五軸水泥土攪拌樁不同成樁模式的對(duì)比分析

周玉石

1. 上海城地建設(shè)股份有限公司 上海 200062；2. 上海城地巖土設(shè)計(jì)有限公司 上海 200062

水泥土攪拌法在軟土地區(qū)應(yīng)用十分廣泛，主要原因在于該法將水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過(guò)特制的深層攪拌樁機(jī)械，在地基土中將土和固化劑強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使之硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，其機(jī)理明確，且相對(duì)其他工藝施工效率較高[1]。

目前，一般基坑圍護(hù)止水和地基加固多采用二軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁（SMW工法）。二軸水泥土攪拌樁（簡(jiǎn)稱“二軸攪拌樁”）施工工藝在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，不但可作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)重力式擋墻或止水帷幕，也可作為基底加固措施。二軸攪拌樁攪拌深度理論上可達(dá)到18 m，但施工過(guò)程中由于攪拌樁成樁設(shè)備本身的問(wèn)題，施工效率較低，成樁質(zhì)量較難控制；三軸水泥土攪拌樁（簡(jiǎn)稱“三軸攪拌樁”）在20世紀(jì)90年代從日本引進(jìn)到國(guó)內(nèi)時(shí)主要是施工SMW工法用的，施工工藝中采用大水灰比設(shè)計(jì)，水泥土漿液流動(dòng)性好，便于H型鋼植入。該種攪拌樁漿液攪拌均勻，止水效果較好，且攪拌深度也較大，理論上可達(dá)到33 m。但三軸攪拌樁在成樁過(guò)程中有較大的溢漿現(xiàn)象，大量水泥成為置換土被浪費(fèi)。此外，大水灰比的水泥漿又將導(dǎo)致樁體強(qiáng)度降低[2-5]。

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇及機(jī)械設(shè)備性能的不斷提升，在水泥土攪拌法施工領(lǐng)域出現(xiàn)了工效更高的五軸水泥土攪拌樁施工機(jī)械。但目前，在施工環(huán)節(jié)中我們可以看到2種外觀類似但設(shè)備性能、工藝參數(shù)、施工流程均不同的五軸水泥土攪拌樁施工設(shè)備。筆者根據(jù)2種攪拌樁機(jī)械的不同成樁機(jī)理加以區(qū)分，分別稱其為置換式五軸水泥土攪拌樁（簡(jiǎn)稱“置換式五軸樁”，圖1）和強(qiáng)制攪拌式五軸水泥土攪拌樁（簡(jiǎn)稱“強(qiáng)制攪拌五軸樁”，圖2）。

圖1 置換式五軸水泥土攪拌樁設(shè)備

圖2 強(qiáng)制攪拌式五軸水泥土 攪拌樁設(shè)備

1 置換式五軸樁

水泥土攪拌法置換式成樁我們可以理解為：在固化劑注入的過(guò)程中調(diào)大水灰比（通常認(rèn)為水灰比大于1.5即為大水灰比），保證所形成的水泥土漿液具有較好的流動(dòng)性。鉆桿及攪拌葉片運(yùn)動(dòng)一方面保證鉆桿向下鉆進(jìn)，另一方面使得水泥土漿液不斷地上下左右流動(dòng)。通過(guò)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)固化劑與土體的充分、均勻拌和。這個(gè)過(guò)程中由于水摻入得較多，因此含有固化劑的置換土也大量的從孔內(nèi)被排出，產(chǎn)生較多的置換土。為了保證所形成的攪拌樁具有設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和抗?jié)B性能，采用該種方法所需的水泥摻量較高（三軸水泥土攪拌樁水泥摻量在20%～22%）。

置換式五軸樁是沿用三軸水泥土攪拌樁的成樁機(jī)理及工藝參數(shù)，采用大水灰比及較多水泥摻量的施工工藝。它是在原有三軸水泥土攪拌樁機(jī)械設(shè)備的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，增加了2根鉆桿，施工的功率大幅提高。但置換土多的問(wèn)題仍然存在，置換量通常是加固量的35%～60%。

