水泥攪拌樁加固橋頭軟基段工程應用研究

胡其志，楊 萌，郭 勇，王 華

(1.湖北工業(yè)大學土木建筑與環(huán)境學院，武漢 430068;2.湖北省路橋集團有限公司，武漢 430080)

伴隨著國家經濟的迅猛發(fā)展，和國家總體戰(zhàn)略規(guī)劃對于基礎設施建設的重視，使得交通線路快速增長，公路工程日益龐大，同時人們對路面的平整度和平順性有更高要求，使得公路工程的建設必須保證承載力及沉降控制在規(guī)定范圍內，必須保證在后期使用過程中的安全和舒適。建成后投入運營中的高速公路常見的質量缺陷就是由于路橋過渡段不均勻沉降引起的橋頭跳車，經調查發(fā)現，高速公路運營期間的整體維護費用中，一大部分用于路橋過渡段的修補。路橋過渡段的不均勻沉降已成為公路建設過程中的重點問題，故而，路橋過渡段在設計、施工及后期養(yǎng)護的過程中應重點關注。采取技術可行的加固措施，降低工后沉降量和沉降差，保證橋和路的平穩(wěn)過渡，進而確保工程總體的耐久性，減少后期養(yǎng)護維修的次數和費用。

為了改善橋頭過渡段軟土地基病害，劉漢龍[1]以逆向思維創(chuàng)新的方式提出一種能消除橋頭跳車的裝置，以其自身的降低或升高來消除橋頭處不均勻沉降。李然[2]等借以優(yōu)化沿道路行進方向水泥攪拌樁樁長的變化，來達到處理橋頭跳車和二次跳車的問題。章定文[3]等在比較端承型和懸浮型的水泥攪拌樁室內模型的相關試驗后得出端承型較懸浮型可顯著減小工后總沉降量。吳嶺[4]等提出超載預壓聯合漿噴樁的地基處理方案處治軟弱地基以合理節(jié)省成本，并能適當控制工期。陳曉光[5]等通過對比CFG樁和漿噴樁的處治效果得出其樁長和樁間距對橋頭處治工后效果的影響。徐曉云[6]等提出應綜合考慮多種因素以判斷地基穩(wěn)定性而非僅僅依據地基變形速率。谷世平[7]等在水泥攪拌樁和堆載預壓聯合處理以增強地基承載力和加大施工期沉降量的基礎上，提出增設泡沫混凝土以階梯減荷換填和增加漸變剛度。韓帥[8]等在有限元軟件分析樁長對橋頭不均勻沉降的基礎上，提出引入拓撲優(yōu)化方法得出緩解橋頭跳車及二次跳車的沿道路行進方向最優(yōu)長度變化的樁長形式。

該文以湖北麻陽高速武穴段武穴長江公路大橋WX-1標段軟基路段作為研究對象，分析地質勘查資料后選定K150+465～K150+495段為試樁段，在該段進行軟土地基水泥攪拌樁工藝性試樁，以獲得施工過程中水泥攪拌樁最佳水泥摻入比、攪拌樁機軸轉速、鉆機下鉆和提升速度等主要施工技術參數。并通過2018年8月18日至2019年5月16日共計271天對項目沉降觀測段的觀測和分析斷面的觀測數據，分析水泥攪拌樁處理效果。

1 水泥攪拌樁加固效果的影響因素

在軟弱地基土體中摻入水泥，利用水泥與軟弱地基土體發(fā)生的水解和水化反應以達到加固效果，并用攪拌機械將混合物拌合均勻，以獲得強度離散性較小的柱形整體，形成具有一定承載力、剛度介于剛性樁體和散體材料之間的樁形水泥土體，即水泥攪拌樁。

在水泥攪拌樁的施工工藝形成之初被稱為深層攪拌樁，是20世紀40年代末被美國最先發(fā)明的就地攪拌地基處理方法，其后被日本引入并改進，而后于20世紀70年代引進我國開展研發(fā)和試驗工作。由于其所形成的水泥土樁地基在強度與滲透性方面比原狀土地基有很大的改善，并有易于施工，快速，相對廉價和對周圍擾動小等特點，使得它廣泛應用在軟土地基加固、路基土處理和基坑支護等工程中。如在建湖北麻陽高速武穴段，其軟弱土地基處理工程中水泥攪拌樁工藝占包括挖除換填和預壓在內共三種處理技術總工程量的70%。

