吳有生

(陜西省寶雞峽管理局 扶風總站,陜西 扶風 722200)

水泥深層攪拌法是利用水泥作為主要固化劑,通過深層攪拌機械在地基深部將軟土和固化劑強制拌和,提高軟土地基強度。水泥深層攪拌法根據(jù)水泥摻加時的狀態(tài)可分為:噴漿型攪拌法和噴粉型攪拌法[1,2]。加固軟土地基技術(shù)源于二次世界大戰(zhàn)后的美國,我國自1978年開始研究,1980年在上海寶鋼軟土地基加固處理中得到應(yīng)用。實踐證明,該方法具有施工簡單、速度快、施工效率高等特點特別適用于工期緊或早期強度要求較高的工程。與其他處理方法相比,水泥深層攪拌法還能夠有效地減少和控制沉降量和工后沉降量,具有較好的技術(shù)效果和經(jīng)濟效益。

1 水泥深層攪拌法的加固原理

水泥深層攪拌法利用深層攪拌機械,沿深度將固化劑(水泥漿或水泥粉,外摻一定的添加劑)與地基土強制攪拌,通過固化劑與地基土之間的一系列物理、化學作用,使地基土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性、較低滲透性和一定強度的水泥土體(CSS)。土質(zhì)不同,其加固機理也有所差別。對于砂性土,水泥土的固化原理類似于水泥砂漿,具有很高的強度,固化時間也較短;對于粘性土,由于水泥摻量較小,水泥的水解和水化反應(yīng)完全是在具有一定活性的土體圍繞下進行的,所以土質(zhì)條件對于攪拌樁樁身質(zhì)量(主要包括樁身水泥土攪拌均勻性和水泥土成型強度兩方面)的影響較大[3,4]。

2 信邑溝水庫壩坡培厚施工設(shè)計及工藝

2.1 信邑溝水庫基本情況

位于渭河三級支流美陽河上,距離扶風縣城東北7.5 km,是寶雞峽灌區(qū)渠庫結(jié)合工程之一,攔河壩為均質(zhì)土壩,總庫容3705×104m3。大壩在1998年的安全鑒定中被鑒定為三類壩,需要對大壩上、下游進行培厚加固。

壩前飽和淤泥土層5 m以上基本無承載力,5 m以下基本承載力f0僅為50 kPa,故需要對上游壩坡培厚體壩基進行處理。通過分析比較及使用條件分析,本工程壩基處理措施選用了深層攪拌法,主要是基于以下三方面的考慮:①水泥攪拌樁可以作為淤泥開挖基坑圍封的支擋結(jié)構(gòu);②水泥攪拌樁可以作為培厚部分的壩腳阻滑體;③水泥攪拌樁在淤泥開挖基坑前可形成一道防滲帷幕,便于換填土施工。

根據(jù)信邑溝水庫壩前淤泥特性(表1)及分析計算,軟基宜采用兩排直徑1.0 m,厚1.9 m,深16 m(伸入原壩坡 8 m)的水泥漿攪拌連續(xù)壁狀式擋墻進行圍封清淤。計算樁體抗壓強度 fy取值為3.0MPa,抗拉強度 fu取值 1.08MPa,抗剪強度τy取值0.8MPa。

表1 信邑溝水庫壩前淤泥特性

2.2 室內(nèi)配合比試驗

為了確定水泥摻入量、水灰比、最佳外加劑對水泥土強度的影響,首先進行了室內(nèi)配合比試驗,求得齡期與強度關(guān)系,從而為設(shè)計計算和施工工藝提供可靠的參數(shù)。

試驗加固料選用秦嶺牌普通硅酸鹽水泥P042.5R,摻入比8%、12%、16%、20%,淤泥土水灰比 0.4 、0.45 、0.5,壩體土水灰比1.61、1.66、1.71。試驗結(jié)果表明:①水灰比對抗壓強度影響甚微,而土體自身含水率變化(18.4%～64.4%)卻對試驗結(jié)果影響較大。②壩體中水泥土強度隨水泥摻量的增加時有波動,主要是因為天然土體含水率較小(平均含水率21.4%),密度較大(ρ=2.04 t/m3),攪拌時土體不易分散,難以均勻等原因造成的。③淤泥土強度隨水泥摻入量的增加而增大,但增長幅度呈遞減趨勢;此外,淤泥土強度隨齡期的增長而增長,其90 d抗壓強度較28 d抗壓強度增大23.8%～44.9%。④試驗配比成型的水泥土滲透系數(shù)均在10×10-9cm/s～9.0×10-9cm/s之間變化,其抗?jié)B性能已接近或超過S4標準,隨齡期的增長滲透系數(shù)略有減少。⑤各種配合比淤泥水泥土90 d抗壓強度介于0.41MPa～3.85MPa之間,抗拉強度介于0.09MPa～0.13MPa之間,粘聚力介于0.372MPa～1.617MPa之間,內(nèi)摩擦角介于 20.69°～29.97°之間。 表2給出了水灰比為0.45、水泥摻量20%的淤泥水泥土各項指標。

