唐昌意 劉文獻(xiàn) 吳章平 陳惠進(jìn) 周 萌

(1.珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東珠海 519000；2.武漢謙誠(chéng)樁工科技股份有限公司，武漢 430000；3.華夏幸福(珠海)產(chǎn)業(yè)新城發(fā)展有限公司，廣東珠海 519000；4.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；5.清華大學(xué)，北京 100084)

海相淤泥具有含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性大、透水性差等特點(diǎn)。在軟土地區(qū)的建設(shè)工程普遍存在工后沉降量大和穩(wěn)定性差的問(wèn)題，攪拌樁具有施工周期短、擾動(dòng)小、施工成本低、提高軟土地基承載力和穩(wěn)定性、有效控制工后沉降變形等優(yōu)點(diǎn)，在軟土加固工程中得到廣泛的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開展了大量的攪拌樁相關(guān)研究工作。李宜成等對(duì)比了四攪四噴、兩攪兩噴、高壓旋噴三種施工工藝下的水泥攪拌樁無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其中四攪四噴工藝試驗(yàn)強(qiáng)度最大[1]。湯永輝通過(guò)試樁發(fā)現(xiàn)釘形雙向水泥土攪拌樁對(duì)深度大于20 m的軟土地基適用性較好[2]。潘觀強(qiáng)對(duì)比了單向樁、雙向樁、釘形樁的單樁載荷試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)釘形樁能夠顯著提高地基承載力特征值，適用于快速施工路段[3]。周小軍等改進(jìn)釘形水泥土雙向攪拌樁，開發(fā)了同心雙軸鉆桿，采用雙向攪拌技術(shù)提高了水泥土攪拌的均勻性[4]。Xie等通過(guò)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果證實(shí)了五軸水泥土攪拌樁在軟土地基上加固具有良好效果[5]。陳盛原等發(fā)現(xiàn)采用堆載固結(jié)法后有助于提升攪拌樁軟土加固效果[6]。潘殿琦等應(yīng)用水泥土攪拌咬合樁處理軟基時(shí)，發(fā)現(xiàn)合理控制旋轉(zhuǎn)速度有利于避免抱鉆現(xiàn)象[7]。宇珂等基于試樁試驗(yàn)測(cè)試水泥樁體強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)樁身強(qiáng)度與水泥摻量成正相關(guān)[8]。黃雨等發(fā)現(xiàn)在水泥土攪拌樁中添加石膏利于優(yōu)化地基加固效果[9]。Xin等推導(dǎo)了水泥土攪拌樁強(qiáng)度關(guān)于含水率、水泥摻量變化算式[10]。張本蛟等發(fā)現(xiàn)水泥攪拌樁芯樣強(qiáng)度、變形模量與水泥摻量呈正相關(guān)[11]。吳迎花對(duì)比了三種不同噴粉量下的成樁檢測(cè)結(jié)果，確定了粉噴樁施工的最優(yōu)噴粉量及水泥用量[12]。徐超等提出了針對(duì)高含水量軟土地基的變摻量施工工藝[13]。Wen探討了鉆孔提升速度、攪拌次數(shù)、攪拌速度對(duì)成樁質(zhì)量的影響[14]。何開勝等發(fā)現(xiàn)降低提升速度、增加復(fù)攪攪拌次數(shù)能夠提升成樁質(zhì)量[15]。

海相軟土具有明顯的地域差異性，其工程性質(zhì)與形成歷史有關(guān)，成樁質(zhì)量通常較差，因此應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)成樁試驗(yàn)確定水泥土攪拌樁的適用性和施工工藝。本文依托珠海市斗門區(qū)某市政道路項(xiàng)目，采用新型鉆頭、新型固化劑進(jìn)行攪拌樁試樁，通過(guò)分析成樁效果及強(qiáng)度，以期研究成果用于指導(dǎo)后續(xù)大面積軟基施工。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

珠海市斗門區(qū)某市政道路項(xiàng)目，軟土路基采用水泥攪拌樁加固。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：樁徑500 m，樁長(zhǎng)15 m，水泥摻入量55 kg/m，四攪四噴工藝，攪拌葉片4片，提升、下沉速度0.8 m/min，28 d抽芯無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.6 MPa，60 d抽芯無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa，90 d抽芯無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)鉆孔揭露結(jié)果，發(fā)現(xiàn)路基下伏土層自上而下依次為素填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、中砂、砂巖風(fēng)化層。其中，素填土層、淤泥層、淤泥質(zhì)土層厚均值依次為2.61 m、18.93 m、12.68 m。軟土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)值，如表1所示。

