駱忠偉

(四川建筑職業(yè)技術學院，四川德陽 618000)

水泥土攪拌樁利用水泥、石灰等固化劑，通過深層攪拌機械，就地將軟土和漿液狀或粉狀固化劑強制拌合，通過物理-化學反應，使軟土硬結成整體、穩(wěn)定和一定強度的改良地基土。深層攪拌樁通常指加固深度大于5 m。深層攪拌樁因造價低，施工速度快，無振動、無噪聲，不需泥漿護壁，不產(chǎn)生廢水污染等特點，在軟基處理中有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。軟土是第四紀后期形成的海相、泄湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的黏土沉積物或河流沖積物，也有軟土是新近淤積物。軟土具有近乎飽和狀態(tài)，天然含水量w>wL，天然孔隙比e>1。當1.0wL時，稱為淤泥質(zhì)土，通過天然含水量和天然孔隙率指標可以看出淤泥質(zhì)土工程性質(zhì)是承載力低、抗剪強度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小，在工程中會出現(xiàn)地基沉降變形大、易出現(xiàn)不均勻沉降，且沉降穩(wěn)定經(jīng)歷數(shù)年或數(shù)十年時間。郭曉茹等[1]從試樁和定位樁機設備等方面討論了在公路路基工程中深層攪拌樁施工工藝，彭瑞[2]研究了水泥深層攪拌樁的關鍵參數(shù)，確定最終影響水泥土骨架結構強度的是活化反應，同時充分預攪拌是保證DCM成樁質(zhì)量的關鍵因素。姜鴻等[3]研究了水泥土攪拌樁在地基處理中有施工高效、造價合理方面的優(yōu)點。已有研究在施工工藝、經(jīng)濟技術指標和適用范圍作了研究，但缺乏對軟土地基置換率、承載力提高、靜載荷試驗等體系性研究。

1 工程概況

某熱軋車間位于遼寧營口市某熱軋車間地基處理方案，基坑深度為3.5～15.0 m，建設場地原為海灘灘涂養(yǎng)殖田，后建設單位將場地填至黃海高程4.5 m。由于地層分布不連續(xù)，不同點位地基承載力差異較大，為提高設備基礎的地基承載力和有效控制地基沉降變形，采用深層攪拌樁對軟基進行加固處理。根據(jù)JGJ79-2012《建筑地基處理技術規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[4]中第7.3.2條規(guī)定：水泥土攪拌樁用于處理泥炭土、有機質(zhì)土、pH值小于4的酸性土、塑性指數(shù)大于25的黏土，或在腐蝕環(huán)境中以及無工程經(jīng)驗的地區(qū)使用時，必須通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗確定。根據(jù)《規(guī)范》要求，施工現(xiàn)場提前作了現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗。

1.1 設備基底地層分布情況

(1)粉質(zhì)黏土：灰色、黃褐色，含云母、氧化鐵礦物及少量有機質(zhì)，局部相變?yōu)榉弁?，切面無光澤，干強度較低，韌性較差，為相對的硬殼層，無機鹽含量較多，一般軟塑狀態(tài)，局部軟可塑狀態(tài)，該層為新進沉積土，高壓縮性，局部中等壓縮性。該層分布不連續(xù)，揭露平均層厚2 m，fak=50 kPa。

(2)淤泥：灰色，灰黑色，含較多有機質(zhì)、貝殼及粉細砂，有臭味，受到一定程度的擾動，難于采取土樣，流塑狀態(tài)，為新進沉積土，具高壓縮性，平均厚度為0.8 m。

(3)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，灰黑色，含較多有機質(zhì)及貝殼碎片，有機質(zhì)含量平均3.1%，有腥臭味，刀切面無光澤，干強度低，韌性低，無搖振反應，呈流塑狀態(tài)，含較多粉砂薄層，局部相變?yōu)檐浰艿姆圪|(zhì)黏土或粉土，為新進沉積土，具高壓縮性，局部中等壓縮性。該層分布基本連續(xù)，平均厚度為6.5 m。

