李興兵，劉大軍，翁佳興，徐建國，強成倉, 邱成春

(1.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚州 225000；2.中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230000；3.鹽城工學院 土木工程學院，江蘇 鹽城 224000)

工程建設過程中常遇到軟土地基，軟土天然含水量高，滲透性差，易沉降，承載力低[1-2]。為保證施工安全，提高施工質量，需要對地基進行加固處理，改良軟土地基的工程特性。目前常用的方法是改善土壤三相體的結構比例關系(如換填法、強夯法和排水固結法)和采取固化措施(如攪拌樁、灌注樁法)，其中應用較為廣泛的是水泥土攪拌樁技術。

水泥土攪拌樁利用水泥作為固化劑，通過攪拌樁機將水泥噴入土體并充分原位攪拌，使水泥與土發(fā)生一系列物理化學反應，土體硬結而形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥土樁[3]。然而，水泥土攪拌樁對被加固地基的土體性質有很大要求，不宜在地基土中存在硬質夾層的地區(qū)使用。在處理復雜的多層土地基時，不同土性的土體與水泥的物理化學反應效果存在差異，同一根樁體在不同地層中采用相同的水泥摻入比，會造成樁體強度不均勻甚至出現(xiàn)強度分段現(xiàn)象，并且深層地基加固時，水泥攪拌樁法施工歷時比較長，施工效率較低，很大程度上牽制了施工進度。

針對水泥土攪拌樁易受地基土性質干擾的問題，本文提出一種新型環(huán)保均質塑性樁——EHP樁(Environment Homogeneous Plastic Pile)，在傳統(tǒng)水泥土攪拌樁技術的基礎上，發(fā)展創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)水泥攪拌法在地基土中原位攪拌的方法，利用特制機械設備一邊提鉆出土，一邊澆筑充填，有效地解決了水泥土攪拌樁均勻性差的問題，形成了一種特有的攪拌樁施工工藝。本文依托淮河干流蚌埠～浮山段行洪區(qū)調整和建設工程施工XXIX標——五河大橋接長工程(簡稱五河大橋接長工程)，通過低應變反射法對EHP樁的樁身結構進行分析，以驗證EHP樁加固軟土地基時的樁身完整性和均勻性。

1 EHP樁施工工藝

1.1 工程概況

本次EHP樁工法樁依托淮河干流蚌埠—浮山段行洪區(qū)調整和建設工程施工XXIX標——五河大橋接長工程開展試驗研究，五河大橋接長工程橋坡段采用水泥攪拌樁復合地基處理方案，濕法施工，設計樁長14.5 m，樁徑為600 mm，正三角形布設。按平行于橋臺走向將橋坡段劃分為A、B、C、D4個區(qū)，其中D區(qū)為臺前處理區(qū)，A、B、C區(qū)為臺后處理區(qū)，A區(qū)樁間距1.0 m，B、D區(qū)樁間距1.1 m，C區(qū)樁間距1.3 m。攪拌樁布置如圖1所示。橋坡段處理區(qū)樁號范圍：K0+457～K0+519，處理總長度 62 m，其中A區(qū)長度24 m，B區(qū)長度16 m，C區(qū)長度 14 m，D區(qū)長度8 m。樁數(shù)1 672根，共計24 244 m。本次現(xiàn)場試驗位置選擇在五河大橋接長工程橋坡段C區(qū)外圍。

1.2 工程地質

工程沿線地勢較平坦，高程在17.0～20.0 m，地勢坡降約1‰～2‰。巖土工程勘察資料顯示工程范圍內地層中廣泛分布承載力偏低的淤泥質重、中粉質壤土。具體為一般地基表層素填土，以輕粉質壤土、砂壤土為主，灰黃色，局部為重、中粉質壤土，軟可塑，結構松散，其下分布淤泥質重、中粉質壤土局部夾砂壤土，灰色，軟塑狀為主，屬高壓縮性土。

圖1 水泥攪拌樁布置剖面圖

1.3 EHP樁施工流程

(1)施工前準備

施工前對施工場地進行平整，達到施工機械進場施工的要求。隨后將長螺旋鉆機、強制攪拌機等機械安置到位。

(2)水泥土攪拌

機械安裝到位后，按要求攪拌水泥土，攪拌的關鍵是控制含水率，以快速獲得符合流動度要求的水泥土，且攪拌均勻。由于施工過程中，水泥土會被快速泵送入長螺旋鉆形成的孔中，攪拌中加土、水、水泥的速率及攪拌速率是影響EHP樁施工的重要因素。為了能夠快速配置符合標準的水泥土，采用挖掘機加土，抽水泵進行加水。采用質量控制法控制攪拌后的含水率，即事先量測挖土機挖斗1次能夠挖取的粉土重量，根據(jù)該重量計算所需的水量及水泥重量。施工過程中，根據(jù)每次挖斗投放粉土的重量，放入事先計算好重量的水及水泥。每次投料后，攪拌機攪拌10 min以上，確保土料均勻。

