水泥攪拌樁在軟弱粉煤灰地基加固中的應(yīng)用

■田力瓊，李 輝，冷曉暢■.江西省電力設(shè)計(jì)院，江西 南昌 0096；.武漢光谷建設(shè)投資有限公司，湖北 武漢 4005；.南昌大學(xué) 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 00

水泥攪拌樁是一種用于處理軟土、粉土和含水量較高且地基承載力較低的粘性土等地基的有效方法。它是通過特制的深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地將水泥漿和周圍土體強(qiáng)制攪拌，在一定時(shí)間內(nèi)，通過水泥漿與周圍土體間的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土固結(jié)成具有一定整體性和一定強(qiáng)度的復(fù)合地基。與剛性樁相比，水泥攪拌樁的樁身強(qiáng)度可與樁的承載力相協(xié)調(diào)，樁身強(qiáng)度可充分發(fā)揮。同時(shí)，水泥攪拌樁還具有施工工期短、適用范圍廣、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。

某電廠國(guó)產(chǎn)1×330MW循環(huán)流化床機(jī)組擴(kuò)建工程位于發(fā)電廠原老廠房處，緊靠1×200MW循環(huán)流化床機(jī)組東面。擬建冷卻塔位于原老廠的灰?guī)靺^(qū)，灰?guī)靺^(qū)內(nèi)的地層為新近沉積的粉煤灰灰渣，欠固結(jié)，地基承載力低，不能采用天然地基，需進(jìn)行地基加固處理。從對(duì)常用鉆孔灌注樁、預(yù)制樁及水泥攪拌樁做經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性比較分析，本工程首選水泥攪拌樁法對(duì)其進(jìn)行地基處理，在該地區(qū)也是首次應(yīng)用于此類深厚軟弱粉煤灰地層。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)條件

（1）粉煤灰（Q4ml）：灰黑色，濕，稍密，層厚 10.5米，天然重度r=14kN/m3，壓縮模量Es1-2=4.0MPa，承載力特征值fak=60kPa。

（2）粉質(zhì)粘土（Qal4）：黃褐色、棕黃色，軟 -可塑，層厚7.8米，天然重度r=19.0kN/m3，凝聚力c=22kPa，內(nèi)摩擦角 φ=12°，壓縮模量 Es1-2=6.0MPa，承載力特征值 fak=150kPa。

（3）中粗砂混粘性土（Qal+pl3）：棕黃，很濕，稍密-中密，混20～30%粘性土，混少量礫卵石，層厚2.0米，天然重度 r=19.5kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ=28°，承載力特征值 fak=180kPa。

1.2 水文地質(zhì)條件

擬擴(kuò)建冷卻塔地處袁河階地，受烏龜山地形及電廠工業(yè)排水、大氣降水等影響，其地下水主要有上層滯水及孔隙潛水二層，上層滯水存在于（1）粉煤灰中，其下粉質(zhì)粘土層為相對(duì)隔水層。該水補(bǔ)給來源為工業(yè)廢水及大氣降水，排泄于地表及低洼養(yǎng)魚塘。地下水初見水位8.5米，地下水穩(wěn)定水位7.2米。

1.3 工程設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求攪拌樁復(fù)合地基承載力需滿足180kPa、粉煤灰水泥土強(qiáng)度滿足1.8MPa、單樁承載力特征值滿足200kN以上等條件。

2 粉煤灰對(duì)水泥土加固機(jī)理的影響

水泥攪拌樁的加固機(jī)理是將水泥和軟土拌合，使軟土硬化成水泥土，以達(dá)到地基加固的目的。水泥土強(qiáng)度主要來源于兩個(gè)方面：水泥本身的水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用；水泥水化時(shí)產(chǎn)生的Ca（OH）2與土中活性物質(zhì)之間的硬凝反應(yīng)所產(chǎn)生的水化物的膠結(jié)作用。

周圍的土介質(zhì)對(duì)水泥本身的硬化過程是有影響的，從而影響水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)。土質(zhì)會(huì)對(duì)OH-，CaO，Ca2+產(chǎn)生吸收作用，導(dǎo)致水泥土孔隙水中Ca（OH）2是不飽和的，降低了CSH生成量，致使水泥土強(qiáng)度降低，并且不同土質(zhì)對(duì)這些離子的吸收量不同，導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度不同。

