水閘施工中水泥土攪拌樁的運(yùn)用研究

李季寰

（懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 懷化市 418000）

水閘施工中水泥土攪拌樁的運(yùn)用研究

李季寰

（懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 懷化市 418000）

水電工程中水閘一般都修建在土基之上，土基的有限承載力和較弱的抗沖抗?jié)B能力使得對(duì)地基的處理尤為必要。文章以某平原河道的水閘施工為研究背景，探討水泥土攪拌樁在水閘閘室段地基處理中的運(yùn)用。文章主要對(duì)水泥土攪拌樁的施工工藝、技術(shù)要求以及質(zhì)量控制方法等方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。

土基 水閘 水泥土攪拌樁 施工工藝 技術(shù)要求 質(zhì)量控

水閘[1]作為一種低水頭的水工建筑物，主要由閘室段、上下游連接段三部分組成，大多數(shù)水閘都建在土基之上。土基的承載力、抗沖刷力、抗?jié)B能力都較差，同時(shí)水閘下游長(zhǎng)期受低弗勞德數(shù)的波狀水躍和折沖水流的作用，會(huì)對(duì)河床和岸坡帶來(lái)持久的沖刷，嚴(yán)重影響閘室段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此需要對(duì)水閘所在地基進(jìn)行加固處理。地基處理常見的有墊層法、強(qiáng)夯法、砂石樁法、水泥土攪拌樁法、高壓噴射注漿法等。本文主要研究水泥土攪拌樁法在地基處理中的作用。

水泥土攪拌樁[2,3]的工作原理為利用水泥、石灰等材料作為固化劑，通過(guò)攪拌機(jī)械設(shè)備，在地基深處就地將固化劑與地基土強(qiáng)制攪拌，通過(guò)二者間所產(chǎn)生的一系列物化反應(yīng)，硬結(jié)成具有整體性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高了地基強(qiáng)度和增大變形模量。它具有加固效率高、破壞性小、造價(jià)低廉、壞境友好等特點(diǎn)[3]。其工作原理如圖1所示。

水泥土攪拌施工可分為高壓噴射注漿法和深層攪拌法兩種，前者適用于處理淤泥質(zhì)土、粘性土、黃土、沙土等地基。后者適用于處理淤泥質(zhì)土、含水量高且承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于120 kPa的粘性土等地基。

1 工程背景

圖1 水泥土攪拌樁施工原理

本水閘工程按1級(jí)建筑物級(jí)別設(shè)計(jì)，采用開敞式平底閘布置與平原河道中，水閘共設(shè)2孔，縱向長(zhǎng)50.0 m，橫向?qū)?0.0 m，閘室段底板厚4.0 m，左右岸上、下游翼墻和導(dǎo)墻總長(zhǎng)分別為140 m和168 m。其施工平面布置圖如圖2所示。

本水閘工程是建立在平原河道地基之上，土層結(jié)構(gòu)分布復(fù)雜，地基承載力較弱。上部為壓縮性大、承載力低、抗震強(qiáng)度差的軟土層，含有大量的壤土和粘土；中部為結(jié)構(gòu)松散、易于液化、抗沖能力低粉細(xì)砂層；下層為第三系泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成。具體土層分布如表1所示。

該土質(zhì)地基不利于閘室段的穩(wěn)定，需采取地基加固措施，本工程采取水泥土攪拌樁法進(jìn)行地基的加固處理。水泥土攪拌樁工程總量為121 080 m，樁徑（50～70）cm，深度（12～15）m，布置形式有柵格和單樁兩種形式。

圖2 水閘平面布置圖

表1 閘基土層性狀及分布

文章就結(jié)合具體工程實(shí)踐， 對(duì)水泥土攪拌樁的高壓噴射注漿法進(jìn)行工藝、關(guān)鍵技術(shù)要求、施工質(zhì)量控制等方面的的分析和研究。

2 水泥土攪拌樁施工工藝

2.1 水泥漿制備工藝

水泥漿液[3,4]作為水泥土攪拌樁最為重要的反應(yīng)物， 首先需要確保其漿液質(zhì)量符合物理性能和力學(xué)性能的要求， 同時(shí)也需要保證漿液的制備滿足施工連續(xù)性的要求。 具體漿液制備工藝見圖3所示。

由圖3可知，在水泥漿液制備過(guò)程中，需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）計(jì)量準(zhǔn)確。在制備漿液前，需要根據(jù)水泥土攪拌樁的長(zhǎng)度、 布樁范圍準(zhǔn)確計(jì)算水泥土攪拌樁的工程量，以此來(lái)作為水灰比、外加劑需求量的依據(jù)。

（2） 物理參數(shù)測(cè)定。 水泥漿的物理參數(shù)主要涉及比重、粘度、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間等。對(duì)水泥漿物理參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定， 用來(lái)作為固化劑物理性能和力學(xué)特性的參考。 對(duì)于不合格的漿液進(jìn)行返工處理或者重新配置，直至合格后泵送。