(3)泥漿坍落度現(xiàn)場測試

當泥漿攪拌基本均勻后，迅速從攪拌桶中取少量水泥土進行坍落度或流動度檢測，如果流動性偏離目標流動度超過10%時，需要進行流動性調整。流動性較高時，需要再放入適當?shù)耐亮?，當流動性較小時，放入適當質量的水，使流動性接近于目標流動性。需要指出，實踐表明，現(xiàn)場水泥土的流動性調節(jié)相對比較困難，常常會出現(xiàn)流動度偏大或偏小的情況。

(4)鉆進取土

在攪拌水泥土的同時，長螺旋鉆機開始鉆進取土，鉆進過程中，控制鉆進速率。

(5)提鉆注漿

當長螺旋鉆機鉆頭達到指定土層深度后，同時，水泥土的流動性調整到位時，開始泵送注漿，在注漿過程中，向上提升長螺旋轉頭。在提升長螺旋鉆頭的過程中，應控制鉆頭的提升速率，確保鉆頭的提升速率小于注漿速率。如出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象，應立即停止鉆頭的提升，待堵管問題處理后，再重新提升鉆頭。

(6)清理機械

當長螺旋鉆頭提升至地表時，一根EHP樁施工完畢，準備進行下一根樁的施工。在此過程中，如果距離下一根樁的施工時間較長，要清洗攪拌機和水泥土泵。

2 EHP樁樁身完整性檢測

2.1 低應變反射波法檢測原理

樁基動力檢測是指在樁頂施加一個動態(tài)力，可以是瞬態(tài)沖擊力或穩(wěn)態(tài)激振力。樁-土系統(tǒng)在動態(tài)力的作用下產(chǎn)生動態(tài)響應，采用不同功能的傳感器在樁頂測量動態(tài)響應信號(如位移、速度、加速度)，通過對信號的時域分析、頻域分析或傳遞函數(shù)分析，判斷樁身結構完整性[4]。

本次測試采用低應變法，低應變法作用在樁頂上的動荷載遠小于樁的使用荷載，能量小，只能使樁土產(chǎn)生彈性變形，適于檢測混凝土樁的樁身完整性，判斷樁身缺陷的位置和程度，該方法檢測速度快，效率高。

2.2 測試方案

低應變測試所用的儀器為RS—1616K(S)型基樁低應變測試儀。本次共測試6根樁，包括5根EHP樁和1根MIP樁(傳統(tǒng)水泥土攪拌樁)。EHP樁中，8%水泥摻量的2根，10%水泥摻量的1根，13%水泥摻量的2根。在開展低應變測試前，事先將預測試的樁的樁頭進行處理，鑿去EHP樁的樁頂浮漿和松散破碎部分，確保樁頭完整、平整、沒有積水。

測試過程中，傳感器與檢測樁樁頂垂直，用黃油進行耦合粘接，要求粘貼密實，有足夠的粘結強度。激振點位置在樁的中心處，傳感器安裝位置在距離樁頂面中心的2/3半徑(距離樁心200 mm處)，如圖2所示。采集樁身的波形信號時，通過增益和擊振頻率使樁身的反射特征清晰、重復性好。對存在缺陷的樁基選用多種擊振頻率進行重復檢測，進一步明確樁身缺陷。測試工作遵循《建筑基樁檢測技術規(guī)范》JGJ106—2014[5]的規(guī)定開展。

圖2 激振點位與傳感器點位

2.3 測試結果分析

圖3～5分別為8%、10%及13%水泥摻量的EHP樁低應變完整性測試獲得的反射波時程圖。圖6為13%水泥摻量的MIP樁低應變完整性測試獲得的反射波時程圖。

圖3 8%水泥摻量EHP樁低應變放射波信號

圖4 10%水泥摻量EHP樁低應變放射波信號

圖5 13%水泥摻量EHP樁低應變放射波信號

圖6 13%水泥摻量MIP樁低應變放射波信號

由圖可知，在樁8-4(8%水泥摻量的EHP樁)中，實測信號曲線在4.96 m處幅值激增，出現(xiàn)較大幅度反射波，可知基樁在該位置處出現(xiàn)較大縮頸；這可能是由于該工程場地以淤泥質重、中粉質壤土為主，攪拌后水泥土較致密強度較高造成樁身出現(xiàn)一定程度縮頸。在樁8-5中(8%水泥摻量的EHP樁)，信號曲線在3.83 m處有小幅度波動，但是應力波整體較平穩(wěn)，樁身完整性好，質量可靠；在樁10-7中(10%水泥摻量的EHP樁)，波形圖沒有出現(xiàn)過大的波動，樁身沒有明顯缺陷[6]；在樁13-6(13%水泥摻量的EHP樁)中，實測信號曲線在3.52 m處有小幅度的反射波，判斷樁身在3.52 m處存在輕微的縮頸；在樁13-7中(13%水泥摻量的EHP樁)，波形圖在樁身2 m位置處出現(xiàn)一個明顯的峰值，判斷此位置存在擴徑現(xiàn)象；在樁PJ中(13%水泥摻量的MIP樁)，樁身1.44 m處，波形圖有小幅度反射波，可知該處有輕微縮頸。