粉煤灰作為改性的摻合料在水泥土中應(yīng)用較為廣泛，相關(guān)理論表明，水泥土強(qiáng)度提高原因在于粉煤灰的二次水化反應(yīng)和CaO，MgO等成分在水化過程中產(chǎn)生的膨脹擠密作用，摻入粉煤灰的水泥土強(qiáng)度提高1.0倍以上。

在本工程中，運(yùn)用水泥攪拌樁對(duì)粉煤灰地基進(jìn)行加固，在設(shè)計(jì)過程中充分考慮了粉煤灰對(duì)水泥土加固效果的影響，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和加固效果。

3 配合比試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)配合比試驗(yàn)

樁體強(qiáng)度取決于被加固土體的密實(shí)度、含水量和水泥的滲入量，保證樁體水泥土的強(qiáng)度是深層攪拌樁成敗的關(guān)鍵因素。根據(jù)規(guī)范［3］，在攪拌樁施工前現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)粉煤灰進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥的摻入量達(dá)14%時(shí)，水泥土28天的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)1.8MPa，其強(qiáng)度可滿足設(shè)計(jì)要求，其中水泥滲入比是根據(jù)室內(nèi)配合比試驗(yàn)中粉煤灰干容重為950kg/m3來配制的。

3.2 施工配合比試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)配合比試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行施工水泥配合計(jì)算，水泥滲入比是根據(jù)室內(nèi)配合比試驗(yàn)中粉煤灰干容重為950kg/m3來配制的。

但在對(duì)第一組攪拌樁進(jìn)行抽芯檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)較多樁體存在水泥漿與粉煤灰膠結(jié)較差等情況，綜合分析為水泥摻入量過低是其原因之一（粉煤灰層存在上層滯水，粉煤灰含水量較大），故決定在第二組攪拌樁施工時(shí)，調(diào)整水泥用量，采用的水泥滲入比是根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)按粉煤灰濕容重為1400kg/m3來配制的。

4 施工工藝

4.1 樁參數(shù)及布置形式

本次試驗(yàn)共完成40根攪拌樁，樁徑均為0.7m。其中第一組25根攪拌樁樁長(zhǎng)為18.2m，樁端持力層為（3）中粗砂混粘性土；第二組15根攪拌樁樁長(zhǎng)為15m，樁端持力層為（2）粉質(zhì)粘土層。

試驗(yàn)區(qū)水泥攪拌樁布置按正方形布置，試驗(yàn)分為S1.1和S1.2兩個(gè)區(qū)，S1.1區(qū)為樁間距1.1m，S1.2區(qū)1.2m。

4.2 施工工藝及控制措施

（1）成樁工藝。試驗(yàn)樁施工采用單軸攪拌樁，成樁采用兩次噴漿、四次攪拌工藝。即首次下沉全噴漿攪拌-首次提升全噴漿攪拌-二次下沉全攪拌-二次提升全攪拌。

（2）水泥滲入量的控制?？紤]到粉煤灰與軟土性質(zhì)不同，其水泥土的強(qiáng)度初期增長(zhǎng)較快，故本次工程采用齡期為28天的水泥土強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)控制強(qiáng)度要求，根據(jù)室內(nèi)配合比試驗(yàn)報(bào)告，其水泥的摻入量達(dá)14%時(shí)，其水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)1.8MPa，其強(qiáng)度可滿足設(shè)計(jì)要求。考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工和室內(nèi)配制有一定的差別，在第一組試驗(yàn)樁水泥摻入量采用16%，經(jīng)過抽芯檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)水泥漿與粉煤灰膠結(jié)較差，故增加了第二組試驗(yàn)樁。

（3）樁長(zhǎng)的施工控制。根據(jù)設(shè)計(jì)要求水泥攪拌樁的樁端應(yīng)進(jìn)入設(shè)計(jì)規(guī)定持力層，施工樁長(zhǎng)主要按勘測(cè)資料并結(jié)合電流所顯示電流值來綜合確定，一般情況下，攪拌樁下沉?xí)r電流表顯示電流大于43A時(shí)（在粉煤灰段電流值為20～30A），可認(rèn)為達(dá)到持力層，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)入持力層一定深度。

（4）樁身攪拌均勻性的控制。水泥攪拌樁樁身質(zhì)量的均勻性于攪拌機(jī)攪拌速率、提升速度和噴漿壓力有很大的影響；第一組試驗(yàn)樁施工的噴漿壓力為（0.1～0.4）MPa，第二組試驗(yàn)樁施工的噴漿壓力為（0.2～0.5）MPa。