(4)粉質(zhì)黏土：灰色，一般軟塑狀態(tài)，局部軟可塑狀態(tài)，局部夾粉土、粉砂薄層，干強度、韌性中等，無搖振反應，切面稍有光澤，中等壓縮性，局部高壓縮性，該層局部鉆孔含多許貝殼薄層。該層分布連續(xù)，揭露層厚4.5 m。

(5)粉砂：灰色，石英、長石質(zhì)，顆粒較均勻，磨圓度較好，含較多黏性土，多與黏性土互層分布。該層為新進沉積土，飽和，局部稍密狀態(tài)，平均厚度為3.5 m，fak=350 kPa。

1.2 處理的范圍

深層攪拌樁的處理范圍為15 m×12 m的設備基礎內(nèi)，平均處理的深度為14.3 m，樁端進入粉砂層0.5 m，在樁頂設置0.3 m砂褥墊層。

2 深層攪拌樁的設計

2.1 復合地基承載力特征值確定

根據(jù)設計文件提供的上部荷載、設備自重和基礎自重等荷載標準值F+G=3240 t，設計要求地基承載力特征值不低于180 kPa。

2.2 攪拌樁參數(shù)選定

按照《規(guī)范》規(guī)定，僅需要在基礎范圍內(nèi)作深層攪拌樁處理即可，選用直徑d=0.6 m，現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗的參數(shù)見表1。

表1 樁頂標高處向下的土層參數(shù)

2.2.1 單樁承載力的確定

2.2.1.1 水泥漿液配制

在項目實施前，按照《規(guī)范》要求，對水泥品種、摻入比、水灰比、外加劑對水泥土強度影響，采用室內(nèi)和室外2種方式相互驗證齡期與強度的關系，為施工工藝提供可靠的參數(shù)。選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、飲用淡水，專用灰漿攪拌機配制，《規(guī)范》要求增強體水泥摻量αw不應小于12%，濕法的水泥漿水灰比控制在0.5～0.6，本項目取0.5，加入適量SVA混凝土防腐劑。試驗確定水泥摻入比αw為12%、15%、18%、21%、24%、27%、30%、33%、35%和40%，在土層①～⑤中試驗當αw=18%時所得的fcu最小值為1.35 MPa。

水泥漿的密度為：

式中:n為水灰比，水泥的比重ρ2=3.0 t/m3。

2.2.1.2 單樁承載力確定

單樁承載力特征值根據(jù)《規(guī)范》[4]中式7.1.5-3和式7.3.3可知Ra值如式(1)、式(2)所示取小值。

3.14×0.6×(10×2+0+9×6.5+

20×4.5+0.5×48)+0.6×350×3.14×0.302=

362.67+59.34=422 kN

(1)

Ra=ηfcuAp=

0.25×1.35×103×3.14×0.302=95.4 kN

(2)

式中：Ra為單樁承載力特征值(kN)，up為樁的周長(m)，qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)，lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度( m)，αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，qp為樁端端阻力特征值(kPa)，η為樁身強度折減系數(shù)，濕法取0.25，fcu為與攪拌樁樁身混凝土配比相同的室內(nèi)加固土試塊，邊長為70.7 mm的立方體在標準養(yǎng)護條件下90天齡期的立方體抗壓強度平均值(kPa)。取二者小值Ra=95.4 kN。

2.2.2 樁間距的確定

按照滿堂形式在基底布樁，設樁間距為sm，《規(guī)范》第7.1.5條第2款規(guī)定，對有粘結強度增強體復合地基承載力設計值的計算為式(3)所示。

(3)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)1.0，m為面積置換率，Ra為單樁承載力特征值，Ap為單樁面積，β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)0.4。

面積置換率m為式(4)所示。

(4)

式中：n為處理范圍內(nèi)的攪拌樁的根數(shù)，Ap為單樁面積，A為設備基礎需要處理的面積。

由式(3)可變化為式(5)。

(5)

