蔡英龍

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511400)

1 引 言

近年來隨著我國公路行業(yè)行駛車輛載荷增大和交通量的快速增長，對路基的承載能力要求越來越高。由于路基修建地層的復雜，天然路基的承載能力往往不能滿足設計承載力要求，必須對路基進行加固[1]處理。軟土路基由于其天然含水率高，軟土路基沉降概率和沉降量受行車荷載作用變形更明顯。水泥攪拌樁由于其施工效率高、控制沉降效果好、成樁強度高等特點常被用于軟土路基加固。本文依托湛江某公路軟土路基工程，對水泥攪拌樁強度的影響因素和加固機理進行了總結，重點對施工的工序、關鍵性控制技術要點以及成樁質(zhì)量檢測進行了分析研究。

2 水泥攪拌樁加固機理及強度影響因素分析

2.1 水泥攪拌樁加固作用機理

水泥攪拌樁的作用原理[2]就是在軟土設計地層中構建混凝土結構，利用深層攪拌設備將水泥砂漿和原有地層中的砂土或黏土進行攪拌，待混凝土凝結后形成樁基礎，樁基礎結構因為具有良好的強度和整體性，從而提升和改善整個軟土地層的承載力。在軟土地層中進行水泥攪拌樁加固的主要作用體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)為軟土路基提供了集中應力承載點，防止路基出現(xiàn)較大沉降。水泥混凝土樁的強度和剛度要遠勝于樁基周圍土體，水泥混凝土樁植入軟土層能明顯提升地基的承載力，將路基填筑荷載和復合地基集中應力作用絕大多數(shù)傳遞到水泥混凝土樁上，減小周圍地層承載壓力，有效控制了軟土路基的沉降；(2)加固路基下墊層。水泥混凝土樁在施作完成后與周圍土體形成了一個高強度復合地基，取代了原來的路基墊層，提升了路基整體承載力；(3)提升了路基的抗剪能力。在軟土地層中施加混凝土樁相當于在軟土中植入剛性基礎，起到了加筋作用，提升了路基下墊層的抗剪能力，對控制路基水平位移有重要作用。

2.2 水泥攪拌樁強度影響因素分析

影響水泥攪拌樁強度[3]的主要因素包括含水率、原狀土摻入比、水泥強度等級等。

圖1為不同含水率條件(其他條件均相同)下標準養(yǎng)護28 d水泥混凝土樁的無側限抗壓強度圖。當水泥灰與原狀土摻入比例(以下簡稱配土比)小于300%時，含水率高的攪拌樁強度要明顯低于含水率低的攪拌樁強度，且攪拌樁強度隨配土比的增大而緩慢減小。當配土比處于100%～200%，混凝土樁的無側限抗壓強度明顯減小，在進行水泥混凝土樁施工時要控制樁的含水率處在20%～25%。

圖1 水泥攪拌樁含水率對樁強度的影響

圖2為不同原狀土摻入比對水泥攪拌樁強度的影響圖。從圖中可以看出當原狀土摻入比從600%減小至200%時，水泥攪拌樁強度也隨之增長，當原狀土摻入比例大于400%時，水泥攪拌樁強度增長并不明顯，這是因為水泥含量太少導致水泥固化效果差，對樁的強度影響能力有限。當原狀土摻入比在200%～400%時，水泥攪拌樁強度隨著原狀土摻入量的減少，強度增長明顯，水泥固化反應速度明顯加快；當原狀土入比例小于200%后，水泥攪拌樁的側限抗壓強度增長速率增大。考慮每根樁的工程單價，在進行水泥攪拌樁設計原狀土比例時，可將原狀土摻入比控制在300%～400%之間，以較低的材料成本達到增強水泥攪拌樁強度的目的。

圖2 原狀土入比對樁強度的影響

圖3為不同水泥強度等級在相同條件下養(yǎng)護的水泥攪拌樁無側限抗壓強度圖。當攪拌樁養(yǎng)護時間為28 d時，32.5級水泥攪拌樁的強度隨原狀土摻入比的減小呈線形增長；42.5級水泥攪拌樁隨原狀土摻入比的減小，其增長趨勢先增后緩，當摻入比處在350%～450%時，其增長趨勢呈線形分布，當摻入比小于300%時，其增長速率明顯減緩。在實際施工時，可通過增加水泥攪拌樁水泥的等級來提高樁的強度，可以減小水泥用量，更適合對流動土層進行加固。