5 質(zhì)量檢測(cè)及工程效果

按照國(guó)家規(guī)范進(jìn)行了水泥攪拌樁的試驗(yàn)工作，內(nèi)容包括靜載荷試驗(yàn)、鉆孔抽芯和輕便動(dòng)力初探試驗(yàn)。

5.1 質(zhì)量檢測(cè)

（1）靜載荷試驗(yàn)。本次冷卻塔試驗(yàn)區(qū)攪拌樁靜載試驗(yàn)水泥攪拌樁靜載荷試驗(yàn)在成樁28天后進(jìn)行，共做了3根攪拌樁單樁靜載試驗(yàn)（樁1-1、2-1、2-4）、S1.1區(qū)三點(diǎn)復(fù)合地基靜載試驗(yàn)（樁 4-1、4-3、4-4）、S1.2區(qū)三點(diǎn)復(fù)合地基靜載試驗(yàn)（樁 6-1、7-1、8-1）。

各試驗(yàn)點(diǎn)在最大荷載作用下樁頂（或載荷板）的最大沉降、卸載殘余沉降和回彈率見表1～2。

表1 攪拌樁單樁荷載試驗(yàn)成果表

表2 攪拌樁復(fù)合地基荷載試驗(yàn)成果分析總表

由上述各表可知，1-1、2-1、2-4攪拌樁有效樁長(zhǎng)17.2m，樁徑0.7m，樁端持力層為（3）中粗砂混粘性土，入持力層深度0.7m。最大加荷分別為650kN、600kN、550kN，樁頂最大沉降量均小于5.0mm；卸載后，三根樁的平均回彈率為65.9%，殘余變形很小。

兩個(gè)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)表明有效樁長(zhǎng)、承載力特征值以及載荷板回彈量均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（2）輕便動(dòng)力觸探試驗(yàn)。本工程采用輕便動(dòng)力觸探試驗(yàn)及雙橋靜力觸探試驗(yàn)，按規(guī)范對(duì)攪拌樁隨機(jī)抽查，共檢測(cè)10根樁，7天齡期攪拌樁的擊數(shù)為50～70擊，大于原灰渣地基的擊數(shù)的1倍以上，樁身強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）抽芯試驗(yàn)。在對(duì)第一組攪拌樁25根樁進(jìn)行了5根樁的抽芯檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)粉煤灰段樁體大都存在水泥土強(qiáng)度不均勻，見圖1，強(qiáng)度差異很大，在攪拌樁淺部（從樁頂至5米左右）水泥土質(zhì)量較好見圖2，芯樣表面光滑，質(zhì)密，強(qiáng)度較高，28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)2MPa以上，絕大多數(shù)在7～12MPa之間，但在粉煤灰中段樁體強(qiáng)度低，水泥土基本呈粉煤灰狀，未膠結(jié)，很少見水泥漿石，在粉煤灰下段樁體強(qiáng)度也較好，局部芯樣表面粗糙、麻面等現(xiàn)象，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也均在1.5MPa以上。

根據(jù)對(duì)第一組攪拌樁取芯檢測(cè)情況，綜合分析認(rèn)為：第一組攪拌樁施工質(zhì)量存在上述問題的主要原因是施工參數(shù)采用不當(dāng)，攪拌噴漿時(shí)壓力不夠（0.1～0.4MPa），在飽水粉煤灰段攪拌噴漿時(shí)提升過快等原因造成，另外根據(jù)室內(nèi)配合比試驗(yàn)所確定的水泥摻入量也較低，低于處理其它土質(zhì)的水泥摻入量，水泥摻入量較低增加了成樁水泥土強(qiáng)度均勻性的難度。

在綜合分析了第一組攪拌樁施工質(zhì)量原因之后，增加了第二組攪拌樁試驗(yàn)，在施工中調(diào)整了施工工藝，攪拌噴漿壓力調(diào)整為0.2～0.5MPa，噴漿提升速度由0.7m/min改為0.5m/min，水泥用量改為按粉煤灰濕容重1400kg/m3的17%～20%來控制。待28天養(yǎng)護(hù)期后，對(duì)這批試驗(yàn)攪拌樁進(jìn)行了6根樁的抽芯檢測(cè)，從抽芯檢測(cè)來看，粉煤灰段水泥土芯樣表面光滑、質(zhì)密，見圖3，取了2～3.5m范圍內(nèi)的24組芯樣，6～8m、9～10m范圍內(nèi)的芯樣組6組進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表 7，強(qiáng)度在 12.2MPa以上，強(qiáng)度較高且較均勻，整個(gè)粉煤灰段水泥土處理效果好。