由式(4)、式(5)可知，n=304根，按照邊長15 m的布19根、邊長12 m的布16根，長邊方向樁間距0.83 m、短邊方向樁間距0.8 m。

3 深層水泥土攪拌樁施工要點

根據(jù)《規(guī)范》第7.3.5條要求，水泥土攪拌樁施工主要包括：

(1)攪拌機械就位、調(diào)平。

(2)攪拌下沉至設計要求的加固深度。

(3)邊噴漿邊攪拌提升至預定的停漿面，預定的停漿面為高于樁頂設計標高500 mm。

(4)重復攪拌下沉至設計加固深度。

(5)根據(jù)設計要求，二次攪拌提升到預定的停漿面。

(6)關閉攪拌機，整個施工過程見圖1。

圖1 深層攪拌樁施工步驟

3.1 噴漿攪拌次數(shù)與提升速度

如果水泥摻入比為αw，每1 min噴出的水泥的重量為γ1Q/(1+αc)(γ1為水泥漿的容重，Q為灰漿泵的排量0.05 m3/min，αc為水泥漿水灰比)，每1 min攪拌的原土重量為Apγv(其中Ap為樁體截面積，γ為原土的容重，v為攪拌頭噴漿提升速度，單位m/min)，根據(jù)水泥摻入比的概念見式(6)。

(6)

推導得到單次噴漿的提升速度為式(7)。

(7)

如果噴漿2次，則每次噴漿水泥摻入比減半，按照αw/2計算，在灰漿泵排量不變的情況下，則噴漿提升速度變?yōu)槭?8)。

(8)

3.2 施工要點

本項目選用國產(chǎn)型號為DSJ30單軸深層攪拌機，適用于軟土分布特別深厚的地區(qū)，深層攪拌樁達不到地基中的相對硬層，可采用單攪拌軸制成的單根攪拌樁。由于只有一根攪拌軸機時無中心輸漿管，因此單軸機的組成包括：電動機、減速器、旋轉(zhuǎn)密封接頭、攪拌軸和攪拌頭等部件組成。DSJ30單軸深層攪拌機技術參數(shù)見表2?；覞{泵是深層攪拌樁重要的配套機械，本項目采用柱塞泵HB6-3型，技術參數(shù)見表3。

表2 DSJ30國產(chǎn)單軸深層攪拌機技術參數(shù)[5]

(1)步驟1：樁機就位。用經(jīng)緯儀放出建筑物的軸線，樁位放定后，打入φ6 mm定位鋼筋，周邊撒白灰標定。將攪拌樁機行至樁位，并將鉆頭與指定樁位對正。樁位對中誤差不應大于10 mm；導向架與攪拌軸應與地面垂直；垂直度偏斜不應超過1.0%。

(2)步驟2：鉆進噴漿成樁。開動鉆機，鉆頭鉆進攪拌土體，到比樁頂標高高50 cm位置時，開動灰漿泵，鉆頭邊向下攪拌土體邊噴射水泥漿。鉆進速度按照計算確定的v2控制，噴漿壓力控制在1.0～1.4 MPa，鉆進噴漿至設計樁底后，原地噴漿0.5 min，再反轉(zhuǎn)勻速提升鉆頭，鉆進深度誤差不超過50 mm。

(3)步驟3：提升攪拌。攪拌頭自樁底反轉(zhuǎn)勻速攪拌提升，直至預定的停漿面，為高于樁頂設計標高500 mm。

(4)步驟4：重復攪拌。鉆頭攪拌下沉到設計加固深度至樁底。

(5)步驟5：重復提升攪拌，將攪拌頭攪拌提升至直至預定的停漿面。

(6)步驟6：重復步驟2。

(7)步驟7：重復步驟3。

(8)步驟8：成樁完畢。如噴漿量已達到實際要求還需要攪拌均勻，再次重復步驟4、步驟5，即可完成一根攪拌樁的作業(yè)。開動灰漿泵清洗管路中殘余的水泥漿，樁機移至下一個樁位，進行下一個樁的施工。

表3 HB6-3型號灰漿泵技術參數(shù)[5]