表1 軟土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical-mechanical properties of soft soil

由表1可知，淤泥具有含水量高、孔隙比大、塑性指數(shù)高、流塑性大、抗剪強(qiáng)度低的工程特性。

1.3 前期試樁情況

施工28 d后，鉆芯取樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到不同深度情況下水泥攪拌樁的抗壓強(qiáng)度情況。芯樣強(qiáng)度集中在0.15～0.30 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，水泥攪拌樁28 d抽芯無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.6 MPa?，F(xiàn)有工藝不滿足設(shè)計(jì)要求，典型的攪拌樁成樁芯樣如圖1所示。由圖1可知，水泥土攪拌樁成樁質(zhì)量很差。

圖1 攪拌樁成樁芯樣Fig.1 Core sample of mixing pile-forming

2 現(xiàn)場(chǎng)試樁

2.1 試樁方案

為了解決成樁效果和提高施工效率，擬研發(fā)四輪四銑、兩輪兩銑和靜態(tài)雙向三種新型鉆頭。為了保證和原十字型鉆頭同一部位攪拌次數(shù)基本相同，三種新型鉆頭采用兩攪兩噴施工工藝，材料有純水泥和新型固化劑，試樁根數(shù)9根，每種試樁鉆頭各3根。水灰比為0.65，水泥摻入量在15%～18%。分別在深度4～5 m、9～10 m和14～15 m三處抽芯取樣，進(jìn)行60 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和直剪試驗(yàn)。根據(jù)試樁鉆頭類型的不同，水泥攪拌樁試樁分組劃分，如表2所示。鉆進(jìn)速度、提升速度、噴漿攪拌速度均為0.8 m/min，噴漿壓力為0.4～0.6 MPa。

表2 水泥攪拌樁試樁方案分類統(tǒng)計(jì)Table 2 Classification statistics of cement mixing piles for test

2.2 試樁鉆頭設(shè)備

本次試樁采用了三種新型鉆頭設(shè)備，如圖2b～2d所示。

1)四輪四銑鉆頭：由6片攪拌葉片和兩對(duì)銑輪組成，其中2片葉片位于銑輪上方，4片葉片位于銑輪下方，6片葉片與鉆桿連接，隨著鉆桿一起旋轉(zhuǎn)攪拌，兩對(duì)銑輪對(duì)稱布置，銑輪由專門的感應(yīng)設(shè)備控制，當(dāng)銑輪接觸到土壤時(shí)，觸發(fā)到感應(yīng)器銑輪開始旋轉(zhuǎn)攪拌土體，通過(guò)控制器可以調(diào)整銑輪的轉(zhuǎn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)高速攪拌的效果，銑輪和葉片同時(shí)攪拌形成水平向和豎向的立體多維攪拌功能，使得固化劑和淤泥能夠充分?jǐn)嚢瑁苊獬霈F(xiàn)冒漿現(xiàn)象。

a—常規(guī)十字型鉆頭；b—四輪四銑鉆頭；c—兩輪兩銑鉆頭；d—靜態(tài)雙向鉆頭。圖2 試樁鉆頭設(shè)備Fig.2 Facilities of drilling bits of testing piles

2)兩輪兩銑鉆頭：由8片攪拌葉片、一對(duì)擋板和一對(duì)銑輪組成，其中4片葉片位于銑輪上方，4片葉片位于銑輪下方，擋板和8片葉片與鉆桿連接，隨著鉆桿一起旋轉(zhuǎn)攪拌，一對(duì)銑輪對(duì)稱布置，銑輪工作原理同四輪四銑，銑輪、擋板和葉片同時(shí)攪拌形成水平向和豎向的立體多維攪拌功能，使得固化劑和淤泥能夠充分?jǐn)嚢?，避免出現(xiàn)冒漿現(xiàn)象。

3)靜態(tài)雙向鉆頭：由靜態(tài)框、一對(duì)螺旋葉片和4片攪拌葉片組成，螺旋葉片位于靜態(tài)框之上，4片葉片嵌在靜態(tài)框內(nèi)，靜態(tài)框與外套管連接，鉆進(jìn)時(shí)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于6片葉片；4片葉片和一對(duì)螺旋葉片隨鉆桿鉆動(dòng)攪拌淤泥，靜態(tài)雙向鉆頭相當(dāng)于12片葉片同時(shí)攪拌，葉片與靜態(tài)框形成雙向攪拌的功能，使得固化劑和淤泥能夠充分?jǐn)嚢?，冒漿現(xiàn)象不明顯。

