水泥攪拌樁在淤泥中加固機(jī)理及施工質(zhì)量控制

詹振陽 張宇明

粉噴深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑的主劑,通過特制的深層攪拌機(jī)械在地基深部就地將軟弱土和固化劑強(qiáng)制攪拌形成水泥土,利用水泥與軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)作用,使水泥土強(qiáng)度增長提高地基強(qiáng)度。這種方法適用于處理軟弱土層,處理后對提高軟土地基承載力效果顯著,且處理后能很快投入使用。根據(jù)近十年來珠海西區(qū)水利工程建設(shè)中采用粉噴深層攪拌樁對水閘閘基軟弱土層的加固工程成果證明,其加固效果良好,經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

1 粉噴深層攪拌樁加固機(jī)理

1)水泥的水解、水化:水泥遇水后發(fā)生水解與水化,生成氫氧化鈣,含水鋁酸鈣,含水硅酸鈣等化合物;其中氫氧化鈣和含水鋁酸鈣溶解于水,隨著水解與水化的反應(yīng),溶液達(dá)到飽和之后,水與水泥繼續(xù)反應(yīng)形成凝膠體。2)離子交換:土顆粒在天然狀態(tài)下表面帶有負(fù)電荷,反離子層為陽離子,呈膠體微粒狀,反離子層中的Na+,K+能同Ca(OH)2溶液中的Ca2+進(jìn)行離子交換,使土粒水化膜變薄,土顆粒集合成大的團(tuán)粒;此外,水泥水化后呈分散狀的凝膠顆粒,其比表面積約為原來的1 000倍,因而產(chǎn)生很大的表面能,有強(qiáng)烈的吸附活性,能使較大的土團(tuán)粒進(jìn)一步結(jié)合起來,形成水泥土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),并封閉了各土顆粒之間的孔隙,在較為松散的土體內(nèi)部形成了網(wǎng)絡(luò)狀膠結(jié)結(jié)構(gòu),具有牢固的連接,而宏觀上則表現(xiàn)為水泥土的強(qiáng)度大大提高。3)硬凝反應(yīng):水泥水化以后,溶液中析出的大量Ca2+,與Na+,K+進(jìn)行離子交換,當(dāng)Ca2+數(shù)量超過離子交換的需要量后,則在堿性環(huán)境中Ca2+可與土中游離的SiO2和Al2O3進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物,該結(jié)晶化合物在空氣中和水中逐漸硬化,增大了土體強(qiáng)度,而且由于其結(jié)構(gòu)比較致密,水分不易侵入,從而使水泥土具有足夠的水穩(wěn)定性。4)碳酸化作用:水泥水化后產(chǎn)生的游離氫氧化鈣和空氣及水中的CO2通過碳化反應(yīng)生成不溶于水的碳酸鈣,也可以小幅度增加水泥土的強(qiáng)度,只是增長速度較為緩慢。

此外,從施工角度來看,水泥攪拌樁中不可避免會存在原狀土塊和水泥團(tuán)塊,其粒徑大小與強(qiáng)制攪拌的程度密切相關(guān);強(qiáng)制攪拌越充分,土塊被粉碎得越小,水泥分布到土中越均勻,水泥土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的均一性就越好,即宏觀強(qiáng)度也就越高。

2 粉噴深層攪拌樁施工質(zhì)量控制

2.1 施工質(zhì)量控制

1)粉噴深層攪拌樁施工屬隱蔽工程,應(yīng)指派專人負(fù)責(zé),對攪拌樁的施工過程進(jìn)行全程旁站,做到責(zé)任到人。2)施工采用的加固材料應(yīng)在施工前送質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)檢驗(yàn),合格后方可使用。3)攪拌樁施工機(jī)械必須具備良好穩(wěn)定的性能,所有樁機(jī)施工前均應(yīng)由監(jiān)理工程師檢查驗(yàn)收合格后方可使用。4)攪拌樁施工之前,應(yīng)用壓風(fēng)機(jī)向整個管道中送風(fēng),檢查其是否有堵塞現(xiàn)象。5)施工前應(yīng)在主機(jī)上懸掛一吊錘,通過控制吊錘,使之與鉆桿上、下、左、右距離相等來控制水泥攪拌樁樁體的垂直度。6)為了控制成樁均勻性及確保樁體每米的水泥摻合量,每臺機(jī)械均應(yīng)配備電腦記錄儀。7)攪拌樁施工過程中,第一次下鉆時,為避免堵管打開氣閥門送氣下鉆,下鉆時可用快擋操作,提鉆時打開噴粉閥門送灰,提升速度應(yīng)用慢擋操作,復(fù)攪時重復(fù)上述操作,施工過程中應(yīng)保持壓風(fēng)機(jī)壓力不少于0.5 MPa,罐壓不少于0.2 MPa,噴壓不少于0.19 MPa。8)為保證水泥攪拌樁樁端、樁頂及樁身質(zhì)量,第一次提鉆噴灰時應(yīng)在樁底部停留30 s,進(jìn)行磨樁端,在提升至樁頂部位時亦需停留30 s,進(jìn)行磨樁頭,樁身部位施工時應(yīng)按要求均勻噴灰。9)每根樁開鉆后應(yīng)連續(xù)作業(yè),嚴(yán)格控制噴灰時間和停灰時間,且不得中斷噴灰,嚴(yán)禁在尚未噴灰的情況下進(jìn)行鉆桿提升作業(yè)。10)施工中若發(fā)現(xiàn)噴灰量不足,應(yīng)對整樁進(jìn)行復(fù)攪,復(fù)噴的噴灰量不小于設(shè)計用量。11)如遇停電、機(jī)械故障原因,噴灰中斷時應(yīng)及時記錄中斷深度,在12 h內(nèi)采取補(bǔ)噴處理措施,補(bǔ)噴重疊段應(yīng)大于500 cm,中斷時間超過12 h后應(yīng)采取補(bǔ)樁措施。12)每根樁施工完畢后,現(xiàn)場施工人員均應(yīng)及時認(rèn)真填寫其施工原始記錄。