目前該類設(shè)備樁徑多為850 mm，鉆孔中心距為600 mm[6]。

2 強(qiáng)制攪拌五軸樁

在攪拌樁施工過(guò)程中，在固化劑注入后利用鉆桿驅(qū)動(dòng)的攪拌葉片將土體和固化劑在原位進(jìn)行高強(qiáng)度充分拌和。在此過(guò)程中，土體與固化劑的混合物通常不具備較好的流動(dòng)性。固化劑分布的均勻性則是通過(guò)改進(jìn)噴漿模式及加大攪拌強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此類成樁模式我們可以認(rèn)為是強(qiáng)制攪拌式成樁。該類攪拌樁效果的控制指標(biāo)是單點(diǎn)切割次數(shù)。

強(qiáng)制攪拌五軸樁是將二軸水泥土攪拌樁強(qiáng)制攪拌式成樁的機(jī)理與三軸水泥土攪拌樁“一上一下、兩噴兩攪”的施工工藝流程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成的一種獨(dú)特的強(qiáng)制攪拌式五軸水泥土攪拌樁機(jī)械和工藝。它選用了較小的水灰比（0.8～1.2），水泥摻量也沿用了二軸水泥土攪拌樁的用量，即13%。由于摻入的固化劑總量相對(duì)較少，故攪拌樁施工過(guò)程中產(chǎn)生的置換土也較少，通常低于總加固量的5%。

目前該類設(shè)備樁徑有2種，分別為700、800 mm，鉆孔中心距為500 mm[7]。

3 不同成樁模式五軸水泥土攪拌樁施工工藝對(duì)比

工藝是將原材料或半成品加工成產(chǎn)品的方法、技術(shù)等。而施工工藝則是選擇適當(dāng)?shù)牟牧?、機(jī)械，通過(guò)合適的施工方法及具體步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的工程產(chǎn)品。為了理解以上2種五軸水泥土攪拌樁的區(qū)別，我們需要細(xì)致地剖析這2種工藝的設(shè)備（表1）、施工方法及步驟的差異。

表1 2種五軸樁設(shè)備的差異

3.1 設(shè)備的差異

從表1可知，雖然設(shè)備外觀類似，但是在設(shè)備性能指標(biāo)上還是有很多不同的。下面就具體指標(biāo)進(jìn)行深入分析：

1）雖然強(qiáng)制攪拌五軸樁直徑比置換式五軸樁小50 mm，但形成的攪拌樁止水帷幕墻體卻厚22 mm，總體攪拌樁方量在減少的情況下，增加了止水的可靠性（圖3、圖4）。

圖3 置換式五軸樁成孔示意

圖4 強(qiáng)制攪拌五軸樁成孔示意

2）鉆桿直徑及鉆桿攪拌段長(zhǎng)度有較大區(qū)別。置換式五軸樁鉆桿直徑大，且設(shè)置攪拌葉片的鉆桿長(zhǎng)度大，此種設(shè)置可保證水泥土漿液在施工過(guò)程中一直保持流動(dòng)的狀態(tài)。強(qiáng)制攪拌五軸樁通過(guò)減少鉆桿直徑及減短攪拌段長(zhǎng)度進(jìn)而減少鉆桿與土體之間的摩擦力，使得動(dòng)力需求達(dá)到較為經(jīng)濟(jì)的水平。

3）強(qiáng)制攪拌五軸樁通過(guò)動(dòng)力需求分析，選擇了與三軸攪拌樁相近的380 kW的整體功率，與置換式五軸樁相比具有更好的現(xiàn)場(chǎng)用電適應(yīng)性。

4）強(qiáng)制攪拌五軸樁相對(duì)于置換式五軸樁在抱箍及保持架方面均增加了1道，增加了樁體垂直度的可靠性。

5）使用智能化監(jiān)控設(shè)備提升了攪拌樁質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3.2 工藝及施工步驟的差異

2種五軸樁的工藝如表2所示。從表2可知，2種不同的五軸樁工藝有較大不同，這源于它們各自成樁模式的不同，但施工步驟區(qū)別并不大，只是施工過(guò)程中置換式五軸樁需要打氣，且5根鉆桿中2根噴氣、3根噴漿，而強(qiáng)制攪拌五軸樁的5根鉆桿均噴漿。

