朱雅琳，吳松華

(1.中交上航華南市政工程有限公司，廣東 珠海 519100；2.中交上海航道局有限公司，上海 200120)

1 概述

粉噴攪拌樁簡(jiǎn)稱“粉噴樁”，別名“加固土樁”，是加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高的粘性土等軟土地基的一種方法。它以水泥、粉煤灰、石灰等干粉狀材料作為固化劑，通過專用的粉體發(fā)射機(jī)械，用壓縮空氣將粉體加固材料噴射入地基土中，再憑借鉆頭葉片的旋轉(zhuǎn)，使粉體加固材料與原位軟土充分?jǐn)嚢?，利用兩者相互接觸的多種物理—化學(xué)反應(yīng)，形成具有水穩(wěn)性、整體性、一定強(qiáng)度的柱狀加固水泥土，從而提高地基強(qiáng)度[1]。粉噴攪拌樁具有施工設(shè)備簡(jiǎn)單，造價(jià)低，加固效果好等優(yōu)點(diǎn)，適用于土層中天然含水量高、孔隙率大的淤泥質(zhì)土體的改良加固，廣泛應(yīng)用于入海口等沖擊土層的處理[2]。

由于地質(zhì)情況的不均衡性，粉噴攪拌樁軟基處理區(qū)域內(nèi)可能存在著大面積、大孔隙軟基和少量高密度硬土相雜和的情況。為避免或降低地基的不均勻沉降，必須采用同一種軟基處理方式[3-4]。如果打樁區(qū)域內(nèi)存在高密度土層，則土體被動(dòng)土壓力較大，如果仍按常規(guī)施工方法處理，輸粉管內(nèi)外壓力差太小(為保證施工安全，規(guī)范限定粉噴攪拌樁輸粉管起始端最大輸粉壓力為0.8 MPa，傳至粉體輸出口壓力更會(huì)有所衰減)，將導(dǎo)致土體噴粉量不足，成樁質(zhì)量差，且容易發(fā)引發(fā)堵管、爆管等故障。通常需要先期采用沖孔樁機(jī)進(jìn)行引孔，孔內(nèi)回填黏土后，再進(jìn)行粉噴攪拌樁作業(yè)，該方法不經(jīng)濟(jì)、工藝復(fù)雜且工期較長(zhǎng)。如果采用攪拌樁機(jī)自引孔技術(shù)則可彌補(bǔ)上述缺陷[5]。劉小平[6]分析和探討了水泥攪拌樁機(jī)引孔沉樁在航道整治老護(hù)岸加固中的的應(yīng)用，減小了震動(dòng)對(duì)房屋的影響。蔣永輝[7]運(yùn)用引孔三軸水泥攪拌樁防滲技術(shù)，截?cái)嗪５虈o(hù)陸域地下滲流水保障了海堤防潮防滲等級(jí)。

現(xiàn)階段引孔技術(shù)主要用來輔助沉樁[5]，粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)的研究應(yīng)用不多。依托乾務(wù)赤坎大聯(lián)圍斗門段海堤(井岸下西堤路南延段～正涌閘)百年一遇防潮洪提升工程，總結(jié)了粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)在工程中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2 研究背景

某防潮洪提升工程設(shè)計(jì)采用水泥粉噴攪拌樁對(duì)3.8 km的海堤地基進(jìn)行加固，樁徑為Φ800，樁長(zhǎng)為25 m，水泥摻量為180 kg/m。海堤半幅地基(見圖1)已被緊鄰的地產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行排水板預(yù)壓加固，加固深度為28 m；半幅為原始地基，地基表層土為約1 m厚的雜填土，表層土以下為30～40 m厚的淤泥及淤泥質(zhì)土。正常下鉆速度為0.8 m/min時(shí)，電流負(fù)荷為100 A[8]。但在施工過程中發(fā)現(xiàn)部分地基土層密度較大，具體表現(xiàn)為樁機(jī)下鉆困難，樁機(jī)滿負(fù)荷下鉆速度為0.8 m/min時(shí)，樁機(jī)電流負(fù)荷≥150 A。且在噴粉過程中容易發(fā)引發(fā)堵管，爆管等故障，提鉆維修時(shí)，鉆頭還經(jīng)常纏繞排水板(見圖2)。