表2 壩前淤泥水泥土各項指標

2.3 現(xiàn)場成樁試驗

由于深層攪拌樁成型受施工現(xiàn)場水文、土質(zhì)以及環(huán)境因素影響較大,因此樁體成型的強度指標與室內(nèi)水泥土試驗的結(jié)果差別較大。所以,在現(xiàn)場施工過程中,還必須結(jié)合工程實際情況進行現(xiàn)場試驗,尋求特定條件下深層攪拌樁的特性,以確定施工工藝和外加劑對于水泥土的影響。

現(xiàn)場成樁試驗采用的設(shè)備為PH-6型深層攪拌機,直徑500mm,采用室內(nèi)試驗的配合比成樁墻10 m。經(jīng)開挖驗樁及鉆機取芯檢測可見,樁體多不成型,水泥摻入量20%的90 d抗壓強度僅為0.94MPa,僅達到室內(nèi)強度3.85MPa的24.4%,與設(shè)計要求的抗壓強度3MPa(90 d)相差較大。

鑒于野外成樁試驗存在成樁不理想、抗壓強度低的問題,以及野外成樁淤泥含水率高、現(xiàn)場攪拌不均勻、現(xiàn)有機械型號局限等因素限制,將原設(shè)計方案的水泥漿攪拌改為水泥粉攪拌;采用14排Φ 50mm厚5.7 m深9.25m的格柵狀重力式擋墻,替代原設(shè)計方案的兩排直徑1.0m,厚1.9 m,深16 m(伸入原壩坡8 m)的連續(xù)壁狀式擋墻,計算樁體抗壓強度取值為0.8MPa。

按照《粉體、噴攪法加固軟弱土層技術(shù)規(guī)范》(TB10113-96)要求,樁體施工前工藝性成樁20根(一個井格),經(jīng)挖深4 m觀察及抗壓檢測試驗可知,樁體成型良好,7 d抗壓強度1.02MPa,符合樁體成型及設(shè)計強度的要求。根據(jù)工藝成樁試驗結(jié)果,最終樁體的施工工藝為:粉噴樁摻灰比17%,每米摻灰量為55 kg,鉆進速度為0.8 m/min,提升速度為0.5 m/min,注漿口控制壓力0.4MPa～0.6MPa。

2.4 施工流程及工序

結(jié)合本工程的施工經(jīng)驗及有關(guān)施工工藝規(guī)范要求,總結(jié)出水泥土攪拌樁施工流程及工藝如下:試樁試驗→樁位放樣→鉆機就位→檢驗、調(diào)整鉆機→正循環(huán)鉆進至設(shè)計深度→打開注漿泵→反循環(huán)提鉆噴漿→重復(fù)攪拌下鉆并噴水泥漿至設(shè)計深度→反循環(huán)提鉆補噴→成樁結(jié)束→施工下一根樁。

2.5 施工質(zhì)量監(jiān)控

為了保證施工質(zhì)量能達到預(yù)期的加固效果就必須針對土質(zhì)對于水泥深層攪拌樁樁身質(zhì)量的影響情況,應(yīng)及時做好對于水泥土均勻性和強度方面的監(jiān)控和檢測工作。

水泥土的均勻性檢測一般常用目測法。采用輕便觸探器中附帶的勺鉆在樁身中心鉆孔、取芯樣,通過觀察其顏色是否一致,是否存在水泥富集的“結(jié)核”或未被攪勻的土團以確定水泥土是否攪拌均勻。水泥土成樁強度檢測通常采用輕便觸探器擊數(shù)與水泥土強度對比關(guān)系確定。

施工中,為保證水泥攪拌樁樁體垂度,采用J2經(jīng)緯儀校測,以保證鉆機垂直度;為保證摻灰量和樁體長度的精度,通常在PH-6型深層攪拌機上和供灰管路上安裝電子感應(yīng)器,通過液晶屏幕實時顯示深度和單米摻灰量以保證摻灰量和樁體長度的精度;若施工中遭遇停電或故障停機,第二次噴粉接樁長度應(yīng)大于1m。

3 結(jié) 語

在介紹水泥深層攪拌法軟基處理原理的基礎(chǔ)上,分析總結(jié)了該方法在實際工程中處理軟基時的設(shè)計方法、施工工藝和質(zhì)量監(jiān)控措施。信邑溝水庫上游壩坡深層攪拌法培厚加固處理表明,良好的施工工藝及質(zhì)量控制措施是樁體成型均勻,樁身強度達到設(shè)計要求的重要前提。深層攪拌法除險加固方法在信邑溝水庫成功的應(yīng)用,為寶雞峽灌區(qū)其它水庫除險加固積累了經(jīng)驗,也為水利工程中推廣應(yīng)用提供了參考。

[1]華南理工大學,東南大學,浙江大學等.地基與基礎(chǔ)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995.

[2]GB50007-2002.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[3]湯怡新,劉漢龍,朱偉.水泥固化土工程特性試驗研究[J].巖土工程學報,2000,22(5):549-554.

[4]焦志斌,盛華興,馬建國,等.深層攪拌法加固應(yīng)天河套閘軟基工程[J].水運工程,2004,(8):70-72,78.