孫 潔

(湖南省交通科學(xué)研究院, 湖南 長沙 410015)

水泥攪拌樁設(shè)計與施工要點分析

孫 潔

(湖南省交通科學(xué)研究院, 湖南 長沙 410015)

水泥攪拌樁作為一種較好的地基加固技術(shù)，在公路軟土地基處理中應(yīng)用廣泛。結(jié)合工程案例闡述了水泥攪拌樁的適用范圍；研究分析了設(shè)計計算要點；總結(jié)了施工要點，包括樁位平面布置、工藝試樁試驗、施工工藝流程；通過設(shè)計調(diào)整和施工強化，最終質(zhì)量檢測結(jié)果顯示水泥攪拌樁處置效果可以達到預(yù)期效果。為高速公路軟土地基水泥攪拌樁設(shè)計和施工提供參考。

軟弱路基； 水泥攪拌樁； 設(shè)計要點； 施工要點； 處置效果

水泥攪拌樁是通過加入固化劑而達到一定強度的樁體，一般會選用水泥粉或水泥漿等進行，通過壓縮空氣進入軟土基，利用機械作用將二者進行攪拌從而發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，具有一定強度的水泥攪拌樁與樁間軟土共同構(gòu)成復(fù)合地基，從而提高承載力。這種地基更加穩(wěn)定，沉降現(xiàn)象大幅度減少，體現(xiàn)出其優(yōu)勢所在。近些年隨著公路建設(shè)規(guī)模越來越大，軟土地基路基成為工程中常遇難題，路基含水量較高，大孔隙情況多見，因此具有高壓縮性，這些問題對公路穩(wěn)定造成負面影響，安全性大幅度降低。為了解決這些問題就需要進行軟基處理，這是整個公路建設(shè)關(guān)鍵所在。為了滿足需求，各種軟基處理技術(shù)逐漸應(yīng)用在實踐當中，在這其中水泥攪拌樁處理軟弱路基技術(shù)值得推廣。

1 工程概況

本文案例為湖南境常德至梅城段桃馬聯(lián)絡(luò)線，設(shè)計標準為二級公路，全長9.76546km，位于長江中下游區(qū)域，周邊毗鄰洞庭湖等大大小小的湖泊，這就導(dǎo)致大部分路基符合軟弱地基的實際特征，給現(xiàn)場施工造成了極大的麻煩。在施工過程中，要充分地考慮到軟土地基承載能力對整個路基的實際影響。對該地區(qū)土層勘測報告顯示主要為以下幾種情況：

1) 素填土: 這類土層顏色多以灰色及深灰色為主，有部分呈現(xiàn)雜色，土質(zhì)含水量較高，大多為粘土，會有少量碎石混雜其間，此外還會有其他硬質(zhì)雜物如粗砂，堆填時約5 m。由于未進行專門夯實，土質(zhì)比較松散，大多以耕土為主，在殘坡積臺可見到植物根系。這種土層可達到0.6～7.1 m。

2) 淤泥質(zhì)土: 這種土層為深淺不一的灰色，流塑，含水量可達到飽和，大多為粘粒，成分中另一主要部分為粉粒，細膩均勻，土層中可看到已腐敗動植物成分，有些地方會有粉細砂混入其中，局部還可能有細砂，呈現(xiàn)淤泥混砂狀態(tài)，由于含有腐敗有機質(zhì)故可聞到臭味，土質(zhì)細膩飽和因此切面光滑，無搖振反應(yīng)，這類土質(zhì)去除水分后強度將會大幅提高，韌性呈現(xiàn)低到中度不等,可達3.1～11 m。

3)粉質(zhì)粘土: 這種土層顏色以灰色為主，有可能呈現(xiàn)褐灰、灰白狀態(tài)，含水可以達到飽和狀態(tài)，具有較高可塑性，成分與淤泥質(zhì)土相似，大多為粘粒、粉粒，多由于洪水造成，切面光滑。這種土層厚度大約1.2～4.2 m。

