林和信

(福建省地質(zhì)工程勘察院 福建福州 350002)

0 引言

在深厚軟土地基上修筑城市道路，軟基加固是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。水泥土攪拌樁作為公路工程軟土路基處理的重要方法之一，具有重要的應(yīng)用價值。水泥土攪拌樁法形成的水泥土加固體，可作為豎向承載的復(fù)合地基，軟土路基土體參數(shù)選用與設(shè)計參數(shù)選取，對軟土路基設(shè)計質(zhì)量有著決定性的影響。復(fù)合地基處理方法作為一種常見的地基處理方法，已經(jīng)在軟土地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在沿海深厚軟土地區(qū)。

對水泥土攪拌樁在軟土路基施工中的應(yīng)用進行研究，主要是為了能夠了解水泥土攪拌樁的原理構(gòu)成情況，以及其在軟土路基施工過程中的具體應(yīng)用和相關(guān)質(zhì)量控制，從而達到在軟土路基施工過程中應(yīng)用水泥土攪拌樁的目的。通過提高水泥土攪拌樁的應(yīng)用水平，促進其在軟土路基施工中的發(fā)展。

1 水泥攪拌樁加固機理

水泥土攪拌樁施工中所用的主要材料，是水泥漿液或者其他膠凝性質(zhì)的固化劑材料。其原理，主要是在攪拌過程中，要使用特定的攪拌機械，對水泥漿液或其他膠凝性質(zhì)的相應(yīng)材料與軟土路基進行強制性、均勻地攪拌。固化劑材料與軟土進行融合，會在一定程度上產(chǎn)生相應(yīng)的物理化學(xué)反應(yīng)；利用二者間的融合反應(yīng)，可以提高軟土路基的穩(wěn)定性、強度和韌度[3-4]。在水泥土攪拌樁的構(gòu)成過程中，軟土路基的強化程度與固化劑材料的摻入有關(guān)，并且依據(jù)固化劑材料摻入時的狀態(tài)情況，分為水泥漿液攪拌方式和水泥粉干式噴射攪拌方式。

2 工程簡介

2.1 工程概況

福州市某臨江道路，擬設(shè)計雙向四車道，設(shè)計標準為城市主干道、城市次干路，設(shè)計行車速度20km/h～40km/h，道路路基設(shè)計標準軸載BZZ-100，道路路面結(jié)構(gòu)擬采用路基穩(wěn)定層、瀝青砼路面結(jié)構(gòu)組合，道路排水采用接入管道。

場地沿線分布較深厚軟土層且其頂部多為薄層填土，設(shè)計考慮道路軟基處理。

2.2 地層情況

場地位于閩江下游，臨近入海口，場地屬沖海積、淤積平原地貌單元。根據(jù)工程勘察，查明場地由地面自上而下分布的主要巖土層有素填土、粘土、淤泥、淤泥夾砂、細砂夾淤泥和中砂，各巖土層的主要物理力學(xué)指標如表1所示。典型鉆孔剖面圖如圖1所示。主要巖土體描述如下：

素填土①：黃色，稍濕，松散-稍密，局部混淤泥質(zhì)土，土質(zhì)不均，混少量粘性土。

粘土②(中液限土)：灰黃、灰褐色，可塑狀態(tài)為主，濕～飽和。濕土無搖震反應(yīng)、韌性中等、干強度中等，切面較光滑，手搓有砂感。

淤泥③(高液限土)：深灰、灰黑色，流塑狀態(tài)，飽和。濕土搖震反應(yīng)慢、韌性中等、干強度中等，切面光滑，含少量腐爛植物根系，污手，具有臭味。地基土平均Bm=-0.66，地基土干濕類型屬過濕。有機質(zhì)含量占1.89%～4.07%。

淤泥夾砂④(高液限土)：深灰色，飽和，軟-流塑，稍有光澤，搖振反應(yīng)弱，韌性中等，干強度中等，該層具水平層理，層理間夾粉細砂。地基土平均Bm=-0.79，地基土干濕類型屬過濕。有機質(zhì)含量占1.65%～3.83%。

細砂夾淤泥⑤：深灰色，松散-中密，飽和，以長石、石英顆粒為主，呈次棱角狀，該層具水平層理，分選性中等，中粗粒含量約占30%～40%，細粒含量約占40%～50%，粉粘粒含量約占5%～15%，局部因淤泥夾層粘粒含量較高，分布不均。

中砂⑥：灰白色，中密-密實，飽和，以長石、石英中粗砂為主，粒徑大于0.25mm達到50%以上，顆粒多呈棱角狀，分選性一般。級配稍好，粘粒含量約占5%～15%，該層分布于整個場地。

表1 場地主要巖土體物理力學(xué)指標

圖1 典型鉆孔剖面圖

3 水泥攪拌樁設(shè)計

該試驗段場地中上部土層極差，軟土厚度不均勻，局部存在深厚軟土，地基承載力低，屬軟弱地基，不能滿足路基承載力和變形的要求。對路段內(nèi)的一般路段采用水泥土攪拌樁(濕噴)進行地基處理，樁按正三角形布置，樁間距1.80m、樁徑為0.50m/0.80m、設(shè)計平均樁長14m。使處理后的復(fù)合地基承載力、工后沉降滿足要求。