圖1 項(xiàng)目局部加固土層范圍示意

圖2 自引孔障礙物處理示意

經(jīng)了解，該地基部分區(qū)域曾被臨近的房建項(xiàng)目先期采用排水板堆載預(yù)壓加固處理過，不僅地基土層密度大，且存在大量的排水板。施工之前必須先對(duì)排水板加固地基進(jìn)行引孔處理，不僅可以攪松土層，而且可以將排水板先期攪出，避免后續(xù)噴粉攪拌過程中因鉆頭纏繞排水板而斷樁。引孔處理后，使噴粉管內(nèi)外壓力差滿足噴粉量達(dá)到180 kg/m的要求，保證成樁質(zhì)量。

3 粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)機(jī)理

土層密度越大，鉆進(jìn)越困難，則樁機(jī)電流負(fù)荷越大[9]。土層密度越小，鉆進(jìn)越容易，則樁機(jī)電流負(fù)荷越小。根據(jù)土層密度和樁機(jī)電流負(fù)荷成正比的特性(見圖3)，通過實(shí)驗(yàn)找出臨界電流數(shù)值，電流大于臨界電流值時(shí)，說明土層密度過大，需要自行引孔。當(dāng)施工電流小于臨界電流數(shù)值時(shí)，說明土層適合噴粉成樁。

圖3 土層松緊度對(duì)應(yīng)鉆機(jī)電流負(fù)荷示意

本項(xiàng)目采用功率為55 kW的HL805型單軸攪拌樁機(jī)[10]，采集了19次粉噴攪拌樁在不同緊密度土層條件下自引孔的次數(shù)對(duì)應(yīng)的電流負(fù)荷值數(shù)據(jù)，繪制散點(diǎn)圖(見圖4)。

圖4 自引孔的次數(shù)對(duì)應(yīng)的電流負(fù)荷區(qū)間散點(diǎn)示意

由圖4可以看出：鉆進(jìn)攪拌樁機(jī)電流值≤100 A時(shí)，土層緊密度合適，噴粉管內(nèi)外壓力為正壓，輸粉管可以噴粉成樁，不需要引孔。鉆進(jìn)時(shí)樁機(jī)電流值區(qū)間為100～150 A時(shí)，土層較緊密，噴粉管內(nèi)外壓力平衡，無法噴粉，需要自引孔1次攪散土體。鉆進(jìn)時(shí)樁機(jī)電流值區(qū)間為150～200 A時(shí)，土層非常緊密，噴粉管內(nèi)外壓力為負(fù)壓，需要自引孔2次。引孔后鉆進(jìn)電流≤100 A時(shí)，表面土層已被攪松，噴粉管內(nèi)外壓力可以保證成樁質(zhì)量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試樁，總結(jié)了不同密度土層對(duì)應(yīng)的電流負(fù)荷參數(shù)(見表1)，來判斷土層是否需要先進(jìn)行自引孔及引孔次數(shù)。

表1 土層松緊度對(duì)應(yīng)鉆機(jī)電流負(fù)荷

4 施工工藝

4.1 工藝流程

粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)施工工藝主要有先期引孔攪松土層(見圖5、圖6)與攪拌噴粉成樁兩個(gè)步驟，具體工序如下[11]。

圖6 自引孔時(shí)拔除的排水板雜物示意

1) 先期引孔攪松土層：場(chǎng)地平整、孔位放樣→粉噴攪拌樁樁機(jī)對(duì)孔內(nèi)土層反復(fù)鉆進(jìn)和提鉆空攪→孔內(nèi)土層密度符合成樁要求。

2)攪拌噴粉成樁：孔位放樣→粉噴攪拌樁樁機(jī)就位→噴粉攪拌下沉至設(shè)計(jì)深度→噴粉攪拌提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高→成樁結(jié)束→施工記錄→施工下一根樁[12]。