3 效果檢測(cè)

3.1 成樁完整性

為了充分了解新型鉆頭設(shè)備的試樁效果，成樁60 d后，現(xiàn)場(chǎng)采用雙管單動(dòng)取樣器鉆取攪拌樁芯樣，9根樁的芯樣如圖3所示。由圖可知：芯樣采取率較高，多數(shù)芯樣呈長(zhǎng)柱狀，試樁成樁效果較好。

a—1號(hào)樁；b—2號(hào)樁；c—3號(hào)樁；d—4號(hào)樁；e—5號(hào)樁；f—6號(hào)樁；g—7號(hào)樁；h—8號(hào)樁；i—9號(hào)樁。圖3 鉆孔芯樣Fig.3 Core samples of boreholes

為了量化評(píng)判攪拌樁成樁完整性，引入巖石基本質(zhì)量指標(biāo)RQD(即不小于10 cm的芯樣累積長(zhǎng)度與鉆孔總進(jìn)尺長(zhǎng)度之比)進(jìn)行量化評(píng)判，繪制各鉆孔芯樣RQD散點(diǎn)圖，如圖4所示。

由圖4可知：除了4號(hào)樁和7號(hào)樁RQD值較低外，其余7根樁的RQD值分布較靠近75%。9根樁的RQD范圍值為39.6%～91.7%，均值為73.4%>50%，表明水泥攪拌樁成樁完整性較好。采用純水泥的4號(hào)樁、7號(hào)樁RQD值分別為39.6%、61.7%，采用新型固化劑的7根樁RQD值分布在71.3%～91.7%之間，均值為80%。表明新型固化劑的成樁完整性明顯優(yōu)于純水泥。

圖4 鉆孔芯樣RQD散點(diǎn)圖Fig.4 RQD scatter diagram of borehole core sample

為了分析攪拌樁芯樣長(zhǎng)度分布情況，繪制了9根攪拌樁芯樣長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)如圖5所示。由圖可知：芯樣長(zhǎng)度分布在10～60 cm之間。其中，20 cm≤長(zhǎng)度<30 cm區(qū)間占比最高(41.7%)，30 cm≤長(zhǎng)度<40 cm區(qū)間占比次之(36.5%)，50 cm≤長(zhǎng)度<60 cm區(qū)間占比最低(1%)。78.2%的芯樣長(zhǎng)度分布在20～40 cm之間，即芯樣長(zhǎng)徑比在2.5～5.0之間，芯樣多呈長(zhǎng)柱狀。

圖5 芯樣長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)Fig.5 Length statistics of core samples

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)9根樁的上(深度4～5 m)、中(深度9～10 m)、下(深度14～15 m)三個(gè)部位進(jìn)行取樣，鉆芯至樁底以下1.0 m。每樁鉆1孔，3個(gè)試件為1組，共27組芯樣。采樣區(qū)域位于淤泥土層，繪制不同樁芯樣抗壓強(qiáng)度-深度曲線，如圖6a所示。由圖6a可知，深度在4～5 m時(shí)，抗壓強(qiáng)度均值6.10 MPa；深度在9～10 m時(shí)，抗壓強(qiáng)度均值5.9 MPa；深度在14～15 m時(shí)，抗壓強(qiáng)度均值4.7 MPa。上述分析表明：隨著深度增加，攪拌樁芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減少。

考慮樁體完整性對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，引入RQD值對(duì)抗壓強(qiáng)度折減，即折減后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度=無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度×RQD值。折減后試樣抗壓強(qiáng)度-深度關(guān)系，如圖6b所示。深度在4～5 m時(shí)，折減后抗壓強(qiáng)度均值4.6 MPa；深度在9～10 m時(shí)，折減后抗壓強(qiáng)度均值4.6 MPa；深度在14～15 m時(shí)，折減后抗壓強(qiáng)度均值3.5 MPa。分析表明，中上部強(qiáng)度差別不大，下部略有減少。對(duì)比圖6a和6b可發(fā)現(xiàn)，采用純水泥的4號(hào)樁和7號(hào)樁經(jīng)RQD折減后曲線明顯向左偏移，由此可知4號(hào)樁、7號(hào)樁芯樣質(zhì)量較其他樁要差，故引入RQD后折減強(qiáng)度更能反映攪拌樁的真實(shí)抗壓強(qiáng)度。

