談干法水泥土雙向攪拌樁施工技術(shù)與控制

劉小和

(南京交通建設(shè)項目管理有限責(zé)任公司，江蘇南京 210000)

1 概述

水泥土攪拌樁是利用特制機械將水泥或水泥漿作為固化劑噴入軟弱土體中，就地將水泥土混合物強制攪拌，形成具有一定強度的水泥土加固體，與基土共同作用形成復(fù)合地基，從而達到提高承載力及減小路基沉降的目的。該技術(shù)具有成本低、工效快、施工簡便、振動小、污染少等特點，在需要大面積處理軟土地基的工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但在以往工程建設(shè)應(yīng)用中，由于水泥土攪拌樁屬地下隱蔽工程，其人為因素及地下不確定性因素較大，易發(fā)生工程質(zhì)量問題，致使工程建設(shè)者懷疑水泥土攪拌樁的成樁質(zhì)量及其對軟土地基的處理效果，甚至有慎用或限用的態(tài)度。

為此，部分優(yōu)秀的工程建設(shè)者對常規(guī)攪拌機進行改進，制造出水泥土雙向攪拌樁機，并提出相應(yīng)理論。筆者就在建的某高速公路中采用的干法水泥土雙向攪拌樁來了解該樁機的工作原理及相應(yīng)理論，以供大家參考。

2 水泥土雙向攪拌樁機械及成樁原理

2.1 水泥土雙向攪拌樁鉆機

水泥土雙向攪拌樁鉆機主要改造了常規(guī)水泥土攪拌樁鉆機的動力系統(tǒng)以及鉆桿和鉆頭。

1)動力系統(tǒng)改造，設(shè)置了正、反兩個方向動力設(shè)備(見圖1)，即外鉆桿的動力由磨盤提供，內(nèi)鉆桿的動力由單獨的電機提供，同時為了保證攪拌更加均勻，將磨盤和下鉆、提升動力分開，下鉆、提升的動力由無極調(diào)速電機提供，在施工時，將磨盤置于高轉(zhuǎn)速，將下鉆、提升置于低轉(zhuǎn)速，提高單位時間里的攪拌次數(shù)，使得成樁質(zhì)量更加有保障。

2)鉆桿、鉆頭改造，設(shè)置兩個同心圓的內(nèi)、外鉆桿，并在內(nèi)外鉆桿底部鉆頭處設(shè)置兩兩分開的四層攪拌葉片(見圖2)。外鉆桿連接外鉆頭，內(nèi)鉆桿連接內(nèi)鉆頭，在外鉆桿的內(nèi)壁設(shè)有與內(nèi)鉆桿之間配合的軸承和密封裝置。內(nèi)鉆頭的外壁上設(shè)有上下兩層翼片，下層翼片的下部為鉆尖，兩層翼片之間的距離為20 cm～30 cm，在兩層翼片之間靠近上層翼片的內(nèi)鉆桿上開有噴灰口。通過外桿上葉片反向旋轉(zhuǎn)過程中的壓灰作用及正向旋轉(zhuǎn)葉片同時雙向攪拌水泥土的作用，阻斷水泥上冒，把水泥控制在兩組葉片之間，保證水泥在樁體中分布均勻，確保成樁質(zhì)量。

2.2 水泥土雙向攪拌樁成樁原理

水泥土雙向攪拌樁是指在施工過程中，通過分別設(shè)置的動力系統(tǒng)帶動安裝在鉆機上的同軸內(nèi)、外鉆桿同時正、反雙向轉(zhuǎn)動，強制內(nèi)、外鉆桿上的兩組攪拌葉片同時正、反雙向切土，使鉆機在施工過程中形成全程復(fù)攪，充分攪拌土體，并能阻斷水泥上冒通道。從而可提高攪拌均勻性，增加樁身強度;并能有效改善復(fù)合地基的承載特性，提高軟土地基的承載力，減少地基沉降。