4 )中砂: 同樣呈現(xiàn)不同深淺灰色，有較淺的灰黃、灰白色，也有較深的褐灰色。密度中等，土質(zhì)飽和，土層顆粒較大，60%可以超過0.025 mm，其中少量成分為泥質(zhì)，大約占15%，由于粗顆粒較多呈現(xiàn)粗砂狀態(tài)，這種土質(zhì)也來自于洪水沖積，厚度可達1.2～5 m。

5)殘積砂質(zhì)粘性土: 顏色與成分與中砂相似，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)，土質(zhì)較硬，多為硬塑 — 堅硬，韌性適中，來自于風(fēng)化殘積，由花崗巖形成，可達1.5～4.9 m。

6)強風(fēng)化花崗巖: 呈現(xiàn)灰黃、灰白色，可以清楚觀察到原來巖石結(jié)構(gòu)，經(jīng)風(fēng)化作用呈現(xiàn)散體 — 碎裂結(jié)構(gòu)，巖芯呈碎屑狀 — 碎塊狀。這類巖石質(zhì)地較軟，硬度不同，巖芯破碎程度存在差別，揭露厚度2.5～9.0 m。

7)中風(fēng)化花崗巖: 顏色較淺，多為灰白色，由中細粒組成，節(jié)理不發(fā)育，呈現(xiàn)塊狀，柱狀巖芯， RQD=7090，由于質(zhì)地較硬因而風(fēng)化程度略低，巖體保持較完整狀態(tài)，基本質(zhì)量等級為Ⅲ類，經(jīng)過測量該類地層可以達到1.5～7.5 m。

根據(jù)報告顯示地層狀況可以確定各部分地基承載力情況，將各天然地基基本狀況用表1進行表示。了解各土層性質(zhì)，所有指標見表2。

表1 地基承載力容許值土質(zhì)類別容許承載力f/kPa土質(zhì)類別容許承載力f/kPa淤泥質(zhì)土45砂質(zhì)粘土層220粉質(zhì)粘性土130強風(fēng)化層花岡巖400中砂層200中風(fēng)化層花崗巖2000

表2 各土層性質(zhì)指標參數(shù)巖土類別天然含水量W/%天然重度γ/(kN·m-3)天然孔隙比e液性指數(shù)IL淤泥質(zhì)土47.5816.711.341.13粉粘性土24.5119.010.810.21殘積砂質(zhì)粘性土22.6228.110.870.31壓縮系數(shù)壓縮模量/MPa直接快剪固結(jié)快剪C/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)1.122.178.928.4612.377.700.316.1122.1116.6128.5120.600.335.8917.2424.4117.6319.5

從該地地質(zhì)報告及各地層多項指標對工程地質(zhì)條件基本了解，表層軟土層主要為淤泥質(zhì)土，這種土質(zhì)具有很好流塑性，呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。路基基礎(chǔ)下層部分為中砂及殘積砂質(zhì)粘性土，這些土層相對較好。軟土地基深度范圍較大，測量可以達到4～10 m，大多分布于一般路段(K2+215～K3+234)。

2 道路軟基處理方案選擇

1) 水泥攪拌樁法是處理正常固結(jié)軟地基一種有效方式，可用于淤泥與淤泥質(zhì)土類地基加固，另外對于粉土、粘性土等不穩(wěn)定軟地基也具有提高穩(wěn)定性作用，素填土和無流動地下水的飽和松散砂土類地基這種方法同樣有效。但不是所有天然軟地基都適合此類方法，如果pH值小于4，含水量相對較少、低于30%的地基土使用會受到限制。除此之外對于土層可塑性要求較高，若塑性指數(shù)超過25選用該種方法則要慎重。對于存在腐蝕性地下水或較多有機物土層也需通過測試來確定是否應(yīng)用該種方法進行加固。由于水泥攪拌樁法應(yīng)用時需要機械進行強制攪拌，而存在碎石等大塊物質(zhì)攪拌會受到影響，施工速度有可能因此變慢，在實際應(yīng)用中要充分考慮這種因素，可事先清除雜物提高速度。

