復(fù)雜地層中水泥土攪拌樁的施工改進(jìn)措施

劉 鑫，陽(yáng) 康，常聚友

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

水泥土攪拌樁是指以水泥作為固化劑，通過(guò)深層攪拌機(jī)械，將固化劑與地基土強(qiáng)制攪拌，使軟弱土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的柱狀加固樁體，并與樁間土組成復(fù)合地基。水泥土攪拌樁具有施工簡(jiǎn)單、快速、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高軟土地基的穩(wěn)定性，減少和控制沉降量[1-2]。水泥土攪拌樁已發(fā)展成一種常用的軟弱地基處理方法，主要用于加固飽和軟黏土地基。大量工程實(shí)踐表明，水泥土攪拌樁在具備較多優(yōu)越性的同時(shí)，也存在其應(yīng)用上的弊端，如普遍存在地面冒漿導(dǎo)致水泥摻量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、成樁質(zhì)量問(wèn)題、水泥土難以攪拌均勻、處理深度偏淺等[3-5]。

本文針對(duì)目前水泥土攪拌樁施工中存在的問(wèn)題，結(jié)合具體的工程實(shí)踐，對(duì)雙向水泥土攪拌樁的常規(guī)施工工藝“一噴二攪”、“二噴四攪”[6]等提出改進(jìn)措施，有效保障成樁施工質(zhì)量。

1 工程概況

在新建徐鹽高速鐵路鹽城車站的地基加固處理中，一期工程設(shè)計(jì)采用雙向干噴法水泥土攪拌樁，二期工程設(shè)計(jì)采用雙向濕噴法水泥土攪拌樁。水泥土攪拌樁橫截面設(shè)計(jì)直徑0.5 m，樁長(zhǎng)13.5～14.0 m，樁距1.2 m，呈正三角形布置；采用P.O 42.5級(jí)水泥，水泥摻量為60 kg/m；成樁施工質(zhì)量設(shè)計(jì)要求90 d芯樣抗壓強(qiáng)度≥1.5 MPa，90 d單樁豎向承載力特征值≥97 kN。

該段地基加固范圍內(nèi)地面設(shè)計(jì)標(biāo)高為0，地下水位標(biāo)高為-2 m。鉆探揭露地層情況見(jiàn)表1。

表1 地層情況

2 改進(jìn)前試驗(yàn)樁施工工藝及施工質(zhì)量

2.1 改進(jìn)前水泥土攪拌樁施工工藝

在本工程正式施工前，先按常規(guī)“二噴四攪”的施工工藝采用雙向干噴法施工1排10根試驗(yàn)樁，樁長(zhǎng)13.5 m，編號(hào)為S1～S10。

施工完成后在每根樁頂?shù)孛嬗砍龅姆蹱钏嗤良s2.0 m×1.5 m×0.3 m。測(cè)得樁頂粉狀水泥土含水率為10.4%。

2.2 改進(jìn)前水泥土攪拌樁施工質(zhì)量

為評(píng)價(jià)水泥土攪拌樁的施工質(zhì)量及承載力，在試驗(yàn)樁施工完成后90 d，分別對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行低應(yīng)變反射波[7-9]、輕型動(dòng)力觸探[10-11]、鉆芯取樣、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如下：

1)目測(cè)S1,S5,S10樁頂外圍水泥土凝固較致密，但樁心水泥土凝固較松散。

2)采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行完整性檢測(cè)，均無(wú)樁底反射，且反射波曲線不規(guī)則，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行樁完整性評(píng)價(jià)。

3)選取樁S1,S5,S10做輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，20擊的貫入度分別為10，11，10 cm。

4)選取S1做單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，最大試驗(yàn)荷載200 kN，總沉降為48.62 mm，樁頂壓裂達(dá)破壞狀態(tài)，單樁豎向承載力特征值為90 kN不滿足≥97 kN的設(shè)計(jì)要求。