4.2 工藝試自引孔與試成樁

正式施工前須進(jìn)行工藝試自引孔與試成樁，試樁成功后方可正式組織施工。本工程取3組樁進(jìn)行試驗(yàn)[13]。

1)試自引孔：試自引孔的主要目的是為了攪散高密度土層，為下一步攪拌樁順利成樁提供保障。通過自引孔實(shí)驗(yàn)獲取以下信息：① 檢測(cè)當(dāng)前土層密度需要自引孔時(shí)的攪拌樁機(jī)的鉆進(jìn)電流負(fù)荷；② 檢測(cè)引孔終孔的最佳土層松散程度對(duì)應(yīng)攪拌樁機(jī)的鉆進(jìn)電流負(fù)荷；③ 檢測(cè)自引孔專用機(jī)械對(duì)當(dāng)前土層壓力；④ 統(tǒng)計(jì)自引孔的引孔時(shí)間，便于指導(dǎo)后續(xù)大規(guī)模的自引孔施工；⑤ 檢測(cè)自引孔成孔的深度、直徑、垂直度、孔身的穩(wěn)定連續(xù)性是否達(dá)到相關(guān)要求[14]。

通過當(dāng)前樁機(jī)的電流負(fù)荷來判斷當(dāng)前土層密度是否需要自引孔和是否達(dá)到成樁的最佳土層松散程度。需注意的是：自引孔臨界電流負(fù)荷數(shù)值因機(jī)器功率性能的不同而有所變化，需要根據(jù)機(jī)器的功率和性能等情況進(jìn)行調(diào)整，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中確定。

2)自引孔后試成樁：試成樁目的主要有兩個(gè)方面，一是為了論證成樁工藝的可行性，二是為了統(tǒng)計(jì)每幅樁的水泥用量，尋求樁機(jī)最佳的攪拌頻次、降鉆速度、升鉆速度、復(fù)攪深度以及輸粉壓力等參數(shù)，以指導(dǎo)下一階段同條件的水泥粉噴攪拌樁全面施工[15]。

5 粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)成樁效果

在齡期達(dá)到28 d后對(duì)試樁的質(zhì)量進(jìn)行取芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在高密度土層區(qū)域，未采用自引孔技術(shù)的樁體，混凝土芯樣大都呈柱狀或長(zhǎng)柱狀、少數(shù)成短柱狀、連續(xù)完整、膠結(jié)性好，芯樣斷口基本吻合，芯樣側(cè)表面粗骨料分布基本均勻，芯樣側(cè)表面有溝槽，芯樣強(qiáng)度為0.6 MPa，屬于III類樁(見圖7)。采用自引孔技術(shù)的樁體，混凝土芯樣呈長(zhǎng)柱狀、連續(xù)、完整、膠結(jié)好，芯樣斷口吻合，芯樣側(cè)表面粗骨料分布基本均勻，僅局部芯樣側(cè)表面有氣孔、蜂窩麻面[16]，芯樣強(qiáng)度為1.0 MPa，屬于I類樁(見圖8)。取芯芯樣表明：采用自引孔技術(shù)的樁體質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)施工樁體質(zhì)量[14]。

圖7 未采用自引孔技術(shù)的成樁質(zhì)量示意

圖8 采用自引孔技術(shù)后的成樁質(zhì)量示意

6 粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)成樁質(zhì)量控制

6.1 質(zhì)量參數(shù)

樁機(jī)自引孔技術(shù)成樁質(zhì)量控制參數(shù)見表2。

表2 粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)成樁質(zhì)量控制參數(shù)

6.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

1)孔位放樣：粉噴攪拌樁施工的孔位放樣主要有3個(gè)階段，為溝槽開挖放樣、先期引孔放樣、攪拌噴粉放樣[16]，通過專業(yè)測(cè)量團(tuán)隊(duì)采用全站儀等測(cè)繪儀器進(jìn)行放樣，根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙、測(cè)量控制點(diǎn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)粉噴攪拌樁樁位進(jìn)行精準(zhǔn)放線，樁位點(diǎn)用小木樁掛紅線條標(biāo)記，以便于現(xiàn)場(chǎng)施工樁位確定。尤其注意施工前需要復(fù)核樁位。