1.1 水泥摻量

攪拌機械對水泥和軟弱地基中原有土體進行強制攪拌，以達到提高原有土體強度的目的，是水泥攪拌樁復合地基處理的基本原理。其強度的提高，是利用水泥與原有土體的水化和水解反應，形成形似“桿菌”的具有相對較高強度的水化產物，進而在溶液中形成以水化產物“水泥桿菌”為主的凝膠微粒。其中一些微粒因自身硬化成為了水泥石骨架，另一些則與土顆粒膠結，結合成為水泥石與土顆粒共同構成的網絡狀結構，使得地基土體強度提高，并且水化反應減少了原地基環(huán)境中自由水的含量，進一步提高了地基承載力。

同時，土體中水泥石骨架和其與土結合形成的網絡狀結構的規(guī)模與摻入攪拌水泥土中水泥的含量相關，當摻入水泥的量逐漸增大時，水泥與土相結合所形成的結構越發(fā)緊密，其間空隙越來越小，滲透性也越來越低，進而其強度隨之提高。攪拌后水泥土中水泥摻量由指標水泥摻入比aw表示，其意義為水泥重量和被其加固地基土的天然重量之比。

1.2 攪拌樁機軸轉速

在攪拌樁機將待處理地基土體與水泥強制拌合時，保證鉆進和提升速度不變的前提下，攪拌樁機軸攪拌速度越大，同一位置處的水泥和土體的拌合物被攪動的次數越多，水泥和地基土體就混合得越充分越均勻，使得水泥土結構整體性越好，離散性越小，強度更穩(wěn)定更高。盡管如此，攪拌機軸轉速也不宜過高，當土質含水率低或粘性大的時候，易導致拌合土體粘結在攪拌頭葉片上，形成妨礙其強制拌合土體的“土團”，從而大幅降低葉片拌合效果。

1.3 攪拌軸鉆進提升速度

攪拌樁機對軟弱地基處理過程中，若鉆機鉆進速度太大，在其行進方向上有質地較為堅硬的部分時，易導致憋鉆造成機具損壞；提升速度過快，而此時拌合物中含水率較低，導致水泥土流動性較差，不易填補因攪拌軸提升而留下的空間，使得樁體出現空洞，致使樁身強度離散性增大，整體性降低，進而影響其承載力。若鉆進或提升速度小，成樁的整體性得到提高，強度更穩(wěn)定，總體承載力越大，但同時相對耗費更長的時間。

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1.4 攪拌遍數

在將待處理地基強制拌合時，攪拌樁機對被處理地基攪拌的遍數越多，水泥與軟弱地基土體之間的拌合就越充分、越均勻，所成樁體各部分強度越趨于一致，性能更穩(wěn)定，樁身承載力越高。并且通過研究水泥土強度增強的機理可知，只有保證水泥與土體在一定的程度攪拌混合——即保證有一定次數的攪拌遍數——才能獲得足夠的強度，達到合乎標準的承載力，故而應在前幾次的鉆進或提升時進行噴漿，使得水泥與土在混合后能有更多的攪拌遍數。

理論上，當對水泥和土的混合物攪拌遍數越多時，其混合物就被攪拌得越均勻越充分，成樁的強度離散性越小，樁體性能更穩(wěn)定。但與此同時，所需工期更長，工耗更多，其成本亦隨之增大。兩噴兩攪、兩噴四攪或兩噴六攪等是被國內施工經驗和樁機性能所推薦的工藝。

2 工藝性試樁

為獲得試驗段水泥攪拌樁的各項施工技術參數，包括最佳水泥摻入比aw、攪拌樁機軸轉速還有攪拌樁機鉆進和提升速度等，開展現場工藝性試樁，并以此指導后續(xù)大面積施工。