5)選取S5進(jìn)行鉆芯取樣，如圖1所示。樁深0～1.3 m 芯樣破碎，顏色呈褐色，芯樣抗壓強(qiáng)度0.5 MPa；樁深1.3～8.0 m芯樣節(jié)長(zhǎng)較短，表面較光滑，顏色呈褐色，芯樣抗壓強(qiáng)度2.8 MPa；樁深8.0～13.5 m芯樣節(jié)長(zhǎng)較長(zhǎng)，顏色呈灰色，表面光滑，芯樣抗壓強(qiáng)度2.9 MPa。芯樣抗壓強(qiáng)度不滿足≥1.5 MPa的設(shè)計(jì)要求。

圖1 試驗(yàn)樁鉆芯樣

按照常規(guī)“二噴四攪”施工的水泥土樁樁頂至地下水位以上部分易出現(xiàn)涌土及攪拌不均勻，樁身強(qiáng)度不均勻，樁身質(zhì)量差，單樁豎向承載力特征值不能滿足設(shè)計(jì)要求。這主要是因?yàn)榈叵滤灰陨贤翆又泻噬?，故必須增加地下水位以上攪拌土的含水率，使水泥土達(dá)到軟塑狀態(tài)，才能使樁身質(zhì)量均勻完整；而地下水位以下部分，雖然土層天然含水率為30%～32%，但在攪拌過(guò)程中有地下水可以補(bǔ)給，能夠使水泥土達(dá)到軟塑狀態(tài)。

3 施工配合比研究

按水泥土含水率為30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，65%，70%[12-13]分別制備3個(gè)70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm水泥土試塊，自然養(yǎng)護(hù)90 d后測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，含水率為35%，40%，45%的試塊抗壓強(qiáng)度值最高，分別為2.2，3.1，2.4 MPa。

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果，在室內(nèi)制作1個(gè)0.15 m×0.15 m×1.20 m含水率為40%的水泥土模型樁；同時(shí)制作3個(gè)試塊，實(shí)測(cè)含水率為38%，同條件養(yǎng)護(hù)90 d后，試塊抗壓強(qiáng)度分別為2.8，3.0，2.9 MPa。對(duì)模型樁進(jìn)行低應(yīng)變反射波和輕型動(dòng)力觸探測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：輕型動(dòng)力觸探20擊的貫入度為0。模型樁低應(yīng)變反射波曲線見(jiàn)圖2?？芍蛻?yīng)變反射波法樁底反射明顯，經(jīng)計(jì)算得出波速V=2 104 m/s。

圖2 模型樁低應(yīng)變反射波曲線

因此水泥土攪拌樁的最佳含水率為40.0%±2.0%(塑限為21.0%，液限為38.2%，達(dá)到軟塑狀態(tài)，手捏很軟)。

4 施工工藝改進(jìn)

根據(jù)地下水位以上粉質(zhì)黏土采取加水處理的措施，施工前先在樁位做1個(gè)直徑0.5 m、深0.5 m的試坑。在攪拌時(shí)，用帶有水龍頭的透明刻度儲(chǔ)水容器向試坑等速均勻加水，攪拌至地下水位后再返攪至地面，即“零噴二攪”，使地下水位以上的攪拌土達(dá)到軟塑狀態(tài)；然后再按常規(guī)的“二噴四攪”進(jìn)行施工。

在“零噴二攪”過(guò)程中，重點(diǎn)是加水量的控制。根據(jù)本工程情況，取地下水位以上粉質(zhì)黏土的干密度1.80 g/cm3，天然含水率15%，干土質(zhì)量為 450 kg/m，水泥摻量60 kg/m，灰土比為0.13，水泥土攪拌均勻后的干質(zhì)量為510 kg/m。若對(duì)地下水位以上水泥土含水率控制在38%，則每延米應(yīng)加水126.3 L，應(yīng)均勻加水使水泥土達(dá)到軟塑狀態(tài)。