2)硬化劑：粉噴攪拌樁成樁主要材料為水泥、粉煤灰、石灰，選用的材料需要質(zhì)檢合格，具有合格證書，施工中需采用智能電子秤全程計(jì)量材料用料，并記錄，歸檔，便于后續(xù)材料節(jié)超統(tǒng)計(jì)分析。

3)設(shè)備：粉噴攪拌樁樁機(jī)的移位、降鉆應(yīng)有專人指揮，由當(dāng)班組長(zhǎng)負(fù)責(zé)最優(yōu)，降鉆前需檢查機(jī)械定位的準(zhǔn)確性，偏差在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。噴粉前采用閉氣實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)供粉泵、送氣(粉)管路、管路接頭和閥門的密封性，一方面保證成樁質(zhì)量，另一方面便于材料統(tǒng)計(jì)及成本控制。送氣(粉)管路的長(zhǎng)度應(yīng)≤60 m。樁機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)檢測(cè)、記錄粉體量、攪拌深度的功能，且經(jīng)國(guó)家計(jì)量單位認(rèn)可[17]。

4)過程控制：攪拌噴粉前應(yīng)將軟土預(yù)攪切碎，控制降鉆和提鉆速度(攪拌頭的旋轉(zhuǎn)高差變化不得超過15 mm/周)，有助于軟土同硬化劑充分?jǐn)嚢杈鶆?，保證成樁強(qiáng)度，提高成樁效果；施工中，攪拌頭與設(shè)計(jì)樁底距離在1.5 m以上時(shí)，立即啟動(dòng)噴粉機(jī)提前噴粉，攪拌頭距原地面0.5 m時(shí)，立即停止噴粉機(jī)噴粉，當(dāng)噴粉機(jī)因故停止時(shí)，應(yīng)將攪拌頭調(diào)至?；颐嬉韵? m[17]。

6.3 適用范圍

粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)與沖孔灌注樁引孔技術(shù)相比，共同點(diǎn)主要有：① 均為地基處理的加固方式；② 需先自引孔，再成樁；③ 前期均需試成孔、試成樁。

不同點(diǎn)主要有：① 粉噴攪拌樁為干噴，沖孔灌注樁為濕噴；② 沖孔灌注樁成樁前需埋設(shè)護(hù)筒，埋設(shè)護(hù)筒前后均需測(cè)量樁位中心線，且偏差不大于50 mm[18]；③ 沖孔灌注樁成樁過程需要用水，過程控制影響因素比粉噴樁多了水灰比、水泥漿制備量、天氣等。

粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)適用于含有機(jī)雜質(zhì)或局部突變的高密度土層進(jìn)行作業(yè)，其引孔效果非常好，而對(duì)于含有大孤石的雜填土或含巖土層，由于其硬度較大、引孔效率低且容易磨損鉆頭，此時(shí)應(yīng)采用沖孔樁機(jī)引孔回填黏土的處理方式。

7 結(jié)語

在含有機(jī)雜質(zhì)或局部突變的高密度土層，采用粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)，有效解決了土體噴粉量不足、堵管、爆管等問題，成樁質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)施工方式。

1)通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的電流負(fù)荷值，確定了不同土層條件下自引孔的次數(shù)。

2)進(jìn)行相應(yīng)次數(shù)的攪拌樁機(jī)自引孔，需對(duì)土層中有機(jī)雜質(zhì)預(yù)拔除、對(duì)高密度土層進(jìn)行攪松，增加土層的孔隙，減少土層的密度和被動(dòng)土壓力，保證輸粉管內(nèi)外合適的壓力差。

3)相比采用沖孔樁機(jī)引孔回填黏土的引孔方式，粉噴攪拌樁樁機(jī)自引孔技術(shù)具有引孔速度快、施工簡(jiǎn)單、孔內(nèi)無需回填黏土、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。