2) 本項目所處路段地基以含水較多淤泥質(zhì)土為主，因此承載率相對較低，不能夠滿足設(shè)計要求，路面使用將會受到影響，必須對軟基進行處理之后才能夠鋪筑路基。設(shè)計之前首先需要了解該地段土層情況并根據(jù)實際探測結(jié)果分析。淤泥質(zhì)土是該段天然軟地基主要成分，這種土質(zhì)含水量較高，在該處分布深度較廣，勘測結(jié)果顯示可以達到4～10 m。在施工過程中需要綜合考慮這些情況，根據(jù)經(jīng)驗具體情況具體處理。

3) 本項目工程期限有嚴格限制，因此在處理軟基時不可過度耗費時間，必須在現(xiàn)在工期要求范圍內(nèi)完成，保證地基固結(jié)沉降，在穩(wěn)定性上滿足要求。進行工期估算時需要考慮具體實際情況、結(jié)合以往經(jīng)驗完成。對于上述幾種方案優(yōu)劣勢進行對比，其中花費工期較長的塑料排水板法不能夠滿足現(xiàn)實需要，另外袋裝砂井法耗時較多也被排除，經(jīng)過篩選得到以下4個方案，其中包括水泥攪拌樁法，另外3種為PHC管樁、強夯置換法、CFG樁。

4) 通過造價估算對這4個方案進行初選，比較結(jié)果見表3， CFG樁、PHC管樁工程造價不具有優(yōu)勢，而強夯置換法不適合處理含水量高的淤泥質(zhì)土，因此最終選定采用水泥攪拌樁方案。

表3 初選軟基處理方案比較處理方案優(yōu)勢造價/(元·m-2)CFG樁工期短、工藝操作性好、便于質(zhì)量控制200PHC管樁工期短、滲透力強、質(zhì)量檢測方便300水泥攪拌樁經(jīng)濟性明顯,工期易掌控170強夯置換工藝性成熟,施工方法簡單130

3 水泥攪拌樁設(shè)計要點分析

3.1 選取最不利斷面

最不利斷面選擇對軟基處理至關(guān)重要，這需要進行綜合考慮，首先路基填土高度是考慮的重要因素，一般會選擇較大高度部分；其次軟土地基厚度也是一方面，大多會選擇厚度較高位置。對于目前所掌握工程資料進行綜合分析確定最不利驗算斷面，樁號K2+360處成為最終選擇，該處路基高度及地基厚度分別為6.608 m和10.2 m，取鉆孔36土樣作為設(shè)計資料完成水泥攪拌樁設(shè)計計算，表4顯示鉆孔資料，表5為土工試驗報告。鉆孔處土樣e—P關(guān)系曲線見圖1。

表4 孔號36地質(zhì)情況地層序號分層區(qū)間厚度/m巖土類別名稱各土層類特性①2.4素填土層類灰色、雜色;主要為粘性土;呈濕—飽和狀態(tài);有少許硬質(zhì)物,例如碎石、粗砂等②8.0淤泥質(zhì)土層類灰色—深灰色;主要是粉粒土;呈飽和流塑狀態(tài),土質(zhì)干強度高,韌性中等,土質(zhì)均勻③1.9粉粘性土層灰色及褐灰色;主要為粘粒及粉粒;呈飽和可塑狀態(tài);切面狀態(tài)光滑,成因為洪積④3.1中砂層灰白及褐灰色;含60%顆粒物,15%的成份為泥質(zhì);呈飽和中密狀態(tài);粗顆粒局部含量較高,洪積成因

表5 孔號36土工試驗報告土樣編號取樣深度/m天然含水量/W/%天然重度γ/(kN·m-3)天然孔隙比e36-1 3～3.2 42.916.31.30736-2 5～5.2 46.516.71.30936-3 7～7.2 41.616.91.21436-4 9～9.2 40.516.61.23636-511～11.222.519.10.734液性指數(shù)IL壓縮系數(shù)壓縮模量/MPa直接快剪C/kPaφ/(°)1.081.042.2579.21.141.062.2189.21.080.962.34107.81.082.221.02710.40.090.286.432218.5

圖1 不同土樣的e — P關(guān)系曲線圖

3.2 最不利斷面驗算

1) 依據(jù)相關(guān)公路工程設(shè)計規(guī)范，建立如圖2所示，關(guān)于軟土地基最不利斷面的計算圖示。為使道路路基具備更強的整體穩(wěn)定性，故通過反壓護道的方式對路基橫斷面兩側(cè)進行處理，同時鋪設(shè)厚度為50 cm的砂墊層在水泥攪拌樁頂端。

