丁 乾， 李 益,*， 吳成駿， 龐愛磊， 任林麗

(1.南京市滁河河道管理處， 江蘇 南京 210044； 2.南京市水利投資有限公司， 江蘇 南京 210012)

在水利工程中，特別是河道整治工程建設(shè)中常常會(huì)遇到軟弱地基問題。水泥攪拌樁技術(shù)作為一種軟弱地基加固處理方法，具有工程造價(jià)低、對(duì)土體擾動(dòng)小、工藝簡(jiǎn)便、效果好等優(yōu)點(diǎn)。了解、掌握水泥攪拌樁技術(shù)在水利工程建設(shè)中的工藝要求和應(yīng)用情況，有利于更好地推進(jìn)工程建設(shè)、推動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1 水泥攪拌樁技術(shù)

1.1 水泥攪拌樁技術(shù)發(fā)展

水泥攪拌樁技術(shù)是利用水泥作為固化劑，通過特定的攪拌機(jī)械將水泥漿和天然土體強(qiáng)制拌和，經(jīng)過一系列物化反應(yīng)后，使軟土具有一定強(qiáng)度和剛度，從而達(dá)到增強(qiáng)土體的整體性和穩(wěn)定性的目的[1-2]。

我國(guó)的水泥攪拌樁法起步于20世紀(jì)70年代。1978年，我國(guó)研制出首臺(tái)雙軸攪拌機(jī)械(SJB-1型)。20世紀(jì)90年代，水泥攪拌樁技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，全國(guó)有十幾個(gè)省、市、自治區(qū)開始應(yīng)用。近年來，水泥攪拌樁技術(shù)在我國(guó)不斷擴(kuò)大應(yīng)用范圍，尤以長(zhǎng)三角、天津、深圳等地城市應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的水泥攪拌樁技術(shù)成樁深度可達(dá)30 m以上，在工程建設(shè)中取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.2 水泥攪拌樁施工工藝

水泥攪拌樁按主要的施工做法可以分為單軸、雙軸和三軸攪拌樁。根據(jù)攪動(dòng)和噴漿次數(shù)不同，又可分為兩攪一噴、四攪兩噴、四攪三噴等等。但無論攪動(dòng)和噴漿次數(shù)多少，其基本的施工工藝流程(圖1)包括：測(cè)量定位、樁機(jī)就位、鉆進(jìn)噴漿、提升攪拌、重復(fù)噴漿攪拌、重復(fù)提升攪拌、成樁完畢，簡(jiǎn)述如下：

圖1 水泥攪拌樁施工工藝(四攪兩噴)

步驟1：放線定位：用GPS和圈尺測(cè)放工程軸線及樁位，經(jīng)驗(yàn)收合格后進(jìn)行施工。

步驟2：樁機(jī)就位：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的樁位布置，樁機(jī)就位對(duì)中，并再次復(fù)核樁位。施工結(jié)束后樁位偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于0.3%。

步驟3：制備灰漿：攪拌機(jī)下沉攪拌前，按事先確定的配合比制備灰漿，并在注漿前將水泥漿經(jīng)過濾網(wǎng)片傾入集料斗中。

步驟4：噴漿下沉：樁機(jī)就位對(duì)中后，啟動(dòng)主機(jī)使其正向轉(zhuǎn)動(dòng)。選鉆頭向下推進(jìn)擋，以均勻速度，邊下沉邊噴漿邊攪拌，使水泥和土充分?jǐn)嚢?，直至設(shè)計(jì)深度。

步驟5：攪拌提升：當(dāng)攪拌機(jī)下沉至設(shè)計(jì)深度后，便以均勻速度提升攪拌，直到設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高，即完成二次攪拌加固過程。

步驟6：根據(jù)具體攪拌、提升次數(shù)，重復(fù)步驟4和5。

步驟7：成樁完畢。

1.3 水泥攪拌樁施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

水泥攪拌樁技術(shù)對(duì)軟基進(jìn)行處理屬于隱蔽工程，因而在其施工過程中必須抓好質(zhì)量控制，避免返工。水泥攪拌樁施工的質(zhì)量控制要點(diǎn)[3-4]主要有：

(1)水泥及水泥漿質(zhì)量控制。必須使用合格的水泥，嚴(yán)格按照配合比制拌水泥漿，漿液供應(yīng)滿足施工進(jìn)度要求。保證每根樁所需的漿液1次單獨(dú)拌制完成，使用前過篩并在3 h內(nèi)用完。水泥儲(chǔ)量不少于1根樁的用量，否則不得進(jìn)行下1根樁的施工。施工前輸漿管路保持潮濕，以利于輸漿。

(2)水泥土攪拌樁垂直度控制。保證起吊設(shè)備的平整度和導(dǎo)向架的垂直度，控制水泥土攪拌樁的垂直度偏差不大于1%，樁位偏差不大于5 cm。

(3)噴漿深度及噴漿量控制。嚴(yán)格控制鉆機(jī)下鉆速度、漿噴深度及停漿面，確保噴漿深度和水泥漿液噴入量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如因意外原因?qū)е聡姖{中斷，必須在3 h以內(nèi)補(bǔ)噴，重疊噴漿深度應(yīng)在50 cm以上，超過3 h應(yīng)按照規(guī)定重新打樁。確保全樁水泥用量不得少于試樁時(shí)確定的水泥用量，每米用漿量誤差不得大于5%。

(4)頂層控制。雙向水泥土攪拌樁在地面以下1 m范圍內(nèi)應(yīng)進(jìn)行2次噴漿攪拌。

(5)施工機(jī)械控制。對(duì)輸漿管經(jīng)常檢查，不得泄漏或堵塞，管道長(zhǎng)度不得大于60 m。定期檢查鉆頭，保持鉆頭直徑誤差在 -1～3 cm之間。

