商志清

(江蘇鹽城水利建設(shè)有限公司， 江蘇 鹽城 224002)

剛性樁復(fù)合地基中的混凝土樁復(fù)合地基和柔性樁復(fù)合地基中的水泥土攪拌樁復(fù)合地基都是目前比較常用的復(fù)合地基類型。在對軟弱土體進(jìn)行加固處理時，兩種樁型各有利弊。水泥土攪拌樁在成樁的施工過程中對周圍土體的擾動和對環(huán)境的影響都比較小。并且其施工工藝簡單，造價低廉，具有較高的性價比。但其本身材料強(qiáng)度較低，且當(dāng)土層中含有軟弱土層時產(chǎn)生的沉降較大，因此極易發(fā)生因樁身強(qiáng)度不足而發(fā)生的破壞。而剛性混凝土樁樁身材料強(qiáng)度較大，因此可以承受較大的上部荷載。但通常情況下，其樁身強(qiáng)度還未得到充分發(fā)揮，樁土接觸面上的側(cè)摩阻力就已經(jīng)超過其剪切強(qiáng)度而發(fā)生破壞，導(dǎo)致樁整體下沉喪失承載能力。綜合這兩種樁型各自在加固軟弱土地基上的優(yōu)點。

出于這個目的，把預(yù)制好的混凝土樁打入剛剛成樁還未硬結(jié)的水泥土攪拌樁中，將剛性的混凝土樁作為內(nèi)芯樁，將柔性的水泥土攪拌樁作為外層樁，形成勁性芯水泥土攪拌樁[1]。這樣，既能使內(nèi)芯混凝土樁強(qiáng)度高的優(yōu)點得到充分發(fā)揮，又可以充分利用水泥土攪拌樁較高的側(cè)摩阻力，兩者共同提高樁的整體承載力。兼具外層水泥土攪拌樁性價比高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點，同時因為內(nèi)芯混凝土預(yù)制樁的存在，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)水泥土攪拌樁承受荷載長度有限(有效樁長)和樁身抗彎強(qiáng)度低易受彎使樁身發(fā)生破壞的缺點。具有良好的應(yīng)用前景和較高的應(yīng)用價值。受到工程界的廣泛關(guān)注[2]。這種樁的基本形式如圖1所示。

1-柔性樁 2-剛性樁圖1 復(fù)合樁構(gòu)造示意圖

1994年，河北滄州機(jī)械公司聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)對一種新型樁開展了實驗研究。他們將一根預(yù)制好的混凝土電桿壓入水泥土攪拌樁之中組合成復(fù)合樁，并對該樁型進(jìn)行了試樁實驗研究。試驗測得該復(fù)合新樁型的豎向承載力為450 kN，而同尺寸的單一水泥土樁的豎向承載力僅為150 kN。且該樁型最終因為樁頂下2 m的混凝土被壓碎而發(fā)生破壞。這次試驗標(biāo)志我國對該種新樁型研究的開端，預(yù)制電線桿與水泥土攪拌樁的組合也是該種樁型在我國運用研究的雛形。

1 工程概況

新孟河延伸拓浚工程位于太湖流域湖西區(qū)，北起長江，南入太湖，途經(jīng)江蘇省鎮(zhèn)江市、常州市和無錫市，具有改善水環(huán)境、防洪、除澇、增加水資源供給等綜合效益，對太湖流域和湖西區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展具有重要的作用。奔牛水利樞紐工程為新孟河延伸拓浚工程干河樞紐工程之一，由京杭運河立交地涵、船閘、節(jié)制閘和孟九橋組成。船閘、節(jié)制閘建筑物基礎(chǔ)主要位于②3層上，僅局部位于③2層上；立交地涵翼墻底板位于②3和④2層上。②3層淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土，地基允許承載力為70 kPa；④2層重粉質(zhì)壤土，地基允許承載力為100 kPa，均不宜作為建筑物的天然地基持力層。根據(jù)設(shè)計要求，地基處理采用勁性復(fù)合樁地基。