2.2 施工質(zhì)量檢驗(yàn)

1)攪拌樁施工過程中對每根攪拌樁質(zhì)量檢查重點(diǎn)是通過樁機(jī)配備的電腦檢查樁身每米水泥用量、噴灰均勻度、噴灰攪拌提升速度以及復(fù)攪次數(shù)。2)攪拌樁成樁7 d后應(yīng)采用輕便觸探法進(jìn)行樁身質(zhì)量檢驗(yàn),確定樁身強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求。3)必要時應(yīng)采取鉆探取芯,以檢驗(yàn)整樁的成樁均勻性及水泥土的抗壓強(qiáng)度。4)攪拌樁竣工后應(yīng)對成樁的外觀進(jìn)行鑒定,主要內(nèi)容包括:樁體是否圓韻,有無縮頸或回陷現(xiàn)象,樁身是否均勻,凝體有無松散現(xiàn)象;群樁樁頂是否整齊,樁間距是否均勻等。5)攪拌樁竣工達(dá)齡期后,應(yīng)采用載荷板試驗(yàn)對單樁及復(fù)合地基承載力進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

珠海西區(qū)防洪應(yīng)急工程雞啼門下堤段水閘位于珠海西區(qū)雞啼門南岸,磨刀門水道旁,東鄰珠海大道;包括礦山閘、磚廠沖閘、紅西五圍閘、紅西六圍閘,其閘室均為平底開敞式輕型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。本工程采用粉噴深層水泥攪拌樁進(jìn)行閘基處理,場地內(nèi)上部主要地層有:

素填土:淺黃色,巖性以粉質(zhì)黏土為主,很濕,可塑,局部呈松散狀,層厚0.5 m～3.3 m。淤泥:灰色,土質(zhì)較均勻,具砂感,局部含腐殖質(zhì),飽和,軟塑,屬高壓縮性土,層厚2.9 m～9.1 m。粉砂層:灰色,主要成分為石英質(zhì)粉砂,多與下臥淤泥質(zhì)土層呈互層出現(xiàn),飽和,松散,層厚3.9 m～22.7 m。

3.2 設(shè)計控制參數(shù)

1)粉噴樁樁徑0.5 m,樁間距1.0 m,樁端進(jìn)入軟土層下部粉砂層不少于1.0 m,有效樁長約10 m;2)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥土90 d齡期強(qiáng)度不小于2.0 MPa,單樁豎向承載力特征值不小于75 k N,復(fù)合地基承載力特征值不小于 120 k Pa。

3.3 室內(nèi)試驗(yàn)及工程試樁

1)水泥加固土室內(nèi)試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計要求,于場地內(nèi)淤泥層取土樣進(jìn)行室內(nèi)配合比試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下,不同摻入比水泥土各齡期強(qiáng)度見表1。

表1 不同配比水泥土在不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

2)現(xiàn)場工程試樁。為確保工程的順利實(shí)施,驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)成果及確定現(xiàn)場施工工藝參數(shù),本工程開工前兩個月進(jìn)行現(xiàn)場工程試樁。根據(jù)現(xiàn)場試樁成果,本工程確定水泥摻入比為18%,無外摻劑,采用四噴四攪工藝,鉆桿提升速度不大于0.6 m/min。

3.4 軟土地基加固效果評價

本工程攪拌樁施工完成28 d后采用鉆孔取芯法對樁身完整性、樁土攪拌均勻程度及樁的施工長度進(jìn)行檢驗(yàn),所取水泥土芯樣分別進(jìn)行28 d齡期和90 d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),合格率均達(dá)90%以上;成樁90 d后分別對水泥土攪拌樁單樁承載力和樁土復(fù)合地基承載力特征值進(jìn)行載荷試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

近年來,隨著施工技術(shù)和施工條件的發(fā)展,深層攪拌水泥土樁的應(yīng)用范圍越來越廣泛,采用粉噴樁復(fù)合地基,造價相對較低。但因其處理軟土地基屬于隱蔽工程,如果施工質(zhì)量不好,一旦被上部構(gòu)筑物所覆蓋,便構(gòu)成隱患,且難以檢查及補(bǔ)救。因此,緊抓施工環(huán)節(jié),嚴(yán)格施工過程的管理非常重要,只有在施工過程中嚴(yán)格控制才能確保工程質(zhì)量。

[1] YBJ 225-91,軟土地基深層攪拌法加固技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 曹承東.粉噴攪拌樁加固沖積層的工程實(shí)例[J].勘察科學(xué)技術(shù),1997(5):32-34.

[3] 龔志剛,朱曉龍.水泥攪拌樁處理地基現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].山西建筑,2008,34(3):127.