圖3 水泥漿液制備流程

（3）連續(xù)性作業(yè)。在水泥土攪拌樁施工過(guò)程中，水泥漿液的泵送盡量避免中斷。 因?yàn)闈{液的臨時(shí)中斷會(huì)影響該孔水泥土復(fù)合物的整體性， 同時(shí)也影響施工效率。

在本工程具體施工中，水泥漿液用42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，制備工藝嚴(yán)格按照上述程序進(jìn)行。對(duì)水泥漿液的物理參數(shù)、力學(xué)性能進(jìn)行科學(xué)的測(cè)定，確保水泥漿液符合質(zhì)量要求。

2.2 水泥土攪拌樁施工程序

水泥漿液制備完成之后， 進(jìn)行水泥土攪拌樁的具體施工。 水泥土攪拌樁詳細(xì)施工流程[4,5]主要包括固定樁位、樁機(jī)對(duì)位、攪拌下沉、噴漿攪拌提升至地表，該攪拌樁完成之后便可進(jìn)行下一樁的施工。具體的施工流程見圖4所示。

圖4 水泥土攪拌樁施工工藝

由水泥土攪拌樁的工藝流程可知， 施工有著嚴(yán)格的程序步驟， 每一步驟都直接關(guān)系到水泥土攪拌樁的質(zhì)量，現(xiàn)逐一對(duì)其進(jìn)行分析。

（1） 樁位放點(diǎn)。施工前先平整清掃場(chǎng)地，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)量放線，并做好樁位的標(biāo)記。同時(shí)調(diào)整攪拌機(jī)身使攪拌軸呈鉛直狀態(tài)。

（2） 攪拌下沉。 攪拌下沉要嚴(yán)格控制樁機(jī)的下沉的深度和速度，一般速度由電機(jī)電流監(jiān)測(cè)表控制，此步驟還需在待壓漿前將水泥漿倒入儲(chǔ)料坑或罐中，使攪拌機(jī)下沉與漿液的配送協(xié)調(diào)配合。

（3） 噴漿攪拌提升。攪拌機(jī)下沉至設(shè)計(jì)深度后，按設(shè)計(jì)確定的提升速度， 邊提升邊由攪拌葉片將水泥漿與土體攪拌，直至提升到設(shè)計(jì)樁頂高程，即完成一次攪拌過(guò)程。攪拌提升速度要?jiǎng)蚍Q，確保水泥漿與土體充分?jǐn)嚢琛?/p>

（4） 重復(fù)攪拌下沉。重復(fù)攪拌下沉提升，此步驟不可忽略， 重復(fù)攪拌下沉和提升使得水泥土混合更加均勻，提高整體的強(qiáng)度。

（5） 移樁。攪拌機(jī)移位到下一根樁，重復(fù)以上工序，完成下一根樁。

本水閘工程施工中， 嚴(yán)格按照上述工藝流程就行科學(xué)的施工，確保了施工的順利進(jìn)行。

3 水泥土攪拌樁關(guān)鍵技術(shù)要求

水泥土攪拌樁對(duì)施工技術(shù)的要求比較嚴(yán)格，除了在水泥漿的制備流程和水泥土攪拌樁施工程序環(huán)節(jié)進(jìn)行控制外， 還需要對(duì)具體施工中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行控制，使其施工整體質(zhì)量符合要求。參照本工程具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)水泥土攪拌樁的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了以下分析：

（1） 施工平臺(tái)。 施工平臺(tái)的高度需要超出設(shè)計(jì)樁頂高程0.5 m，高程誤差控制在±0.15 m的范圍，樁位最大允許偏差±0.02 m。

（2） 樁軸線。為了使攪拌樁垂直于地面，每根樁施工前均須采用水平儀對(duì)樁機(jī)進(jìn)行調(diào)平， 確保樁的偏斜率不大于0.5%。

（3）先導(dǎo)孔設(shè)置。為了掌握地層巖性及攪拌樁底線高程， 沿地基軸線每隔50 m布設(shè)一個(gè)先導(dǎo)孔，局部地段地質(zhì)條件變化較嚴(yán)重的部位，適當(dāng)加密鉆進(jìn)先導(dǎo)孔。

（4）連續(xù)灌漿。水泥漿液制備時(shí)要防止發(fā)生離析，供漿、供水必須連續(xù)，一旦中斷將噴管下沉至停供點(diǎn)以下0.5 m，待恢復(fù)供應(yīng)時(shí)再旋噴提升。

（5） 樁位高程。 施工停漿面必須高出樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高0.5 m，結(jié)合基坑開挖進(jìn)行樁頭挖除。 樁頭開挖時(shí)需要采取有效措施防止施工損壞樁體。