圖2 最不利斷面計算圖示(單位： m)

2)初步選擇最不利斷面驗算的各項參數(shù)，見表6～表11。

表6 路堤設(shè)計參數(shù)設(shè)計高度值(路堤土層+路面結(jié)構(gòu)層)/m設(shè)計頂寬/m邊坡坡度6.60832.001/1.5

表7 路堤設(shè)計分層參數(shù)分層類別層厚度值/m重度值/(kN·m-3)內(nèi)摩擦角/(°)內(nèi)聚力值/kPa路堤土層5.88917.030.020.0路面結(jié)構(gòu)層0.72123.035.022.0砂墊層0.5020.035.00.00

表8 施工荷載加載級數(shù)序號開始時間結(jié)束時間填土高度/m010第6個月5.87902第7個月第8個月0.24003第32個月第33個月0.441 注:工后沉降時間:180月(基準期);荷載級數(shù):03。

表10 水泥攪拌樁參數(shù)選取布置形式布置間距值/m樁長值/m樁土應(yīng)力比樁直徑/m樁抗剪強度值/kPa等邊三角形1.5011.004.000.5035.00

表11 施工超載分布值超載序號定位距離/m分布寬度/m超載值/kPa010.004.002.50024.0011.0012.760315.002.000.000417.0011.0012.760528.004.002.50

將上述參數(shù)輸入理正巖土工程計算分析軟件進行驗算，并對驗算結(jié)果進行分析。通過對計算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)果中關(guān)于水泥攪拌復(fù)合地基的承載力參數(shù)符合施工要求，在工后使用期15 a內(nèi)，復(fù)合地基出現(xiàn)27 cm沉降，這一數(shù)值低于一般路段50 cm的的容許工后沉降值，同時也低于一般構(gòu)造物(如通道、涵洞等)基礎(chǔ)30 cm容許工后沉降值，符合標準要求，由此說明在本次工程施工過程中對軟土路段地基使用水泥攪拌樁進行處理后，所獲得的復(fù)合地基可以獲得較為理想的效果。

4 水泥攪拌樁施工要點分析

4.1 樁位平面布置

水泥攪拌樁的樁位平面布置情況，如圖3所示。使用直徑為0.5 m的水泥攪拌樁，樁間距為1.5 m，呈等邊三角形進行布置。

圖3 樁位平面布置(單位： cm)

4.2 工藝試樁試驗

通過分析工程地質(zhì)勘察報告發(fā)現(xiàn)，此次工程施工區(qū)域內(nèi)的軟土地基的含水率在30%到50%這一分布區(qū)間內(nèi)，故對地基進行處理時可通過濕噴法進行操作。初選使用強度等級為42.5級，且水灰比在0.45到0.55之間的普通硅酸鹽水泥進行處理，但為確保樁體滿足設(shè)計需要，需要進行3次試樁試驗后方可開展大面積施工作業(yè)，如表12所示，為前2次試驗結(jié)果。

參照表12中2次試樁的試驗結(jié)果，基于節(jié)省工期和降低工程造價的考慮，在確保不影響施工質(zhì)量的前提下，以上述2次試驗為基礎(chǔ)，改良優(yōu)化本次施工中水泥攪拌樁的施工工藝。經(jīng)多方研究，并對可行性進行論證，最終確定了第3次試樁的施工方案： ①再試驗14根水灰比為0.5的水泥攪拌樁，同時將減水劑類型以木質(zhì)素減水劑替換原本的三乙醇胺減水劑，將減水劑含量控制在0.6%左右； ②以3噴4攪(即除第1次下鉆外，其余幾次下鉆均噴漿)替換原本4噴4攪的施工工藝； ③結(jié)合施工機械的實際性能，要求“下2-上1-下2-上2”，(其中1、2均為機械檔位)，同時水泥攪拌樁需鉆入持力層不低于0.5 m；根據(jù)改良后的施工工藝進行第3次試驗，除能獲得良好的成樁效果，地基承載力等參數(shù)均可達到設(shè)計要求外，同時也可以使工期和工程造價獲得有效地節(jié)省，故而此次改良后的施工工藝能夠用于大面積施工。