3.1 工程試樁目的

通過試樁確定水泥品種與強度等級、水泥摻入量及水灰比，取得攪拌樁水泥土的重度、相對密度、無側(cè)限強度、抗剪強度和變形模量等指標以及鉆進轉(zhuǎn)速、提升速度和噴漿壓力及單樁承載力特征值、復(fù)合地基承載力值等施工數(shù)據(jù)，為工程施工提供工藝流程、機械設(shè)備及相應(yīng)的施工參數(shù)等，為類似地質(zhì)條件下軟土地基處理提供設(shè)計參考依據(jù)。

3.2 試樁方法

水泥攪拌樁采用釘型雙向水泥土攪拌樁設(shè)備施工，其中，擴大頭部分采用四攪兩噴施工工藝，即施工時兩次下鉆只攪拌不噴漿、兩次提升邊攪拌邊噴漿，下鉆速度0.5～1.1m/min，提升速度1.3～1.5m/min；樁體部分采用兩攪一噴施工工藝，即下鉆時攪拌不噴漿、提升時邊攪拌邊噴漿，下鉆速度1.1～1.3m/min，提升速度1.3～1.5m/min。根據(jù)設(shè)計要求及相關(guān)配合比試驗結(jié)果確定水灰比，合適的水灰比制備出的水泥漿液流動性好，便于泵送、噴攪。針對該工程軟土的性質(zhì)，結(jié)合工程施工經(jīng)驗，水泥采用普通硅酸鹽水泥。

圖2 在線實時監(jiān)控

試驗段應(yīng)用攪拌樁施工在線監(jiān)控系統(tǒng)和自動化在線制漿系統(tǒng)(圖2)進行實時監(jiān)控，可以實時查看樁機的施工情況，并且能夠以報表的形式自行記錄每一根攪拌樁成樁的樁長、水泥用量、垂直度、成樁時間以及電流值的變化，給準確采集試驗工藝參數(shù)提供了保障。本系統(tǒng)制漿效率高，計量精準，性能穩(wěn)定，制備出漿液比重穩(wěn)定，能夠充分保證施工的連續(xù)性與穩(wěn)定性。具體試驗指標如表2所示。

表2 釘型雙向水泥土攪拌樁技術(shù)參數(shù)表

注：不同的水泥摻入量均采用兩攪一噴與四攪兩噴兩種工藝，每種工藝成樁3根。

3.3 試樁成果分析

試驗樁達到凝期后進行樁身取芯、芯巖抗壓強度檢測試驗及樁身豎向抗壓靜載試驗等。

根據(jù)復(fù)合樁基鉆孔取芯成果表明，加固的效果受不同土層中淤泥中含砂量變化影響顯著；充分攪拌后強度較高，局部強度較低，由于試驗段部分區(qū)域砂的含量較大，因而水泥摻入量影響不明顯。

表3為釘型雙向水泥土攪拌樁抗壓試驗和單樁靜載荷試驗成果表，圖3為水泥摻入量與抗壓強度及單樁豎向極限承載力關(guān)系曲線。

表3 釘型雙向水泥土攪拌樁試驗成果表

圖3 水泥摻入量與抗壓強度關(guān)系曲線

表3和圖3的試驗成果表明，固定的水灰比，復(fù)合樁的抗壓強度與單樁豎向極限承載力隨著水泥的摻入量的增加而提高，同時，四攪兩噴比兩攪一噴施工工藝使水泥與淤泥產(chǎn)生的水泥土更充分、更均勻，其抗壓強度代表值更高，尤其在水泥摻入量從14%增加到16%，采用四攪兩噴工藝其水泥土抗壓強度有明顯的提高。

4 結(jié)語

通過在線監(jiān)控系統(tǒng)和自動化在線制漿系統(tǒng)，采用不同的施工工藝、不同的水泥摻入量等試驗方法對軟土地基采用水泥土攪拌樁進行加固處理，試驗結(jié)果表明：

(1)復(fù)合樁的抗壓強度隨著水泥的摻入量的增加而提高。

(2)單樁豎向極限承載力隨著水泥的摻入量的增加而提高。

(3)采用使水泥與淤泥產(chǎn)生更充分、更均勻水泥土的施工工藝，其抗壓強度代表值更高。

(4)根據(jù)工程設(shè)計要求，28d齡期單樁豎向抗壓靜載荷極限承載力應(yīng)≥180kN，樁體無側(cè)限抗壓強度Qu≥1.2MPa。試驗場地屬沖海積、淤積平原地貌單元，臨近入?？冢植驾^厚層的軟土層，其特點含水量、孔隙比大，靈敏度高，壓縮性大，試驗段部分區(qū)域砂的含量較大，因而水泥摻入量影響不明顯。考慮到該項目地基不均勻程度較大，為了確保施工質(zhì)量，認為地基處理水泥攪拌樁的水泥摻量以18%為宜，樁徑φ500mm，樁間距選用1.8m，施工可采用釘型雙向攪拌的兩攪一噴工藝，這樣即可滿足工程設(shè)計要求。

(5)水泥攪拌樁具體的施工工藝及水泥摻入量等指標，要根據(jù)場地的工程地質(zhì)條件來確定；施工應(yīng)結(jié)合場地含水層地下水的徑流對施工造成的影響，同時還應(yīng)考慮沖海積、淤積平原軟土中含有的有機質(zhì)、硫酸鹽等對攪拌樁成樁質(zhì)量造成的影響，以保證施工成樁質(zhì)量。