3.3 施工質(zhì)量控制

3.3.1 施工質(zhì)量控制要點

樁位控制要求實際樁的打設位置與設計誤差不超過2 cm，成樁后樁位偏差不超過5 cm。水泥漿質(zhì)量控制，攪拌樁使用的水泥漿必須嚴格按配合比配制，不得出現(xiàn)水泥漿離析、停放時間過長，在倒入集料槽前要保持制漿機不斷攪拌，對靜置大于2 h的水泥漿，按低一個等級處理使用。攪拌施工的均勻性控制，在施工步驟2中鉆機鉆頭鉆進攪拌土體，應該使土體得到充分攪拌，特殊情況下可以采用沖水下沉，按照設計要求嚴格控制水泥漿噴出量和攪拌提升速度，不得超過設計要求的1.31 m/ min，重復攪拌和二次提升噴漿時，必須嚴格控制下沉和提升噴漿速度，確保加固深度內(nèi)都得到均勻攪拌。施工中斷的處理，一旦出現(xiàn)噴漿施工中斷，必須將攪拌頭下沉到停漿面50 cm以下，確保樁的連續(xù)性。施工記錄應有專人負責，深度記錄誤差不超過5 cm，時間記錄誤差不超過2 s，施工中出現(xiàn)地質(zhì)條件不符、水泥漿斷供、機械故障等原因造成的問題和處理措施，都要如實詳細記錄，確保有據(jù)可查。

3.3.2 施工質(zhì)量檢驗

在深層攪拌樁施工齡期28天后進行復合地基靜載荷試驗和復合地基增強體單樁靜荷載試驗2種試驗方法。

3.3.2.1 復合地基靜載荷試驗

復合地基靜荷載試驗的承壓板必須具備足夠的剛度，采用圓形，面積為1根樁承擔的處理面積為:

A=Ap/m=π×0.62/4/0.477=0.593 m2

N=2fspkA×1.2=2.4×180×0.593=256.2 kN

樁身強度1.35 MPa的深層攪拌樁取s/d=0.008對應的加載荷載，同時考慮極限荷載的一半，取二者小值對應的壓力值即為復合地基承載力特征值，試驗所得的fspk=180.0 kPa，滿足設計要求。

3.3.2.2 復合地基增強體單樁靜荷載試驗

試驗中采取單根樁靜載荷試驗，任意選取試驗樁5根，試驗反力裝置提供加載荷載為：

N=2×1.2×95.4=229 kN

根據(jù)加載情況作出荷載-沉降(Q-s)曲線，如果曲線呈陡降明顯時取陡降起點的荷載值作為單樁抗壓極限承載力，如果呈緩變型曲線，取樁頂總沉降40 mm所對應的荷載值[6]。參與統(tǒng)計的5根試驗樁，當極差不超過平均值的30%，取平均值為單樁極限承載力，當超過30%時，剔除最大值，重新計算平均值，還需滿足極差不超過30%的要求，此時取平均值為單樁極限承載力。復合地基增強體單樁靜荷載試驗所得為Ra=95.4 kN滿足設計要求。

4 結論

大型設備基礎在海相軟土地基上，由于地基承載力不足，采取深層水泥土攪拌樁加固措施，地基承載力達到180 kPa，本文比較詳細討論了深層攪拌樁設計、施工工藝和質(zhì)量檢測過程，為類似工程提供了有益參考，建議和結論有:

(1)從水泥摻入比的物理意義出發(fā)，推導了攪拌機噴漿提升速度計算公式，從原理上解釋了提升速度與灰漿泵排量、水泥漿密度、水泥摻入比、增強體截面積和水灰比的關系。

(2)施工中要嚴格按照工藝流程、施工步驟操作，嚴格按照配比配制水泥漿加強質(zhì)量控制，加強對施工日志記錄管理，做到有據(jù)可查，還要確保施工中斷后處置方法和措施落實到位。

(3)對深層攪拌樁復合地基進行施工質(zhì)量檢測，采用復合地基靜載荷和單樁靜載荷試驗，復核處理后的地基承載力情況，結果達到預期效果。