作為此次工藝性試樁的目標項目武穴長江公路大橋WX-1標段，屬規(guī)劃內的湖北麻城至陽新高速(以下簡稱麻陽高速)中未完工的武穴至陽新段，該項目連接武穴四望鎮(zhèn)新屋嶺與黃石陽新縣楓林鎮(zhèn)塘灣村，于武穴起點處與滬渝國家高速交匯，途經黃泥湖農場，其后在余祥村上洲灣跨過長江到達黃石陽新境內，經上巢湖后與杭瑞國家高速交匯，并在全程共設有四望、武穴、富池等5處互通式立交，起著連接麻陽高速武穴段與杭瑞國家高速九江南陽至黃石楓林段的作用。該段項目全長約31 km，包含3 355 m長江大橋和約27.6 km的兩岸接線公路。

北岸接線段按地貌單元、巖土時代成因、強度差異及工程地質性能綜合考慮可劃分為構造剝蝕溶蝕丘陵區(qū)(Ⅰ)、河湖堆積平原區(qū)(Ⅱ)、構造剝蝕殘丘區(qū)(Ⅲ)等3個一級分區(qū)，二級分區(qū)則為基巖亞區(qū)(1)、第四系堆積物亞區(qū)(2)等2個亞區(qū)，工程地質路段可分為巖石路段(A)、一般路段(B)、軟土路段(C)。

2.1 試驗段場地選取

由現場勘查可知，K148+433～K152+600段處于地勢平坦開闊的河湖沖積平原地帶，其地層主要是第四系全新統沖積層堆積物亞區(qū)(2)軟土路段(C)，含有湖積黏性土、淤泥質土、礫卵石等。淤泥及淤泥質土是該地層主要組成成分，并有軟-流塑狀黏性土夾雜其間。地下水水量較豐富，孔隙水和裂隙水是其重要組成成分，并有一部分碳酸鹽類巖溶水混雜其間，整體水位較高。

軟弱土層對路基承載力、道路成品質量影響較大，不可將其用作路基持力層，應依據其分布、性質、成因等的不同而采取對應的處理措施。同時，下伏基巖為碳酸鹽巖的路段需注意隱伏巖溶的影響。依據該項目標段試驗段的施工現場實際情況及地質條件，確定K150+465～K150+495段為試樁段。

2.2 工藝性試樁方案及結果分析

在完成試驗樁施工28 d后，為評定現場試驗水泥攪拌樁的成樁效果，對12根試驗樁分別進行抽芯樣本無側限抗壓強度試驗和現場單樁靜載強度試驗。

試驗檢測結果數據如表1和表2所示。其中，28 d試驗樁抽芯樣本無側限抗壓強度設計值為0.8 MPa，現場單樁靜載強度設計值為97 kN。

通過表1中四種水泥摻入比值下的試驗樁抽芯樣本無側限抗壓強度值數據，可知在較高和較低攪拌樁機軸轉速下都大于0.8 MPa，均滿足設計要求。從表中數據可以得出，當水泥摻入比aw一定時，提高攪拌樁軸轉速可使得試驗樁抽芯樣本無側限抗壓強度提高，究其根本主要是具有較高軸轉速的攪拌樁機將地基土塊切削成更小的顆粒，水泥更均勻的分布在地基土中，水泥與土的混合物被拌合得越充分，以此得到的水泥土強度更均勻，整體性更好，所得樁體整體強度更高。

表1 試驗樁抽芯樣本無側限抗壓強度試驗

表2 現場單樁靜載強度試驗

分析表2中試驗結果數據可知，在同一攪拌軸轉速的情況下，提高水泥摻入比aw使得現場單樁靜載強度得到提高，這是由于水泥摻入比aw的增大帶來相同體積樁體中水泥含量增多，就有更多水泥在水泥與土的混合物中發(fā)生固化反應，使得水泥土中的固化反應增強，強度離散性減小，總體固化程度得到提升，進而整體強度得到提高。并且，從表2中數據可看出水泥摻入比aw為12%和15%的試驗樁，在攪拌樁機軸轉速為40 r/min時，現場單樁靜載強度值小于設計值，取值為18%和20%的水泥摻入比的試驗樁符合要求。