5 改進(jìn)后水泥土攪拌樁施工質(zhì)量

根據(jù)上述工藝改進(jìn)措施及控制加水量，分別按干噴法和濕噴法各施工3根試驗(yàn)樁。施工完畢后地面基本未涌出粉狀水泥土，說(shuō)明水泥土攪拌均勻且拌入樁內(nèi)。

在試驗(yàn)樁施工完成后90 d，仍采用低應(yīng)變反射波、輕型動(dòng)力觸探、鉆芯取樣、單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)檢測(cè)樁身質(zhì)量及承載力。檢測(cè)結(jié)果如下：

1)目測(cè)干1—干3、濕1—濕3樁頂，樁頂水泥土凝固均勻密實(shí)。

2)低應(yīng)變反射波法樁底反射明顯，曲線規(guī)則，反射波波速大于 2 000 m/s，樁身完整性為Ⅰ類樁。其中干1、濕1樁低應(yīng)變反射波曲線見(jiàn)圖3，經(jīng)計(jì)算得出波速分別為V=2 052 m/s，V=2 012 m/s。

圖3 低應(yīng)變反射波曲線

3)輕型動(dòng)力觸探20擊貫入度均為0。

4)選取干2、濕2樁做單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，干2樁、濕2樁的單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)荷載-位移曲線見(jiàn)圖4。最大試驗(yàn)荷載均為194 kN，總沉降分別為4.53，4.87 mm。單樁豎向抗壓承載力特征值均滿足≥97 kN的設(shè)計(jì)要求。

圖4 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)荷載-位移曲線

5)選取干3、濕3樁鉆芯驗(yàn)證。樁深0～13.5 m內(nèi)，芯樣呈長(zhǎng)柱狀，顏色呈灰色，表面光滑，灰土攪拌均勻，如圖5所示。干3樁取1.1～1.5 m，7.0～7.5 m，12.0～12.5 m深度芯樣做抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為2.7，3.0，2.9 MPa；濕3樁取1.5～2.0 m，5.0～5.5 m，10.0～10.5 m深度的芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為3.0，3.1，2.8 MPa。芯樣抗壓強(qiáng)度均勻，且滿足≥1.5 MPa的設(shè)計(jì)要求。

圖5 樁鉆芯樣

6 結(jié)論與建議

1)復(fù)雜地層中水泥土攪拌樁的施工因其地下水位以上土層含水率低，按常規(guī)“二噴四攪”施工時(shí)，樁頂易出現(xiàn)涌土和攪拌不均勻，導(dǎo)致地下水位以上部分樁身質(zhì)量差。

2)在采用常規(guī)施工工藝前，先對(duì)地下水位以上土層進(jìn)行“零噴二攪”，同時(shí)向攪拌土中加水，控制加水量，使水泥土呈軟塑狀態(tài)，含水率達(dá)到38.0%，然后采用常規(guī)的施工工藝攪拌水泥土至均勻，可明顯提高樁身密實(shí)度、樁身質(zhì)量及單樁承載力。

3)建議通過(guò)以下檢測(cè)項(xiàng)目評(píng)價(jià)水泥土攪拌樁的施工質(zhì)量及單樁承載力：①目測(cè)樁頂水泥土凝固是否均勻密實(shí)(有無(wú)涌土現(xiàn)象)。②采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行樁身完整性檢測(cè)，若樁底反射明顯，反射波曲線規(guī)則，波速大于 2 000 m/s，則樁身完整性為Ⅰ類。③在樁頂進(jìn)行輕型動(dòng)力觸探評(píng)價(jià)20擊貫入度。④單樁豎向抗壓承載力能否滿足設(shè)計(jì)要求。⑤鉆芯芯樣是否呈長(zhǎng)柱狀，顏色是否呈灰色，表面是否光滑，芯樣抗壓強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。