圖1 動力設(shè)備示意圖

圖2 攪拌葉片

2.3 施工工藝

雙向攪拌粉噴樁施工工藝流程圖見圖3。

圖3 雙向攪拌粉噴樁施工工藝流程圖

1)按設(shè)計要求整平場地，清除地表如樹根、垃圾等障礙物，回填溝塘至整平高程。2)按批準的布樁圖進行樁位放樣，就位攪拌機械，對中樁位。3)下鉆攪拌噴灰:啟動攪拌機，使攪拌機沿導(dǎo)向架向下切土，同時開啟噴粉裝置，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)，外鉆桿逆時針旋轉(zhuǎn)，內(nèi)鉆桿順時針旋轉(zhuǎn)，切割、攪拌土體。此時內(nèi)鉆桿上的兩層葉片作用為:下一層是破土，上一層為攪拌;外鉆頭上的兩層葉片作用為:攪拌、壓灰。攪拌機繼續(xù)下沉，直到設(shè)計深度，在樁端應(yīng)就地保持噴灰攪拌10 s以上才可停止噴灰。4)提升攪拌:攪拌機提升，關(guān)閉噴灰泵，兩組葉片同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，鏈條將鉆頭提升至設(shè)計樁頂標高，完成雙向攪拌粉噴樁施工。

3 工程實例

3.1 項目概況

建設(shè)中的某高速公路軟土地基設(shè)計采用干法水泥土雙向攪拌樁處理，場地地勢平坦低洼，線路區(qū)域主要為軟土及軟弱土，連續(xù)分布，土性為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土(粉土)，局部地段夾粉砂、粉土薄層，具高孔隙比，高壓縮性。有機質(zhì)含量為0.5%～4.84%，平均值3.38%，層厚4.3 m ～17.5 m，最高層厚達 32.4 m，含水量為35.1%～86%。水泥土雙向攪拌樁的布樁為正三角形，樁間距1.5 m，樁徑500 mm，水泥固化劑采用42.5號普通硅酸鹽水泥，設(shè)計水泥用量為65 kg/m，樁長17.0 m。

3.2 質(zhì)量控制

水泥土攪拌樁屬地下隱蔽工程，施工中由于人為因素較大，需要控制的參數(shù)較多，因此施工中常會出現(xiàn)一些質(zhì)量問題。為此，在工程建設(shè)開始時，業(yè)主聘請相關(guān)專家組織“某高速軟基處理技術(shù)培訓(xùn)班”，提出水泥土攪拌樁相關(guān)控制技術(shù)參數(shù)及控制要點，并明確各參建單位軟基處理相應(yīng)職責(zé)及填報水泥土攪拌樁施工管理表格。筆者作為工程建設(shè)參與者，針對干法水泥土雙向攪拌樁處理軟基實際情況，提出以下幾點控制要點，以備參考。

3.2.1 加強對施工機械設(shè)備管理

干法水泥土攪拌樁施工機械可根據(jù)設(shè)計要求和試樁資料選取專門的施工機械，建議選用定型產(chǎn)品。每臺樁機的粉體發(fā)送器必須配置粉料電腦計量裝置，并記錄水泥的瞬時噴入量和累計噴入量。且計量裝置上的任何一個可操作的按鈕和開關(guān)不得用于設(shè)定或操作時間、深度、噴粉重量、樁位編號等參數(shù)，防止偽造施工記錄。樁機上所有檢測記錄設(shè)備如氣壓表、轉(zhuǎn)速表、電流表、電子秤必須經(jīng)過計量部門檢驗標定并鉛封，不合格的儀表必須更換。監(jiān)理單位也應(yīng)制作封條對計量儀表進行鉛封，并在日常巡視中經(jīng)常檢查封條的完好性。在每臺樁機的鉆架上畫上鉆進刻度線，標寫醒目的深度，且每臺樁機鉆架上設(shè)置吊線錘，并畫上垂直線。

3.2.2 加強對水泥的管理

施工單位應(yīng)對多家水泥廠進行考察，擇優(yōu)選購質(zhì)量穩(wěn)定的水泥廠生產(chǎn)的水泥，確保水泥質(zhì)量、數(shù)量能滿足施工要求。施工、監(jiān)理單位應(yīng)按規(guī)定頻率進行水泥質(zhì)量檢驗，滿足規(guī)范要求，嚴禁使用過期、受潮、結(jié)塊、變質(zhì)的水泥。施工單位應(yīng)指派專人負責(zé)水泥的供應(yīng)、統(tǒng)計工作，每個施工班組、項目部及監(jiān)理應(yīng)分別建立水泥使用臺賬。監(jiān)理單位應(yīng)對每日水泥用量進行統(tǒng)計，及時分析水泥用量與水泥攪拌樁施工量的關(guān)系，糾正施工中的不正?，F(xiàn)象。