圖3 第二組抽芯芯樣

通過對(duì)兩組攪拌樁的抽芯試驗(yàn)，認(rèn)為影響攪拌樁在軟弱粉煤灰地基中的質(zhì)量的因素有以下兩個(gè)方面：①施工工藝。對(duì)于該類型粉煤灰地基，噴漿壓力與噴漿提升速度是關(guān)鍵因素。噴漿壓力不得低于0.2～0.5MPa；噴漿提升速度應(yīng)該減小，特別是在在飽水粉煤灰段，第二組攪拌樁施工時(shí)噴漿提升速度為0.5m/min，噴漿壓力為0.2～0.5MPa，攪拌效果得到明顯改善；②水泥摻入量。現(xiàn)場(chǎng)施工與室內(nèi)配制存在一定差異，為了保證成樁質(zhì)量，應(yīng)在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高水泥的摻入量，另外應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)粉煤灰層含水量問題，在進(jìn)行配合比計(jì)算時(shí)，需采用粉煤灰的濕容重；第二組攪拌樁進(jìn)行配合比計(jì)算時(shí)采用粉煤灰濕容重1400kg/m3，水泥的摻入量用粉煤灰濕容重1400kg/m3的17%～20%來控制，攪拌樁在粉煤灰段水泥土芯樣表面光滑，質(zhì)密，強(qiáng)度均勻且在12.2MPa以上。

5.2 工程效果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，第二組攪拌樁強(qiáng)度均勻，單樁承載力與復(fù)合地基承載力均大于設(shè)計(jì)要求。故該工程采用第二組攪拌樁配合比及施工工藝參數(shù)，即樁間距1.1m的攪拌樁復(fù)合地基，樁長(zhǎng)可調(diào)整為15米，樁端持力層為（2）粉質(zhì)粘土層，入持力層深度3m以上。攪拌噴漿壓力為0.2～0.5MPa，噴漿提升速度為0.5m/min，水泥摻入量按粉煤灰濕容重為1400kg/m3的20%來控制，該工程于2006年下半年竣工，至今使用情況良好，未發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)有較大沉降，符合設(shè)計(jì)及施工規(guī)范要求。

工程實(shí)踐表明，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基加固深厚軟弱灰渣地層，在提高地基土的承載力及減少地基變形上均能滿足設(shè)計(jì)及有關(guān)規(guī)范要求，達(dá)到了地基處理目的。造價(jià)方面，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基與一般樁基相比節(jié)省約30%的基礎(chǔ)造價(jià)，工期縮短約20%。

6 結(jié)語

從本工程水泥攪拌樁在軟弱粉煤灰地基的應(yīng)用可以得出如下結(jié)論：①在深厚粉煤灰基礎(chǔ)地區(qū)建造高層建筑時(shí)，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基作基礎(chǔ)地基加固，可以充分發(fā)揮粉煤灰對(duì)水泥土強(qiáng)度的提高的作用，能夠取得較好的加固效果及經(jīng)濟(jì)效果；②水泥攪拌樁設(shè)計(jì)施工前的室內(nèi)試塊試驗(yàn)相當(dāng)必要，可為設(shè)計(jì)與施工提供摻入量的參考指標(biāo)，但應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)施工與室內(nèi)配制存在一定差異，為了保證成樁質(zhì)量，應(yīng)在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高水泥的摻入量；③對(duì)比第一組攪拌樁與第二組攪拌樁的情況來看，對(duì)于粉煤灰地基，噴漿壓力與噴漿提升速度是關(guān)鍵因素。噴漿壓力不得低于0.2～0.5MPa；噴漿提升速度應(yīng)該減小，特別是在在飽水粉煤灰段；④重視場(chǎng)地地下水位，并應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)粉煤灰層含水量問題，在進(jìn)行配合比計(jì)算時(shí)，需采用粉煤灰的濕容重。

［1］《地基處理手冊(cè)》編寫委員會(huì).地基處理手冊(cè)（第二版）［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

［2］YBJ225-1991 軟土地基深層攪拌加固法技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］DL/T5024-2002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］付全成.水泥攪拌樁復(fù)合地基加固軟基性狀的試驗(yàn)研究［D］.河海大學(xué)，2006.