4 水泥土攪拌樁質(zhì)量控制

4.1 水泥土攪拌樁施工質(zhì)量控制

質(zhì)量控制一直是施工程序中的重要環(huán)節(jié)， 在水閘地基的處理過(guò)程中， 為了提高水泥土攪拌樁整體的施工質(zhì)量， 參考水泥土攪拌樁的制漿流程和施工流程，配套編制了質(zhì)量檢查流程圖，如圖5所示。

圖5 水泥土攪拌樁質(zhì)量控制流程圖

對(duì)質(zhì)量控制流程圖進(jìn)行分析，主要有以下關(guān)鍵點(diǎn)：

（1） 復(fù)合。主要是對(duì)攪拌樁的鉛直度、水泥漿的比重、粘度、初凝時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行復(fù)合。確保施工條件的準(zhǔn)確性。

（2）控制。主要是對(duì)攪拌樁的最低深度和最高位置、攪拌機(jī)的提升速度進(jìn)行控制，確保攪拌樁在規(guī)定的速度范圍內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢枳饔?，并到達(dá)設(shè)計(jì)深度。

（3） 檢查。 一根樁的水泥漿用量在一個(gè)數(shù)值范圍波動(dòng)，通過(guò)漿液剩余量可以反映攪拌是否充分，對(duì)于過(guò)剩的漿液進(jìn)行重復(fù)攪拌施工， 確保該樁位的施工質(zhì)量。

（4） 記錄。當(dāng)前面所有步驟都完成時(shí)，需要對(duì)該攪拌樁的施工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)記錄， 這為后期進(jìn)行抽檢驗(yàn)收提供依據(jù)和參考。

在本水閘地基處過(guò)程中，通過(guò)參考該質(zhì)量控制流程圖，大大提高了質(zhì)量控制的實(shí)效性，確保了攪拌樁的質(zhì)量。

4.2 水泥土攪拌樁成品質(zhì)量檢查

水泥土攪拌樁成型后，采用隨機(jī)抽樣的方法進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。常用的質(zhì)量檢驗(yàn)方法有鉆孔取芯檢查法、開挖檢查法、承載力檢驗(yàn)法、動(dòng)力觸探法、圍井檢查法等。本水閘工程水泥土攪拌樁主要采用了前三種質(zhì)量檢測(cè)方法。

（1）鉆孔取芯檢查。在施工后28天，隨機(jī)用鉆機(jī)抽芯取樣。主要檢測(cè)單軸抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、芯體完整性三項(xiàng)指標(biāo)。隨機(jī)抽樣檢測(cè)數(shù)量不少于總樁數(shù)0.5%，完畢之后并用水泥砂漿封孔。

（2）開挖檢查。在樁體周圍開挖（2～3）m深度進(jìn)行檢測(cè)。主要觀測(cè)樁體外觀有無(wú)蜂窩、孔洞，各樁之間切割搭接是否滿足設(shè)計(jì)要求，攪拌樁直徑是否在（0.5～0.7）m范圍這三項(xiàng)內(nèi)容。隨機(jī)抽樣檢測(cè)數(shù)量不少于總樁數(shù)的5%，完畢之后回填。

（3）承載力檢驗(yàn)。在攪拌樁成樁28天后按照復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和單樁載荷試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)，隨機(jī)抽樣檢測(cè)數(shù)量不少于總樁數(shù)0.5%。

通過(guò)對(duì)本工程成品攪拌樁進(jìn)行質(zhì)量檢查，其檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

由表可知，水泥土攪拌樁質(zhì)量完全符合規(guī)范要求，施工高效高質(zhì)量地完成了地基的處理工作。

5 結(jié) 語(yǔ)

水泥土攪拌樁作為地基加固處理的方法之一，以其特殊的施工原理和簡(jiǎn)單的工藝流程備受青睞。本文基于某平原河道水閘工程為工程背景，對(duì)水閘地基進(jìn)行水泥土攪拌樁的應(yīng)用研究，其中著重對(duì)制漿流程、水泥土攪拌樁施工程序、關(guān)鍵施工技術(shù)要點(diǎn)以及水泥土攪拌樁質(zhì)量控制四個(gè)方面進(jìn)行了分析和研究。

表2 水泥土攪拌樁施工質(zhì)量參數(shù)表

本工程通過(guò)科學(xué)的現(xiàn)場(chǎng)施工和管理，用水泥土攪拌樁技術(shù)有效的提高了水閘地基的整體承載力，克服了地基的沉降變形，滿足了工程要求。其工程經(jīng)驗(yàn)可供類似工程參考。

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2017-01-22）

李季寰（1982-），男，苗族，湖南靖州人，大學(xué)本科，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)與研究工作，手機(jī)：13469327625，E-mail：24976260@qq.com。