3.2.3 加強工藝性試樁管理，嚴格開工報告審批制度

在施工前，項目經(jīng)理部應(yīng)對參加本項工程施工的全體人員進行技術(shù)、安全交底，認真學(xué)習(xí)技術(shù)規(guī)范、設(shè)計文件及學(xué)習(xí)業(yè)主組織的“軟基處理技術(shù)培訓(xùn)”文件，領(lǐng)會各項質(zhì)量指標及安全規(guī)定，以確保本項工程能夠保質(zhì)保量按期完成。根據(jù)設(shè)計文件及業(yè)主相關(guān)規(guī)定繪制施工布樁圖，并上報簽認。選擇典型地段按設(shè)計文件提供的地質(zhì)資料及室內(nèi)配合比試驗結(jié)果進行工藝性試樁。且每種配合比不少于3根，總樁數(shù)不少于10根，以驗證室內(nèi)配合比，確定主要施工工藝指標。通過試樁掌握滿足設(shè)計單樁噴灰量的各種技術(shù)參數(shù)，如鉆桿下沉和提升速度，噴粉壓力、攪拌機轉(zhuǎn)速及進入持力層電流和鉆進速度等。另外，通過工藝性試樁掌握下沉和提升的阻力情況，從而選擇合理的攪拌鉆頭形式、鉆機功率及攪拌葉片的寬度和傾角等。

根據(jù)工藝性試樁結(jié)果，編寫施工組織設(shè)計、安全操作條例，嚴格執(zhí)行開工報告審批制度，未經(jīng)監(jiān)理工程師批準不得開始施工。按照設(shè)計要求對施工場地進行整平，清除障礙物、回填溝塘，根據(jù)簽認的布樁圖放樣，定位樁位。

3.2.4 加強對施工現(xiàn)場管理

監(jiān)理單位應(yīng)加強對旁站人員的培訓(xùn)及職業(yè)道德教育，高度認識水泥攪拌樁施工質(zhì)量的重要性，認真履行監(jiān)理職責(zé)，完善監(jiān)理程序，細化監(jiān)理職責(zé)，應(yīng)做到全方位、全過程的施工監(jiān)理。水泥土雙向攪拌樁質(zhì)量控制應(yīng)貫穿施工全過程，應(yīng)堅持全過程施工監(jiān)理，并制定每日值班表。

施工前，監(jiān)理人員應(yīng)對水泥原材質(zhì)量、計量設(shè)備、攪拌葉片的伸展直徑和機械性能進行檢查;應(yīng)對樁位放樣進行抽查，其容許偏差應(yīng)控制在±50 mm;應(yīng)檢查機架垂直度、機架底盤的水平度。

施工過程中，監(jiān)理人員應(yīng)隨時檢查施工記錄和計量記錄，嚴格控制樁長、單樁水泥用量及單樁施工時間。隨時檢查機架的垂直度、機架底盤的水平度、攪拌機提升和下鉆速度以及到設(shè)計樁長最后30 s的電流和鉆進速度等。

如遇機械故障、停電等原因噴粉中斷時，監(jiān)理人員應(yīng)督促施工單位在3 h內(nèi)采取補噴措施，其重疊長度不應(yīng)小于1 m。如果無法在原樁位補噴時，應(yīng)緊靠原樁位旁進行補樁，并在施工記錄備注中填寫完整，做好記錄備查。

單樁施工結(jié)束后，應(yīng)立即打印成樁資料，嚴禁補打資料，所有在樁機移位后或室內(nèi)打印的電腦小票均視為假資料。旁站監(jiān)理應(yīng)監(jiān)督作業(yè)班組打印成樁電腦小票，打印好的成樁電腦小票交旁站監(jiān)理保管。旁站監(jiān)理應(yīng)在打印好的電腦小票上手寫編號，格式采用:施工標段→樁機編號→旁站監(jiān)理姓名→日期→序號，其中序號按時間順序遞增且必須連續(xù)。施工單位需安排專人負責(zé)收集、掃描每日打印的成樁電腦小票，上報監(jiān)理及業(yè)主。