為了分析不同鉆頭設(shè)備對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，選取新型固化劑且摻入量為55 kg/m的2號(hào)樁、6號(hào)樁和8號(hào)樁做對(duì)比分析，繪制不同鉆頭抗壓強(qiáng)度-深度關(guān)系曲線，如圖6c所示。由圖6c可知，抗壓強(qiáng)度從左至右依次為兩輪兩銑、靜態(tài)雙向和四輪四銑，抗剪強(qiáng)度排序?yàn)椋核妮喫你?靜態(tài)雙向>兩輪兩銑。

為了分析抗壓強(qiáng)度的影響因素，統(tǒng)計(jì)深度在9～10 m處各鉆孔芯樣的折減前后抗壓強(qiáng)度如表3所示。影響因素分析，如下：

1)土質(zhì)因素：由表3可知2號(hào)樁9～10 m處抗壓強(qiáng)度達(dá)到14 MPa，折減后為12.77 MPa，均大于其他芯樣強(qiáng)度的2倍。為了探明導(dǎo)致強(qiáng)度偏高的原因，對(duì)該處的淤泥取樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明淤泥中含有1.0%的礫和3.8%的砂，從而說(shuō)明淤泥中一定比例的砂礫可以顯著提高攪拌樁的抗壓強(qiáng)度。

a—抗壓強(qiáng)度-深度關(guān)系；b—折減后抗壓強(qiáng)度-深度關(guān)系；c—不同鉆頭下抗壓強(qiáng)度-深度關(guān)系。圖6 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度-深度關(guān)系Fig.6 Relations between unconfined compressive strength and depth

2)固化劑類型因素：選取鉆頭相同、工藝相同、摻量相同、固化劑不同的4號(hào)樁和5號(hào)樁進(jìn)行對(duì)比，由表3可知，折減后5號(hào)樁抗壓強(qiáng)度約為4號(hào)樁的2倍。又如圖6a和6b可知，4號(hào)樁抗壓強(qiáng)度深度曲線均分布在5號(hào)樁左側(cè)，表明5號(hào)樁抗壓強(qiáng)度高于4號(hào)樁，尤其折減后差值更明顯，從而說(shuō)明新型固化劑可以顯著提高攪拌樁的抗壓強(qiáng)度。

表3 不同鉆孔芯樣折減前后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 3 Unconfined compressive strengths of different drilling cores before and after reduction MPa

3.3 直剪試驗(yàn)

為了獲取水泥攪拌樁的抗剪強(qiáng)度，對(duì)9根樁的上、中、下三個(gè)部位依次進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，繪制抗剪強(qiáng)度-深度曲線如圖7a所示。深度在4～5 m時(shí)，抗剪強(qiáng)度均值2.1 MPa；深度在9～10 m時(shí)，抗剪強(qiáng)度均值2.5 MPa；深度在10～15 m時(shí)，抗剪強(qiáng)度均值2.3 MPa。說(shuō)明深度變化對(duì)攪拌樁抗剪強(qiáng)度影響不大。

a—抗剪強(qiáng)度-深度關(guān)系；b—折減后抗剪強(qiáng)度-深度關(guān)系；c—不同鉆頭抗剪強(qiáng)度-深度關(guān)系。圖7 抗剪強(qiáng)度-深度關(guān)系Fig.7 Relations between shear strength and depth

為了考慮樁體完整性對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，引入RQD值對(duì)抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減。計(jì)算所得折減后的抗剪強(qiáng)度-深度關(guān)系，如圖7b所示。深度在4～5 m時(shí)，折減抗剪強(qiáng)度均值1.6 MPa；深度在9～10 m時(shí)，折減抗剪強(qiáng)度均值1.9 MPa；深度在14～15 m時(shí)，折減抗剪強(qiáng)度均值1.7 MPa。對(duì)比圖7a和7b可以發(fā)現(xiàn)，采用純水泥的4號(hào)樁和7號(hào)樁經(jīng)RQD折減后曲線明顯向左偏移，從圖2可看出4號(hào)樁和7號(hào)樁的芯樣較其他樁要差，引入RQD值后折強(qiáng)度更能反映攪拌樁的真實(shí)抗剪強(qiáng)度。