置換式五軸樁施工工藝流程為：場(chǎng)地平整→測(cè)量放線，開(kāi)溝槽→樁機(jī)就位→樁機(jī)復(fù)測(cè)→啟動(dòng)自動(dòng)送漿系統(tǒng)、送漿，啟動(dòng)空壓機(jī)送氣，啟動(dòng)鉆機(jī)掘進(jìn)攪拌→正轉(zhuǎn)掘進(jìn)攪拌噴漿70%至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高→在設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高上下0.5～1.0 m區(qū)間進(jìn)行復(fù)攪→反轉(zhuǎn)提鉆攪拌噴漿30%至樁頂標(biāo)高→一組結(jié)束，移至第二組繼續(xù)施工。強(qiáng)制攪拌五軸樁施工工藝流程為：場(chǎng)地平整→測(cè)量放線，開(kāi)溝槽→樁機(jī)就位→樁機(jī)復(fù)測(cè)→啟動(dòng)自動(dòng)送漿系統(tǒng)、送漿，啟動(dòng)鉆機(jī)、掘進(jìn)攪拌→開(kāi)啟集成計(jì)算系統(tǒng)監(jiān)控成樁關(guān)鍵控制參數(shù)→正轉(zhuǎn)打開(kāi)下噴漿口，關(guān)閉上噴漿口，掘進(jìn)攪拌噴漿70%至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高→在設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高上下0.5～1.0 m區(qū)間進(jìn)行復(fù)攪→反轉(zhuǎn)打開(kāi)上噴漿口，關(guān)閉下噴漿口，提鉆攪拌噴漿30%至樁頂標(biāo)高→一組結(jié)束，移至第二組繼續(xù)施工。

表2 2種五軸樁工藝差異

4 案例分析

4.1 工程概況

董家渡某地塊項(xiàng)目位于上海黃浦區(qū)，地上建筑由6棟住宅塔樓、1棟酒店公寓、1棟2層設(shè)備用房構(gòu)成。整體設(shè)地下2層車庫(kù)。由于拆遷問(wèn)題，該項(xiàng)目基坑分區(qū)進(jìn)行實(shí)施。基坑開(kāi)挖深度為9.7～10.51 m，局部落深在1.2～1.5 m?；訃o(hù)總體采用排樁結(jié)合坑內(nèi)2道鋼筋混凝土支撐的形式。

本工程場(chǎng)地為典型的上海軟土地層，地基土主要由軟弱的黏土、中密-密實(shí)的砂土和粉土組成。該工程土層較為特殊的情況為①3層灰黃色黏質(zhì)粉土，俗稱“江灘土”，分布較廣且層厚在0.6～5.2 m之間。此外②3層灰色黏質(zhì)粉土在場(chǎng)地內(nèi)普遍分布，厚度最大達(dá)17 m。①3層、②3層滲透性均較好，在水頭壓力作用下易發(fā)生管涌、流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

4.2 方案及設(shè)備選型分析

4.2.1 比選的前置條件

初期基坑圍護(hù)形式綜合比選時(shí)，根據(jù)工程安全、經(jīng)濟(jì)、合理的原則，圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式在鉆孔灌注樁結(jié)合φ850 mm水泥土攪拌樁止水帷幕與φ850 mm的SMW工法2種方案中進(jìn)行選?。ɑ觾?nèi)均采用2道鋼筋混凝土支撐）?？紤]到工程的特殊性，比選時(shí)著重考慮以下邊界條件：

1）地塊周邊環(huán)境較為復(fù)雜，特別是場(chǎng)地內(nèi)還有需要保護(hù)的歷史性建筑“沈宅”。

2）地層情況較為復(fù)雜，①3層、②3層滲透性均較好，且項(xiàng)目距黃浦江較近，如以上2個(gè)土層與江水存在水力聯(lián)系，則基坑出現(xiàn)滲漏水時(shí)情況更為危險(xiǎn)。

3）由于拆遷問(wèn)題，該項(xiàng)目基坑分區(qū)進(jìn)行實(shí)施，建設(shè)單位施工成本極高。方案比選時(shí)應(yīng)在確保基坑安全的前提下選取較為經(jīng)濟(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