勁性復(fù)合樁由直徑70 cm水泥土攪拌樁和直徑22 cm素混凝土振動沉管樁芯組成。其中攪拌樁的水泥摻量為18%(重量比)，攪拌樁土體28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.5 MPa，樁芯混凝土強(qiáng)度等級為C30。工藝試樁樁長為13.35 m，單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值為413 kN。勁性復(fù)合樁橫截面結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 勁性復(fù)合樁橫截面結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)場試樁工藝試驗

由于勁性復(fù)合樁首次在水利工程中大面積使用，所以在勁性復(fù)合樁施工前應(yīng)進(jìn)行試樁工藝試驗，檢驗勁性復(fù)合樁單樁承載力，同時檢驗勁性復(fù)合樁成樁設(shè)備和施工工藝，確定主要施工工藝參數(shù)；通過對工藝試驗的研究，優(yōu)化并確定工程樁的施工工藝方案。

2.1 試樁方案要點

(1)成樁設(shè)備。試樁選用SP—15A型深層攪拌樁機(jī)、DZ30型振動沉管樁機(jī)。攪拌樁主電機(jī)功率為90 kW，額定電流165 A；振動沉管樁機(jī)主電機(jī)功率30 kW，額定電流55 A。噴漿設(shè)備為Pk—250型灰漿泵，噴灰設(shè)備為SOY—60ATJ型螺桿空氣壓縮機(jī)，均配套設(shè)置流量自動記錄儀。

(2)試樁數(shù)量。試樁共計12根，采用濕噴和干噴兩種施工工藝，其中濕噴、干噴各6根，比較采用兩種不同施工工藝的成樁效果。其中濕噴樁選在地涵北側(cè)翼墻底板范圍內(nèi)，作為工程樁使用，干噴樁選在地涵翼墻底板范圍外。

(3)水泥攪拌樁攪拌工藝試驗。

①攪拌工藝采用四攪二噴工藝進(jìn)行試樁；

②攪拌方式，通過試驗確定選用干噴或者濕噴；

③濕噴施工參數(shù)：灰漿水灰比、比重、注漿量及噴漿壓力、攪拌葉片轉(zhuǎn)速、攪拌鉆進(jìn)與提升速度、電流值等試驗。

④干噴施工參數(shù)：噴灰壓力值、攪拌葉片轉(zhuǎn)速、攪拌鉆進(jìn)與提升速度、電流值等試驗。

(4)振動沉管樁施工參數(shù)。沉管速度1.5 m/min，提管速度1.5～2.0 m/min，混凝土充盈系數(shù)1.25～1.28。

具體試樁方案見表1。

表1 勁性復(fù)合樁試樁方案

2.2 施工流程

(1)施工總流程

測量放樣→攪拌樁機(jī)就位→攪拌樁施工→復(fù)核樁位→沉管樁機(jī)就位(6 h內(nèi))→沉管樁施工→成樁完畢→移至下一根樁施工。

(2)攪拌樁施工工藝及施工流程

①施工工藝

采用四攪二噴，預(yù)攪下沉→噴漿(灰)攪拌提升→重復(fù)攪拌下沉→重復(fù)噴漿(灰)攪拌提升至頂。

②濕噴法施工流程

施工準(zhǔn)備→鉆機(jī)就位→拌制漿液→鉆進(jìn)→攪拌、噴漿、提升→升到設(shè)計標(biāo)高后再復(fù)鉆→復(fù)拌、噴漿、提升→升到設(shè)計標(biāo)高后停機(jī)→下一樁循環(huán)施工。

③干噴法施工流程

施工準(zhǔn)備→鉆機(jī)就位→鉆進(jìn)→攪拌、噴灰、提升→升到設(shè)計標(biāo)高后再復(fù)鉆→復(fù)拌、噴灰、提升→升到設(shè)計標(biāo)高后停機(jī)→下一樁循環(huán)施工。

(3)沉管樁施工流程

復(fù)核樁位→樁機(jī)就位→振動沉管至設(shè)計深度→混凝土攪拌、運輸、灌注→邊振動、邊拔管、混凝土灌注至足量→振動拔管至地面→成樁完畢→下一根樁循環(huán)施工。