3.2.5 加強對施工、監(jiān)理單位內(nèi)業(yè)資料的管理

在施工過程中，項目經(jīng)理部、監(jiān)理單位應(yīng)認真做好水泥攪拌樁施工管理工作，細化管理程序。根據(jù)各自的管理特點，制定各單位用表。

項目經(jīng)理部:水泥攪拌樁施工承包協(xié)議登記表，水泥攪拌樁施工樁機登記表，水泥攪拌樁施工樁機日工作量統(tǒng)計臺賬，水泥攪拌樁水泥調(diào)撥臺賬，水泥攪拌樁施工現(xiàn)場記錄表等。

監(jiān)理單位:水泥攪拌樁施工情況日報表，旁站監(jiān)理工作安排臺賬，水泥攪拌樁樁機性能驗收表，水泥攪拌樁水泥用量臺賬，水泥攪拌樁施工監(jiān)理記錄表。所有表格應(yīng)保存完好，及時歸檔。

4 結(jié)論與展望

樁體工程施工結(jié)束，經(jīng)建設(shè)單位委派的兩家第三方檢測公司自檢、強檢，干法水泥土攪拌樁芯樣完整，綜合質(zhì)量評定優(yōu)良率為96%。

4.1 水泥土雙向攪拌樁的優(yōu)點

1)水泥土雙向攪拌樁正、反向同時攪拌，形成全程復(fù)攪，使水泥土混合物能得到充分攪拌，從而能使攪拌樁樁體攪拌更均勻，水泥與土充分混合，膠結(jié)好，成樁質(zhì)量高。2)工藝簡單，克服人為減少復(fù)攪的因素，減小管理難度。3)擾動減少，由于設(shè)置同軸的正、反雙向鉆頭，相互抵消了土體對鉆頭產(chǎn)生的水平旋轉(zhuǎn)力，從而降低鉆桿的左右晃動及鉆頭對樁周圍土體的擾動。4)施工的樁長增長，且因機械改進減少復(fù)攪施工過程，從而大大縮短了單根樁成樁時間。5)更加經(jīng)濟，由于雙向攪拌樁能使樁體攪拌更均勻，大幅度提高樁身強度，從而可以擴大樁間距，使單位體積的軟土地基處理工程量減少，達到降低造價的目的。

4.2 干法水泥土雙向攪拌樁的缺點

雖然干法水泥土雙向攪拌樁能有效解決常規(guī)水泥土攪拌樁由于施工過程中冒粉、攪拌不均勻等引起的樁身質(zhì)量問題，提高樁身質(zhì)量。但也存在不足之處:對于地下水位以上樁體部分，水泥土水化反應(yīng)不夠充分，水泥土呈顆粒狀，樁身成樁質(zhì)量較差，特別在1.5 m范圍內(nèi)，水泥土標貫擊數(shù)過低，對樁體質(zhì)量等級評定嚴重不利，有望對樁機進行改進。

4.3 展望

對于水泥土雙向攪拌樁鉆機來說，是土木建設(shè)領(lǐng)域中機械的一次革新，大大縮短攪拌樁成樁時間及降低了軟基處理施工難度。因此，筆者希望有以下改進:

1)能否結(jié)合干法和濕法優(yōu)點，研制出下部采用干法而上部采用濕法施工的機械。筆者認為水泥土雙向攪拌樁鉆機作為干、濕法兩用機有望能實現(xiàn)。

2)干法水泥土雙向攪拌樁鉆機送粉與鉆進由兩人在不同地點控制，存在時間差異，人為因素很大，能否電腦統(tǒng)一控制，自動控制噴粉與鉆進。

[1] JGJ 79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2] JTJ 017-96，公路軟土地基路基設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 繆小靳.粉噴樁加固軟土地基[J].中南公路工程，2002(4):28-29.

[4] 龔曉南.地基處理手冊[M].第3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

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