表12 試樁試驗記錄類別控制水灰比樁號外加劑種類外加劑摻量/%水泥品牌實水泥用量/kg水泥等級工藝要求樁長度/m水泥用量均值/(kg·m-1)攪拌及噴漿時長/min成樁效果0.553649木質(zhì)素(減水劑)0.549利民牌90042.56噴+6攪9.3091.3935成樁36480.561140010.70126.1639成樁試驗一0.503760木質(zhì)素(減水劑)0.601利民牌105042.56噴+6攪9.40106.3724.5成樁37610.6039509.1087.9325成樁0.503885木質(zhì)素(減水劑)0.34利民牌95042.56噴+6攪9.1083.3525成樁38860.349509.1087.8925未成樁試驗二0.553951三乙醇胺減水劑1.00利民牌75042.54噴+4攪9.1077.0124成樁39521.007759.1079.6922成樁

4.3 施工工藝流程及施工質(zhì)量控制

1) 根據(jù)上述3次試樁試驗所得數(shù)據(jù)，并結(jié)合項目設(shè)計文件對初選參數(shù)進行優(yōu)化后，展開正式施工作業(yè)，具體施工流程如圖4所示。施工過程中，使用2檔進行攪拌下沉，使用1檔進行提升。

圖4 3噴4攪施工工藝流程

2) 工程質(zhì)量控制：水泥用量的多少受到水灰比以及噴漿量的直接影響，而水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量的優(yōu)劣以及樁體強度的高低均從很大程度上受到水泥用量的影響，因此在水泥攪拌樁的施工過程中，水灰比以及噴漿量是有效管控工程質(zhì)量的重點。在對水灰比進行控制時，可使用泥漿比重計對水泥漿的比重進行現(xiàn)場測定，并參照水灰比與水泥漿比重二者間的關(guān)系，對測定結(jié)果進行分析，以此達到對水灰比的控制目的；除此以外可以通過流量計達到控制噴漿量的目的。

5 施工效果檢驗

1) 施工效果檢驗工作首先需對水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量進行檢測。在成樁7 d后，選取總樁數(shù)5%的水泥攪拌樁為樣本進行檢測，對樣本樁頭進行淺部開挖，開挖深度應(yīng)不少于以停漿面為基準向下0.5 m。開挖后，對樁體的直徑以及成樁均勻程度進行檢測。通過分析檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，本次施工所制的水泥攪拌樁樁徑以及成樁質(zhì)量均符合設(shè)計和使用的各項指標。

2) 對水泥攪拌樁成樁質(zhì)量檢測完成后，還需在其成樁28 d后對復(fù)合地基的載荷進行試驗檢測。選擇總樁數(shù)50%的水泥攪拌樁作為檢測樣本，使用1.396 m×1.396 m的承壓板開展試驗。通過分析試驗所得數(shù)據(jù)，此次試驗中各檢測點的復(fù)合地基承載力特征值均高于10 kPa，符合設(shè)計和使用的各項指標。由此可見，此次施工的施工效果良好，達到了項目的設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文以實際案例為支撐，提出了水泥攪拌樁設(shè)計與施工需要重視的要點。采用水泥攪拌樁的方案對施工區(qū)域內(nèi)的軟土地基進行處理，需通過設(shè)計驗算及工藝性試樁試驗，得出合理的施工參數(shù)，才能進一步展開大面積軟地基施工。本案例項目最終通過各項質(zhì)量檢驗結(jié)果分析得出，使用水泥攪拌樁對軟土地基進行處理的方案，符合相關(guān)質(zhì)量標準。結(jié)果顯示水泥攪拌樁處置效果良好，達到設(shè)計使用要求，為同類型公路工程軟土地基處理，提供了技術(shù)參考和經(jīng)驗借鑒。

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2016-11-16

孫潔( 1985-) ，女，工程師，主要從事公路與市政道路設(shè)計。

1008-844X(2017)01-0058-05

U 416.1

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