2.3 試樁方法

(1)攪拌樁施工方法

①攪拌樁機(jī)械就位、對中、調(diào)平、設(shè)定流量計參數(shù)。

調(diào)平：在樁機(jī)對位后，在底盤基本水平的條件下，調(diào)整兩邊的支撐桿，使起立架中心垂球?qū)?zhǔn)中心。

設(shè)定流量計參數(shù)：打開流量計電源，在自動記錄儀設(shè)置前按總清鍵，然后依次設(shè)置樁號、日期、段流量、深度、總漿量等參數(shù)，通過自動記錄儀對試樁施工進(jìn)行全過程記錄。

②攪拌鉆進(jìn)至設(shè)計深度：樁深度既要達(dá)到設(shè)計樁長，又要進(jìn)入持力層不得小于0.5 m。采用深度記錄儀和鉆樁平臺下量測鉆桿長度控制攪拌樁深度，根據(jù)電流大小判斷鉆進(jìn)深度是否進(jìn)入持力層。

③拌制漿液：采用P.042.5的普通硅酸鹽水泥，根據(jù)不同要求的配合比拌制水泥漿，制備漿液時嚴(yán)格控制水灰比、水泥摻入量，待壓漿前將漿液放入集料斗中。

④第一次攪拌下沉：啟動攪拌樁機(jī)轉(zhuǎn)盤，鉆桿沿導(dǎo)向架攪拌，下沉至設(shè)計樁標(biāo)高；下沉速度控制在1.0～1.5 m/min，工作電流不大于額定值。

⑤噴漿(灰)攪拌提升：攪拌下沉到達(dá)設(shè)計深度后，鉆機(jī)反轉(zhuǎn)，邊噴漿(灰)攪拌邊提升鉆桿，提升速度控制在0.8 m～1.2 m/min，使?jié){液(灰)和土體充分拌和。

⑥重復(fù)攪拌下沉、提升、噴漿(灰)，當(dāng)漿液(灰)到達(dá)設(shè)計樁頂標(biāo)高后原位噴射攪拌不少于10 s。

⑦關(guān)閉攪拌機(jī)械，主機(jī)移動至下一樁位，重復(fù)上述步驟。

(2)沉管樁施工方法

①樁機(jī)就位：根據(jù)已施工的攪拌樁重新復(fù)核樁位。

②振動沉管：振動沉管機(jī)架要穩(wěn)定，沉管下沉到設(shè)計標(biāo)高，并記錄沉管深度和所耗時間。

③混凝土灌注：沉管達(dá)到深度后，立即灌注混凝土，盡量減少間隔時間。第一次灌注混凝土必須灌滿樁管，加灌時應(yīng)保證混凝土面高出設(shè)計樁頭標(biāo)高0.3～0.5 m。拔管速度要均勻，拔管速度不大于1.2 m/min，邊振邊拔，每拔0.5～1.0 m停拔留振5～10 s，如此反復(fù)至沉管全部拔出。

④關(guān)閉沉管樁機(jī)，移動至下一樁位，重復(fù)上述步驟。

3 勁性復(fù)合樁的質(zhì)量檢驗

勁性復(fù)合樁的質(zhì)量檢驗包括施工過程的檢驗、樁體強(qiáng)度檢驗、樁身結(jié)構(gòu)完整性檢驗、承載力檢驗等。

3.1 施工過程的檢驗

施工過程中的檢驗參數(shù)包括樁位、樁長、樁頂高程、樁身垂直度、復(fù)合樁外芯與樁芯的偏差、樁身水泥摻量、噴漿速度、水灰比、攪拌和噴漿起止時間、噴漿量、灌注混凝土量、混凝土芯樁與水泥攪拌樁施工間歇時間等，主要通過施工過程中的檢驗記錄來確定是否符合施工工藝和技術(shù)要求。對于水泥攪拌樁施工還可以通過自動計量裝置對施工過程時間、階段注漿(灰)量、總漿(灰)量進(jìn)行過程監(jiān)控。

3.2 樁體強(qiáng)度檢驗

為檢驗水泥攪拌樁的施工質(zhì)量和樁芯混凝土的抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，在試樁過程中，對試樁水泥土、樁芯混凝土進(jìn)行取樣，并對水泥土、樁芯混凝土試樣進(jìn)行抗壓檢驗，檢驗結(jié)果見表2，均滿足設(shè)計要求。