為了分析不同鉆頭設(shè)備對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響，選取新型固化劑且摻入量為55 kg/m的2號(hào)樁、6號(hào)樁和8號(hào)樁對(duì)比分析，繪制不同鉆頭抗剪強(qiáng)度-深度關(guān)系曲線如圖7c所示。由圖7c可知，抗剪強(qiáng)度從左至右依次為靜態(tài)雙向、兩輪兩銑和四輪四銑，抗剪強(qiáng)度排序?yàn)樗妮喫你?兩輪兩銑>靜態(tài)雙向。

為了分析抗剪強(qiáng)度的影響因素，統(tǒng)計(jì)深度在9～10 m處各鉆孔芯樣的折減前后抗剪強(qiáng)度，如表4所示。影響因素分析如下：

1)土質(zhì)因素：由表4可知，折減前抗剪強(qiáng)度排序?yàn)?號(hào)樁>2號(hào)樁>3號(hào)樁，折減后抗剪強(qiáng)度排序?yàn)?號(hào)樁>1號(hào)樁>3號(hào)樁，2號(hào)樁砂礫含量4.8%，RQD值最高91.2%，表明淤泥中含有一定比例的砂礫可以有效提高攪拌樁成樁完整性和抗剪強(qiáng)度。

2)固化劑類型因素：選取鉆頭相同、工藝相同、摻量相同、固化劑不同的4號(hào)樁和5號(hào)樁進(jìn)行對(duì)比，由表4可知，折減后5號(hào)樁抗剪強(qiáng)度約為4號(hào)樁的2.5倍。如圖7b可知，4號(hào)樁抗剪強(qiáng)度深度曲線分布在5號(hào)樁左側(cè)，5號(hào)樁抗剪強(qiáng)度高于4號(hào)樁，從而說(shuō)明新型固化劑可以顯著提高攪拌樁的抗剪強(qiáng)度。

表4 不同鉆孔同一深度芯樣折減前后抗剪強(qiáng)度Table 4 Shear strength of core samples at the same depth of different borehole before and after reduction MPa

3.4 抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系

為了得到水泥攪拌樁抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的換算關(guān)系，采用巖土參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對(duì)27組試樣進(jìn)行分析，結(jié)果如表5所示。由表5可知，抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)均值0.503，抗剪強(qiáng)度變異系數(shù)均值0.277，兩者變異系數(shù)均較大，表明淤泥水泥土存在較大的離散性。

表5 統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算成果Table 5 Calculation results of statistical parameter

1)平均值換算關(guān)系：折減前抗剪強(qiáng)度平均值/折減前抗壓強(qiáng)度平均值=2.31/5.54=0.417，折減后抗剪強(qiáng)度平均值/折減后抗壓強(qiáng)度平均值=1.72/4.23=0.407。

2)標(biāo)準(zhǔn)值換算關(guān)系：折減前抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/折減前抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值=2.14/4.73=0.452，折減后抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/折減后抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值=1.52/3.42=0.444。

由于淤泥水泥土離散性較大，抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)在0.407～0.452之間，均值為0.43。從工程安全的角度考慮，可取抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)為0.4。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)9根樁的芯樣RQD均值為73.4%，表明試樁成樁效果較好；新型固化劑RQD值明顯高于純水泥，表明新型固化劑的成樁效果優(yōu)于純水泥的；經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，78.2%的芯樣長(zhǎng)度分布在20～40 cm之間，芯樣多呈長(zhǎng)柱狀。

2)經(jīng)檢測(cè)，27組芯樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均高于設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明新型鉆頭和新型固化劑可以較大幅度地提高攪拌樁芯樣的抗壓強(qiáng)度；考慮成樁的完整性，引入RQD值進(jìn)行強(qiáng)度折減，更能反映樁體的實(shí)際強(qiáng)度，工程應(yīng)用更安全。

3)分析發(fā)現(xiàn)：淤泥中含有一定比例的砂或采用新型固化劑可明顯提高攪拌樁芯樣的強(qiáng)度；三種鉆頭中，四輪四銑鉆頭成樁效果最好，抗壓強(qiáng)度最高。

4)采用巖土參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析方法，可得到水泥攪拌樁芯樣抗剪強(qiáng)度為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的40%。

5)本次試樁成樁效果較好，試樁各項(xiàng)參數(shù)有助于指導(dǎo)后續(xù)軟基加固大面積施工。