因此采用水泥摻入比aw為18%、攪拌樁機軸轉速為40 r/min的施工方案，既可滿足設計對水泥攪拌樁體的強度要求，又能在一定程度上節(jié)省工程成本，符合工程實際對現場施工工藝的要求。

3 水泥土攪拌樁復合地基沉降觀測

沉降觀測段位于開闊平坦的河流沖積平原地區(qū)，淤泥及淤泥質土是其重要組成部分，其間還夾雜著少量軟-流塑態(tài)黏性土和礫卵石等。觀測段總長約為5 762 m，主要分布于K149+509～K152+504黃泥湖農場段及K155+820～K159+346長江北岸沖積平原段，占路線全長約21%。

為得出水泥摻入比aw對水泥攪拌樁地基處理的效果研究評價，在試驗段內選取若干斷面進行沉降觀測，選取其中3個斷面的觀測數據分析沉降控制效果。

3.1 沉降觀測布置

為觀測水泥攪拌樁處理試驗段工后效果，分別將編號為1#、2#、3#的沉降板置于預先選定的三個觀測斷面K150+480、K150+576、K150+671，并令各斷面處水泥攪拌樁中水泥摻入比aw分別為15%、18%、20%。觀測段地基經水泥攪拌樁處理并鋪設完碎石墊層后，將沉降板鉆孔埋設其下后注漿，再行安裝。

3.2 沉降觀測結果分析

對于試驗段的觀測起于2018年8月，止于2019年5月共計271 d，采用1#、2#、3#沉降板的沉降觀測數據進行分析，各觀測斷面處填筑高度分別為5.8 m、6.5 m、6.2 m，三個觀測斷面均在路堤填筑施工期間有一段間歇期。圖1～圖3分別為各斷面處路堤荷載、沉降量與時間的關系曲線圖。

由關系曲線圖可分析出，路堤荷載增大，水泥攪拌樁復合地基沉降量隨之增大。且在路基填筑作業(yè)前后沉降曲線較陡，沉降速度快，在路段施工間歇期和施工完成后沉降曲線較緩，沉降量少，沉降速度慢。同時，通過比較在三個斷面路堤荷載相同時，可得出水泥摻入比aw為15%時，經水泥攪拌樁處理的試驗段地基沉降量最大，水泥摻入比aw為18%時次之，為20%時最小。

4 結 論

a.水泥攪拌樁對軟弱地基處理的施工應用中，在水泥摻入比不變的情況下，提高攪拌樁軸轉速，會提高所得試驗樁抽芯樣本無側限抗壓強度，究其根本主要是具有較高軸轉速的攪拌樁機將地基土塊切削成更小的顆粒，水泥更均勻的分布在地基土中，水泥與土的混合物被拌合得越充分，以此得到的水泥土強度更均勻，整體性更好，所得樁體整體強度更高。

b.在水泥攪拌樁地基處理施工中，在同一攪拌軸轉速的情況下，提高水泥摻入比使得現場單樁靜載強度得到提高，這是由于水泥摻入比的增大帶來相同體積樁體中水泥含量增多，就有更多水泥在水泥與土的混合物中發(fā)生固化反應，使得水泥土中的固化反應增強，強度離散性減小，總體固化程度得到提升，進而整體強度得到提高。

c.根據現場單樁靜載強度試驗數據，取18%的水泥摻入比值、攪拌樁機軸轉速為40 r/min的水泥攪拌樁施工方案，既可滿足設計對水泥攪拌樁體的強度要求，又能在一定程度上節(jié)省工程成本，符合工程實際對現場施工工藝的要求。

d.經水泥攪拌樁處理后的復合地基中，其樁內水泥摻入比值對地基沉降的控制效果影響較大，較高的水泥摻入比帶來較小的地基沉降，使得路基整體更穩(wěn)定。并且發(fā)現，在水泥攪拌樁處理后的地基沉降大部分在路基填筑作業(yè)和填筑完成后半年內，特別在路基填筑加載期間尤為明顯。