圖3 養(yǎng)護28 d不同水泥強度等級攪拌樁強度對比

3 工程簡介

3.1 工程概況

本項目線路主道位于湛江市遂溪縣遂溪大道建設項目，采用雙向八車道一級公路兼城市主干路標準，路基設計寬度80 m，設計時速40 km/h。根據(jù)選線區(qū)軟土勘查報告和周邊現(xiàn)場施工環(huán)境等條件，擬建場地屬于沖擊地貌，對于淤泥層厚度超過3 m的軟土路基采用換填法處理；對于淤泥層厚度超過3 m的軟土路基采用水泥攪拌樁加固處理；對于河道溝渠等地區(qū)采用拋石擠淤法進行路基處理。本線路里程K0+000～K3+500段場地土類型為中軟土。建筑場地類別為Ⅲ類，設計特征周期值為0.45 s。建筑場地劃分為對建筑抗震不利地段。

3.2 地層情況

擬建場地穿越的地貌主要有沖擊海濱平原、山前沖洪積平原、剝蝕殘丘等。根據(jù)現(xiàn)場勘查報告，場地自上而下主要分布的地層為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層及第四系下更新統(tǒng)湛江組海陸交互相沉積層，具體分布情況見表1。

表1 場地區(qū)地層主要巖土力學指標

4 水泥攪拌樁加固設計

4.1 水泥攪拌樁制備要求

水泥攪拌樁主要原料為普通硅酸鹽水泥，其強度等級為P.0.425級。水泥性能必須滿足《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》GB175-19999的規(guī)定，對于存儲時間超過3個月的水泥需要重新進行取樣檢驗，檢測結果滿足性能要求方可繼續(xù)使用。

水泥攪拌樁的混凝土在拌合需盡量使用飲用水，對于非飲用水拌合時，其硫酸鹽(三氧化硫)含量和含鹽(氯化鈉)量分別不能超過2 700 mg/L和5 000 mg/L，其pH值不得小于4。

水泥攪拌樁樁頂墊層的原理粒徑不超過20 mm，選用級配良好的碎石或砂礫，墊層材料不得還有腐殖植物、垃圾等雜質(zhì)。

4.2 水泥攪拌樁試樁要求

試樁時，機械攪拌混凝土與軟土越均勻，攪動次數(shù)越多，形成的水泥樁的整體強度和剛度越大。當攪拌時間過長時，施工效率也會下降。因此，需要在正式施工前進行試樁試驗，確定攪拌樁的攪拌速度、二灰摻入比例、水泥用量、二次攪拌深度等。本項目根據(jù)設計要求選擇5根試樁，選用水泥的等級為P42.5級普通硅酸鹽水泥，按照水泥摻入量分別為10%、13%、15%、16%、17%進行試樁。待水泥攪拌樁在相同條件下養(yǎng)護28 d后，取每根樁的樁芯進行強度檢測。根據(jù)試驗結果對正式水泥攪拌樁施工進行指導參考，結合樁芯強度報告，決定本工程應用5次攪拌2次噴漿的施工工藝；水泥摻量為15%，摻入粉煤灰比例為14%，水泥水灰比為0.48。

水泥攪拌樁加固軟土路基設計要求：水泥攪拌樁采用正三角形布置，樁間距為1.2 m，樁徑為0.5 m，樁端進入粉質(zhì)黏土層2.0 m，其樁長為剔除軟樁頭后的有效柱長，樁頂設置500 mm厚砂礫墊層，墊層寬處最外側樁1.0 m，砂礫墊層地面高為攪拌樁柱頂設計標高。砂墊層層間設置鋼塑復合雙向土工格柵，并用U型釘固定，土工格柵每延米抗拉屈服力≥60 kN/m屈服伸長率<3%，2%伸長率時的拉伯力≥50 kN/m，焊點剝離力≥30 N。本次設計的水泥攪拌樁(濕法)水泥采用P0.425普通硅酸鹽水泥，水泥含量為15%，每米水泥用量不少于60 kg，水灰比0.45～0.55，水泥土28天抗壓強度≥1.0 MPa，復合地基承載力標準值≥120 kPa。