表2 樁身抗壓強(qiáng)度

3.3 勁性復(fù)合樁樁身結(jié)構(gòu)完整性檢驗

為有效地檢驗整個樁長范圍內(nèi)樁身的完整性，采用低應(yīng)變反射波法對勁性復(fù)合樁的質(zhì)量進(jìn)行檢查和判斷樁身結(jié)構(gòu)(混凝土樁芯)完整性。

根據(jù)所測波形特性，結(jié)合樁的混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級要求，本工程樁身結(jié)構(gòu)的完整性按4類劃分,檢測結(jié)果如表3所示。本次試驗共檢測12根試樁，均為Ⅰ類樁。

3.4 勁性復(fù)合樁承載力檢驗

為檢驗單樁承載力是否滿足設(shè)計承載力的要求，在勁性復(fù)合樁成樁28d后進(jìn)行單樁豎向抗壓靜載試驗。進(jìn)行承載力檢驗的試樁數(shù)量為6根(試樁總數(shù)的50%)。

(1)加載、卸載方式

采用壓重平臺反力法，即由壓重平臺提供反力通過鋼梁及千斤頂對試驗樁進(jìn)行豎向抗壓荷載試驗，最大壓重量為1000 kN。

采用慢速維持荷載法，用電動油泵逐級加載，加荷等級為10級，總加載量為設(shè)計要求的2倍即826 kN。首級加載量為165 kN，加載依次為：165 kN→248 kN→330 kN→413 kN→496 kN→578 kN→661 kN→743 kN→826 kN。

卸載為5級，卸載量為其2倍,依次為：826 kN→661 kN→496 kN→330 kN→165 kN→0 kN。

(2)加載測讀沉降時間、相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、終止加荷條件按相關(guān)檢測規(guī)程進(jìn)行確定。

(3)單樁豎向靜載試驗結(jié)果見表4，檢測結(jié)果表明：①檢測的6根勁性復(fù)合樁的單樁豎向抗壓承載力≥826 kN，滿足本工程的設(shè)計要求；②相同試驗荷載下，干噴樁的沉降值比濕噴樁大。

4 試樁結(jié)論

根據(jù)勁性復(fù)合樁試樁記錄和試樁的各項試驗檢測數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場施工情況，綜合考慮滿足技術(shù)和經(jīng)濟(jì)合理要求，確定工程樁的工藝方案為：

(1)勁性復(fù)合樁攪拌樁選用濕噴法施工，采用四攪二噴成樁工藝。

(2)水泥摻量18%；

(3)首次噴漿下沉→噴漿攪拌提升→重復(fù)攪拌下沉→重復(fù)噴漿攪拌提升至頂。首次下沉噴漿可以克服穿硬土層時下沉的阻力。

根據(jù)試樁和檢測試驗結(jié)果獲得下列各項勁性復(fù)合樁施工工藝參數(shù)：

(1)水泥漿水灰比為0.8，噴漿量為142 L/m，噴漿壓力為0.5 MPa左右。

(2)攪拌樁進(jìn)入持力層前鉆進(jìn)速度為1.2～1.5 m/min，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為 80 r/min；提升速度為1.0～1.2 m/min時，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min，進(jìn)入持力層后鉆進(jìn)速度為0.15 m/min左右，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為30 r/min。

(3)振動沉管樁沉管速度為1.5 m/min左右，提管速度為1.5～2.0 m/min。

(4)混凝土充盈系數(shù)1.25～1.28。

表3 勁性復(fù)合樁(混凝土芯)樁身結(jié)構(gòu)完整性檢測結(jié)果表

表4 單樁豎向靜載試驗結(jié)果

5 結(jié) 語

勁性復(fù)合樁是一種新型的地基處理方式，樁、土聯(lián)合作用效果較好，可以有效防止建筑物底板與土體間形成間隙，將在水工建筑物地基處理中得到廣泛應(yīng)用。為充分發(fā)揮勁性復(fù)合樁在水工建筑物地基處理中的作用，掌握其施工工藝及質(zhì)量控制要求尤為重要。通過試樁工藝試驗研究，可深度掌握了勁性復(fù)合樁的施工工藝流程、施工工藝參數(shù)、質(zhì)量檢驗方法，為今后勁性復(fù)合樁的大規(guī)模施工積累了經(jīng)驗。