的攪拌頻率達(dá)24次,“四攪四噴”工藝在任意一點(diǎn)的攪拌頻率達(dá)48次,與4層8翼片鉆頭相比,6層12翼片鉆頭的攪拌頻率高,增加了軟土與膠凝材料之間攪拌頻率次數(shù),提高了成樁質(zhì)量,保證了樁基強(qiáng)度。

4.3 高壓攪拌裝置分析

安裝高壓攪拌裝置(見圖3),高壓管與噴漿(粉)管均為獨(dú)立管道,在復(fù)雜軟土及超深層軟土下更能充分發(fā)揮設(shè)備的功能優(yōu)勢(shì),在處理復(fù)雜軟土?xí)r的控制壓力為5～10MPa。通過(guò)高壓對(duì)復(fù)雜軟土改良處理后,在正常攪拌下,同步實(shí)現(xiàn)了高壓旋噴技術(shù)工藝,改良了軟土質(zhì)量,使膠凝材料與軟土有效融合為一體,保證了攪拌樁的成樁質(zhì)量。

圖3 高壓攪拌裝置

5 關(guān)鍵技術(shù)措施

5.1 地質(zhì)分析

對(duì)復(fù)雜或超深軟土進(jìn)行分類,根據(jù)不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)層,按土質(zhì)特性及工藝參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以施工芯樣結(jié)合軟土地質(zhì)特性進(jìn)行分析,并掌握技術(shù)指標(biāo)和工藝參數(shù),為后續(xù)施工提供借鑒參考。對(duì)復(fù)雜軟土處理的方法是采取高壓輔助攪拌裝置實(shí)現(xiàn)高壓旋噴技術(shù),對(duì)超深軟土處理的方法是采取高壓輔助攪拌結(jié)合“四攪四噴”工序,提高軟土質(zhì)量,最終解決攪拌樁的成樁難題。

5.2 工藝控制

采用DGN-28型攪拌設(shè)備,配置多翼片攪拌鉆頭及高壓輔助攪拌裝置實(shí)施,根據(jù)設(shè)備功率結(jié)合“二攪二噴”和“四攪四噴”工藝實(shí)施,通過(guò)下鉆及提鉆對(duì)復(fù)雜或超深軟土進(jìn)行高頻率攪拌及復(fù)雜軟土處理。

5.2.1 下鉆技術(shù)控制

按濕噴工藝實(shí)施,1～14m為復(fù)雜軟土,但屬于淺層軟土,水土壓力偏小,按“二攪二噴”工藝控制,攪拌頻率24次;14～25m為超深層軟土,含有復(fù)雜軟土,且水土壓力大,按“四攪四噴”工藝控制(見圖4),攪拌頻率48次。

圖4 “W”攪拌工藝分析

根據(jù)不同的軟土含水量進(jìn)行水泥摻量配合比設(shè)計(jì),確保樁基芯樣的完整性和強(qiáng)度。具體操作如下:開動(dòng)灰漿泵,灰漿從噴嘴噴出時(shí)啟動(dòng)樁機(jī)向下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)攪拌。水泥攪拌樁機(jī)就位后開始鉆進(jìn)并噴漿,按照表3確定的參數(shù)進(jìn)行施工,確保每延米水泥漿用量和水泥漿總用量。可適當(dāng)調(diào)節(jié)提升和鉆進(jìn)速度,過(guò)程中要隨時(shí)觀測(cè)深層監(jiān)測(cè)儀的記錄數(shù)據(jù),以便動(dòng)態(tài)調(diào)整。要定期檢查攪拌翼片的直徑大小,當(dāng)直徑磨損量大于10mm時(shí),必須更換翼片。鉆進(jìn)噴漿成樁到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)或?qū)游缓?原地噴漿0.5min,再反轉(zhuǎn)勻速提升,深度誤差不得超過(guò)5cm。下沉鉆頭鉆進(jìn)時(shí),應(yīng)根據(jù)土質(zhì)軟硬,選擇合適的擋位,并時(shí)刻注意電流的變化及時(shí)換擋。

表3 攪拌樁施工參數(shù)值

5.2.2 提鉆技術(shù)控制

當(dāng)攪拌鉆頭抵達(dá)設(shè)計(jì)深度時(shí),應(yīng)將攪拌頭反轉(zhuǎn),同時(shí)噴漿提升攪拌。要嚴(yán)格控制攪拌速度,噴漿、攪拌、提升三項(xiàng)同步實(shí)施,將水泥漿充分與土體拌和均勻。鉆進(jìn)速度和提升速度參照表3進(jìn)行控制,在試樁過(guò)程中應(yīng)認(rèn)真做好記錄,鉆頭提升至設(shè)計(jì)頂標(biāo)高以上50cm后,停止噴漿。

5.3 監(jiān)測(cè)技術(shù)分析

采用深層監(jiān)測(cè)儀對(duì)水泥用量進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè),分別采集成樁時(shí)間、內(nèi)外鉆桿電流、傾斜度、用灰量、壓力、深度、提升速度、成樁曲線分析報(bào)告等相關(guān)信息,最終自動(dòng)生成數(shù)據(jù)。深層監(jiān)測(cè)儀精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)每延米水泥用量,在試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)地下特殊軟土地段精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)水泥用量,在成樁后,不僅對(duì)各截面的噴漿量與對(duì)應(yīng)位置芯樣(見圖5)的完整性和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析,還應(yīng)結(jié)合軟土地質(zhì)特性進(jìn)行綜合分析,形成科學(xué)性的技術(shù)指標(biāo)參數(shù),為后期提供指導(dǎo)性施工技術(shù)。

圖5 DGN-28設(shè)備施工芯樣(25m)

6 總 結(jié)

隨著攪拌樁的深度逐漸增加,施工技術(shù)難度不斷加大。通過(guò)先進(jìn)的攪拌設(shè)備和創(chuàng)新工藝,在復(fù)雜軟土地質(zhì)條件下完成了超深攪拌樁成樁試驗(yàn),攻克了諸多技術(shù)難點(diǎn),得出如下結(jié)論:PH-5D型極限加固深度25m,在復(fù)雜軟土下,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大加固深度分別為干法18m、濕法20m;在普通軟土下,濕法工藝最大加固深度可達(dá)22m。DGN-28型極限加固深度28m,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大加固深度分別為干法26m、濕法27m。

DGN-28型設(shè)備,存在占地面積大、施工條件受限等問(wèn)題。在未來(lái)陸地?cái)嚢柙O(shè)備創(chuàng)新過(guò)程中,攪拌設(shè)備應(yīng)充分考慮施工條件及加固深度和直徑參數(shù),為實(shí)際施工解決技術(shù)難題。