4）由于整個(gè)基坑分區(qū)達(dá)11個(gè)，前期施工完成的圍護(hù)樁體在施工相鄰基坑時(shí)均存在超出圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙中規(guī)定年限的問(wèn)題，部分已重新評(píng)審。因此，后續(xù)施工工期極為緊張。

4.2.2 圍護(hù)方案比選

1）鉆孔灌注樁結(jié)合φ850 mm水泥土攪拌樁止水帷幕。該方案的優(yōu)點(diǎn)較為突出，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁體剛度大，開(kāi)挖過(guò)程中可較好地控制環(huán)境變形；水泥土攪拌樁止水帷幕位于鉆孔灌注樁外側(cè)，不容易出現(xiàn)受力開(kāi)裂滲漏的情況。但同時(shí)該方案的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)：

① 造價(jià)高。單從每延米豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件造價(jià)對(duì)比中鉆孔灌注樁就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于SMW工法。且由于拆遷問(wèn)題，地塊分區(qū)實(shí)施，在采用鉆孔灌注樁加水泥土攪拌樁止水的方案時(shí)，水泥土攪拌樁止水帷幕需在圍護(hù)鉆孔灌注樁樁體兩側(cè)均布設(shè)，工程量大幅增加。

② 施工速度慢。本圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案由2種工藝組合而成，需先施工φ850 mm水泥土攪拌樁后再跟進(jìn)施工鉆孔灌注樁。施工工期較SMW工法長(zhǎng)。

2）φ850 mm的SMW工法。該方案相對(duì)于鉆孔灌注樁方案有一定的造價(jià)優(yōu)勢(shì)，且施工速度也較快。但同時(shí)也存在以下缺點(diǎn)：

① 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較弱。在控制周邊環(huán)境變形的能力上，SMW工法較鉆孔灌注樁方案是相對(duì)較弱的。此外，設(shè)計(jì)人員及專家也擔(dān)心變形過(guò)大后作為止水帷幕的水泥土攪拌樁會(huì)開(kāi)裂滲水。

② 地層情況的特殊性決定水泥土攪拌樁工藝參數(shù)應(yīng)慎重選取。場(chǎng)地分布土層砂性重，常規(guī)水泥土攪拌樁在施工過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)離析、砂土成層的情況。由于工程距黃浦江距離較近，水力補(bǔ)給可能很充分。若出現(xiàn)攪拌樁攪拌不均，砂土沉積成層導(dǎo)致滲漏則后果不堪設(shè)想。

4.2.3 設(shè)備優(yōu)選

經(jīng)過(guò)多輪的討論，方案的選取方向確定為在安全的前提下充分考慮造價(jià)及工期等因素。設(shè)計(jì)人員通過(guò)計(jì)算，確定SMW工法可滿足工程安全需要，可作為進(jìn)一步討論的方案。設(shè)計(jì)人員聯(lián)合施工人員在深入研究分析機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)的情況下確定最終方案。

如采用SMW工法，目前可選取的機(jī)械設(shè)備（表3）有以下幾種：常規(guī)φ850 mm三軸樁、φ850 mm置換式五軸樁、φ800 mm強(qiáng)制攪拌五軸樁。

表3 實(shí)例工程中可選機(jī)械性能比選

根據(jù)對(duì)以上機(jī)械設(shè)備性能的分析，設(shè)計(jì)人員提出了緊密依托φ800 mm強(qiáng)制攪拌五軸樁植入H700型鋼的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案。該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于φ800 mm強(qiáng)制攪拌五軸樁鉆桿軸距為500 mm，型鋼插入的根數(shù)是φ850 mm三軸攪拌樁或φ850 mm置換式五軸樁（軸距均為600 mm）的1.2倍。有效增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)控制變形的能力。

2）由于強(qiáng)制攪拌五軸樁采用13%～15%的水泥摻量，攪拌樁樁體造價(jià)低于φ850 mm三軸攪拌樁和φ850 mm置換式五軸樁。雖然型鋼數(shù)量增加了，但工程總體造價(jià)較鉆孔灌注樁結(jié)合水泥土攪拌樁止水帷幕的方案有較大的優(yōu)勢(shì)。