由低應變波形圖可知，6組檢測樁在樁頭附近的信號曲線波動較大，這是因為低應變檢測時，樁頂部分聲場復雜，應力波可為半球面波，遠離樁頂后可近似為平面波。入射波在樁頂附近將產(chǎn)生折射，應力波將由樁身擴散到樁周土層中，也就產(chǎn)生應力波能量的折射損失。一般情況下可以認為，折射損失主要發(fā)生在樁頭附近[7]。

從頻域信號上看，6組測試樁都無較清晰的樁底反射信號。這可能是因為實際工程中，應力波到達樁底時，會發(fā)生透射和反射，而不像自由桿件僅在樁端發(fā)生反射。這樣樁身應力波有一部分進入土中，反射部分自然就少。在頻域信號上的反映是，樁底反射幅值比樁頂入射波幅值降低。當樁身阻抗和樁端土差別越小時，進入土中透射波分量越多，也就是樁底土層越好，樁底反射信號越不容易看到[8]。另外，應力波在樁身傳播過程中，樁身和樁側土阻尼對應力波也會有衰減作用，阻尼越大，衰減越快，就越不易看到樁底反射。研究表明，應力波的衰減服從指數(shù)規(guī)律[9]。EHP樁在施工過程中，樁周土經(jīng)過擠密，密實性和強度都有很大提高，樁周土的阻抗也會有所提高。在這種情況下，樁身中的應力波會迅速衰減，EHP樁的樁底反射一般不明顯。

混凝土實際上是一種混合材料，樁身材料本身具有一定的不均勻性，再加上施工工藝和地質條件的影響，樁身材料的模量和強度有很強的變異性。樁身材料的彈模一般很難確定，而強度的概念卻很直觀，使用的也較多。有相當長的一段時期，學者們認為，低應變的檢測波速可以確定樁身混凝土強度，在舊規(guī)范《基樁低應變動力檢測規(guī)程》(JGJ/T93—95)中，反射波法可以對樁身混凝土強度等級做出估計。然而后來的研究表明，事實并非如此。波速與樁身混凝土強度整體趨勢上呈正相關關系，但并沒有一一對應的關系。影響混凝土波速的因素很多，強度對波速并沒有決定性的影響。從一般情況來看，對于不同樁型、強度的樁，波速確實有一個大致的范圍(表1)，EHP樁的平均波速為2 250 m/s，遠高于普通深層攪拌樁的波速。根據(jù)《建筑基樁檢測技術規(guī)范》(JGJ106—2014)中規(guī)定的樁身完整性分類標準(表2)，并綜合分析圖3～6中各類型樁的低應變完整性測試時程曲線，可得到如下結論：PJ樁(13%水泥摻量的MIP樁)的完整性等級為Ⅱ類，EHP樁的樁身等級基本接近Ⅰ類樁，低應變檢測結果見表3。由此可見，EHP樁的施工工藝基本滿足其完整性要求。

表1 不同類型樁的波速范圍

表2 樁身完整性分類

表3 低應變檢測結果匯總

注：Ⅰ類樁為完整樁；Ⅱ類樁為基本完整樁；Ⅲ類樁為缺陷樁；Ⅳ類樁為嚴重缺陷樁。其中Ⅰ類樁、Ⅱ類樁可正常使用；Ⅲ類樁、Ⅳ類樁須經(jīng)處理后，方可使用。

4 結 論

本文提出了一種新型EHP樁，闡述了EHP樁的施工工藝，給出了EHP樁相對于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁(MIP樁)的技術優(yōu)勢，并對EHP樁的樁身完整性進行了分析，主要結論如下：

(1)EHP樁在傳統(tǒng)水泥土攪拌樁基礎上，創(chuàng)新施工工藝，采用一邊成孔一邊拌合料澆筑填充的方式成樁，有效解決了傳統(tǒng)水泥土攪拌樁攪拌不均勻的問題，施工效率提高，環(huán)境污染小，為加固軟土地基提供了新的選擇。

(2)采用低應變反射波法進行基樁檢測，檢測數(shù)據(jù)推斷EHP樁的樁身完整性較好，完整性等級基本接近Ⅰ類，優(yōu)于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁的樁身結構。

(3)EHP樁的低應變縱波波速大于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁，結合已有工程經(jīng)驗分析，EHP樁的樁身強度較高。