4.3 水泥攪拌樁制備流程及控制要點

(1)在水泥攪拌樁工作之前，準備好足夠的水泥漿運送至施工現(xiàn)場，水泥漿的配比根據(jù)試樁檢測結果確定；(2)對水泥漿輸送管道進行清洗，保證管道內(nèi)無水泥漿結塊和管道內(nèi)排水干凈后方可下鉆，避免水泥結塊和管內(nèi)積水對成樁質(zhì)量造成影響；(3)在水泥攪拌機上懸掛吊錘，以便調(diào)整水泥攪拌樁的垂直度；(4)在水泥攪拌樁施工時，隨時注意水泥漿比重儀數(shù)值變化和樁體每米水泥用量變化，保證成樁水泥漿水灰比符合設計要求；(5)每根樁施工首次提鉆時，攪拌頭要在樁底懸停30 s持續(xù)噴漿后，緩慢向上提起攪拌頭，并保持持續(xù)噴漿，每根樁的噴漿時間不少于40 min，噴漿壓力不小于0.4 MPa，首次下鉆和提鉆時要保證鉆機轉(zhuǎn)速處于低檔位，在進行復攪時保證鉆機轉(zhuǎn)速處于高檔位，這樣有利于成樁的垂直度。

在水泥攪拌樁施工時，還有如下施工技術要點：(1)在整個施工過程中要保證攪拌樁始終處于噴漿狀態(tài)，成樁必須連續(xù)進行，嚴禁在鉆桿沒有拔出樁孔之前停止噴漿，注意每根樁的噴漿時間和噴漿用量處于設計值內(nèi)；(2)當攪拌樁噴漿量不足時，要及時進行復攪，復攪時的噴漿量要超過設計噴漿量。當施工受其他外界條件影響必須停止時，記錄噴漿深度，在12 h內(nèi)進行補噴處理，超過12 h要采取補樁處理；(3)在水泥攪拌機鉆頭與設計樁位進行對準時，控制二者之間的誤差處在1 cm內(nèi)，鉆機傾斜度要小于1%，并記錄鉆桿初始高度、施工樁號、初始漿液流速、噴漿深度及管道壓力等參數(shù)；(4)在攪拌樁鉆頭向下旋轉(zhuǎn)鉆進時，保持鉆頭初始轉(zhuǎn)速為30 r/min，鉆進速度控制在1.5 m/min，當鉆頭距離樁底1 m時，調(diào)整鉆頭鉆進速度低于0.3 m/min，以減小對樁底周圍土層擾動，增加水泥攪拌樁樁底的成樁強度；(5)當攪拌機工作時遇到卡管現(xiàn)象[5]，要緩慢減小鉆頭鉆進速度，提出鉆頭，更改施工步序。當鉆進土層深度較淺時，可以對上層土進行疏散，繼續(xù)鉆進；若鉆進深度較深時卡鉆，應立即停止噴漿，檢查水灰比及噴漿量是否合適，或更換鉆頭，待鉆機能正常工作后繼續(xù)進行鉆探；當鉆進地層屬于粘性較大的土層時，由于鉆機的質(zhì)量不能達到設計深度時，應打開加壓裝置或更換質(zhì)量更大的鉆頭繼續(xù)工作。

施工樁基質(zhì)量控制[6]需貫穿整個施工過程，根據(jù)相關規(guī)定制定的混凝土攪拌樁檢測項目及內(nèi)容如表2所示。通過現(xiàn)場鉆芯取樣，檢測攪拌樁的28 d抗壓強度≥1.0 MPa，地基設計承載力也滿足設計要求，檢測結果符合設計規(guī)范要求。

表2 水泥攪拌樁質(zhì)量檢測項目與要求

5 結 語

在公路工程軟土路基進行加固處理時，水泥混凝土攪拌樁具備強度高、工期短、施工質(zhì)量穩(wěn)定、施工工藝簡單的特點被廣泛應用于軟土路基加固。本文通過對水泥混凝土樁加固路基的原理和樁基強度的影響因素進行了總結分析，并依托實際工況對水泥攪拌樁施工的工藝流程以及施工注意要點進行了水泥分析研究，為軟土路基水泥混凝土灌注樁加固提高借鑒參考。