3）由于強(qiáng)制攪拌五軸樁采用較小的水灰比（0.8～1.2），較好地解決了砂性土中水泥土攪拌樁可能出現(xiàn)的砂土離析、成層的問(wèn)題。此外，φ800 mm強(qiáng)制攪拌五軸樁較φ850 mm三軸攪拌樁或φ850 mm置換式五軸樁止水帷幕厚22 mm，進(jìn)一步減小了止水帷幕滲漏的可能性。

4.3 工程實(shí)施中問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)及解決

強(qiáng)制攪拌五軸樁水灰比較小，成樁后水泥土流動(dòng)性較差，型鋼依靠自重僅插入1/3～1/2樁長(zhǎng)[3]。為保證型鋼能順利沉至標(biāo)高，現(xiàn)場(chǎng)初期采用高頻振動(dòng)錘輔助沉樁。雖然高頻振動(dòng)錘可以有效減少對(duì)周邊環(huán)境（包括歷史性保護(hù)建筑）的影響，但型鋼植入過(guò)程中由于僅有下部限位器一個(gè)約束點(diǎn)，垂直度較難保證。

針對(duì)以上問(wèn)題，施工中通過(guò)調(diào)整型鋼植入設(shè)備，采用靜壓的方式來(lái)施工，有效地確保了型鋼垂直度，通常垂直度可達(dá)1/250。由于是采用液壓驅(qū)動(dòng)，施工過(guò)程中無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲，文明施工得到好評(píng)。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上對(duì)2種不同成樁模式的五軸水泥土攪拌樁施工設(shè)備、工藝的對(duì)比分析，加之對(duì)實(shí)例中圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案、設(shè)備選型分析及結(jié)果驗(yàn)證，可以進(jìn)一步得到以下結(jié)論：

1）置換式五軸樁和強(qiáng)制攪拌五軸樁雖然外觀較相似，但在設(shè)備各部分組成特性、施工工藝參數(shù)及流程上均存在較大差異，應(yīng)屬于2種不同的水泥土攪拌樁類型。

2）置換式五軸樁無(wú)論設(shè)備特性，還是施工工藝參數(shù)流程上均與三軸攪拌樁極為相似，可以認(rèn)為其是三軸攪拌樁的一種衍生產(chǎn)品，可參照三軸攪拌樁進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工。而強(qiáng)制攪拌五軸樁既不同于二軸攪拌樁，也不同于三軸攪拌樁，可以認(rèn)為是一種全新的攪拌樁工藝。

3）強(qiáng)制攪拌五軸樁較置換式五軸樁有以下優(yōu)勢(shì)：

① 強(qiáng)制攪拌五軸樁工程造價(jià)更便宜，不但節(jié)約了7%的水泥，而且減少了置換土的外運(yùn)費(fèi)用。

② 一方面，強(qiáng)制攪拌五軸樁采用了小水灰比，在水泥的使用量上更加節(jié)約，攪拌樁的強(qiáng)度較高，抗?jié)B性能較強(qiáng)；另一方面，設(shè)備上攪拌葉片集中在鉆桿端部且分布較密，有效地增加了攪拌強(qiáng)度，保證了攪拌樁底部的施工質(zhì)量。

③ 強(qiáng)制攪拌五軸樁具有較小直徑的鉆桿及較短的攪拌葉片分布，這使得設(shè)備與土體接觸時(shí)的阻力有效減小。因此在配備動(dòng)力時(shí)僅用了2臺(tái)90 kW的電機(jī)，提升了該設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力。

4）由于2種五軸樁設(shè)備參數(shù)、工藝流程不同，也因此具有不同的適應(yīng)能力和造價(jià)水平。設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)針對(duì)工程特點(diǎn)合理選擇機(jī)械設(shè)備。

5）在與H型鋼結(jié)合形成SMW工法時(shí)，由于強(qiáng)制攪拌五軸樁水泥土黏稠，流動(dòng)性差，常規(guī)靠自重沉入H型鋼的方式不可取，應(yīng)選取特定的機(jī)械設(shè)備加以輔助，確保垂直度滿足設(shè)計(jì)要求。