(6)施工信息化控制。通過全過程監(jiān)控設(shè)備，對(duì)不同土層噴漿量、電流等及時(shí)進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整下沉、復(fù)攪速度以及復(fù)攪遍數(shù)等參數(shù)。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

南京市城東地區(qū)某重要通江河道，總長(zhǎng)21.65 km。為發(fā)揮區(qū)域防洪、排澇整體效益，適應(yīng)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，對(duì)該河道部分區(qū)域進(jìn)行治理。工程分上、下游2段(上游段J4+675-J6+215，下游段J8+735-J12+240)，主要建設(shè)內(nèi)容為：河道拓浚、堤防加固和配套建筑物拆、改建。河道規(guī)劃斷面為梯形斷面(圖2)，地勘資料顯示：工程范圍內(nèi)普遍分布淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)砂壤土、淤泥和重粉質(zhì)壤土層，土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，抗沖刷能力低，易引起河道邊坡沖蝕、坍塌，對(duì)河道邊坡穩(wěn)定不利。

圖2 河道規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：m)

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況

在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性復(fù)核時(shí)，選取常水位降落期、施工期低水位等2種工況(表2)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果(表3)表明：在施工期和常水位降落期抗滑安全系數(shù)均不滿足要求。結(jié)合地勘成果，分析認(rèn)為工程范圍內(nèi)普遍分布的淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土是河道邊坡穩(wěn)定的最不利因素。因此，為解決水位降落期及施工期的邊坡穩(wěn)定，需要對(duì)淤泥質(zhì)重粉質(zhì)壤土進(jìn)行加固處理。

2.2 水泥攪拌樁加固方案及效果

2.2.1 加固方案

加固方案選擇主要從加固改良軟土(滑動(dòng)面土體)的思路以及設(shè)置抗滑措施的角度出發(fā)。對(duì)于深厚軟土堤基，常用的加固方法有水泥土深層攪拌法、高壓噴射灌漿法、抗滑樁法等。因工程范圍內(nèi)普遍分布深厚軟土，抗滑樁處理效果不佳，且工程造價(jià)高；深攪樁施工機(jī)械大，工期較長(zhǎng)，但對(duì)深厚軟土處理效果好，且工程造價(jià)較低。綜合考慮施工工藝和造價(jià)，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)，選用水泥土攪拌樁技術(shù)加固軟土地基。具體加固方案如表4所示。

表3 堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表4 軟土地基加固方案

2.2.2 加固斷面穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)《地基處理手冊(cè)》[5]相關(guān)內(nèi)容，水泥土的抗剪強(qiáng)度隨其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大而增大，其黏聚力C與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的比值為0.2～0.3，其內(nèi)摩擦角變化范圍在20°～30°。加固區(qū)的土體參數(shù)可按公式(1)、(2)計(jì)算。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)取攪拌樁的黏聚力100 kPa，內(nèi)摩擦角取25°。由表1原狀土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值、內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值可計(jì)算得出水泥攪拌樁加固后的復(fù)核地基的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值以及內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值。

tanφsp=mtanφp+(1-m)tanφs

(1)

csp=(1-m)cs+mcp

(2)

式中：φsp為復(fù)合土層內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)；csp為復(fù)合土層粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；m為面積置換率；φp為樁體材料內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)；cp為樁體材料黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；φs為樁間土內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°)；cs為樁間土黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

采用加固處理方案后，各工況下堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示：在施工期和常水位降落期抗滑安全系數(shù)均滿足要求。經(jīng)過水泥土攪拌樁加固后，土體的物理力學(xué)指標(biāo)得到了明顯提高，邊坡的穩(wěn)定抗滑系數(shù)明顯增大，滿足了規(guī)范的要求。說明采用水泥土攪拌樁技術(shù)加固地基是切實(shí)可行的，效果顯著。

表5 加固處理后堤防邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

2.2.3 實(shí)施效果

根據(jù)加固處理方案，設(shè)計(jì)單位給出的主要技術(shù)指標(biāo)為：攪拌樁全樁長(zhǎng)范圍樁身強(qiáng)度應(yīng)均勻，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于0.8 MPa。

施工單位依據(jù)方案進(jìn)行施工，28 d抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 28 d抗壓強(qiáng)度結(jié)果

從表6可知：

(1)4種方案中，方案1的抗壓強(qiáng)度最小(0.93 MPa)、方案4的抗壓強(qiáng)度最大(1.39 MPa)，但各方案的水泥攪拌樁的成樁質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)在未添加減水劑的情況下，水泥含量從16%增加到18%時(shí)，成樁抗壓強(qiáng)度提高了7.5%，說明水泥含量增加有利于提高成樁質(zhì)量。

(3)水泥含量為16%時(shí)，添加減水劑，成樁抗壓

強(qiáng)度提高了9.7%；水泥含量為18%時(shí)，添加減水劑，成樁抗壓強(qiáng)度提高了39%。說明添加減水劑對(duì)提高成樁質(zhì)量有顯著效果。

3 結(jié) 語

軟弱地基處理是工程建設(shè)中必須予以高度重視的問題之一。特別是軟基上的岸坡無法滿足抗滑穩(wěn)定要求時(shí)，水泥攪拌樁技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)又高效的加固方法。水泥攪拌樁技術(shù)具有污染小、費(fèi)用低、施工快、施組便捷等優(yōu)勢(shì)，目前已在公路、鐵路、港口碼頭、市政工程、工業(yè)與民用建筑等軟土地基加固中廣泛應(yīng)用。在水利工程中推廣應(yīng)用水泥攪拌樁技術(shù)，有利于降低工程建設(shè)成本、提高工程建設(shè)效率，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。