砂置換型水泥攪拌樁在大液河水閘工程中的應(yīng)用

李劉雙

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

1 工程概況

大液河水閘位于海豐縣西南聯(lián)安鎮(zhèn)，工程為Ⅱ等大(2)型，船閘為Ⅶ(2)級(jí)。水閘共設(shè)9孔，單孔凈寬為12 m，水閘擋水總寬度為127 m，閘室結(jié)構(gòu)采用整體式，中部閘孔采用1孔1聯(lián)，左右岸閘孔采用2孔1聯(lián)，共5聯(lián)，水閘設(shè)計(jì)流量為1 717 m3/s，船閘按50 t級(jí)設(shè)計(jì)，為單線單級(jí)船閘。水閘、兩岸翼墻、消能工及船閘基礎(chǔ)均設(shè)計(jì)為砂置換型水泥攪拌樁基礎(chǔ)。水閘總平面布置示意見圖1所示。

2 工程地質(zhì)

閘址區(qū)范圍為大液河河床及一級(jí)堆積階地，地形較為平坦、開闊。水閘主體結(jié)構(gòu)下部地質(zhì)構(gòu)造根據(jù)地

圖1 水閘總體布置示意

勘鉆孔揭露，上部為原水閘人工回填砂礫石墊層，中部為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)中粗沙層、粉質(zhì)粘土層和中砂層，下部為沙卵礫石層，基巖為侏羅紀(jì)凝灰?guī)r。土層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)

該工程②-1層塑性指數(shù)為21.8，有機(jī)質(zhì)含量為4.5%，天然含水量為44.0%～63.5%，地基承載力特征值為55～80 kPa；③-1層塑性指數(shù)為12.9，有機(jī)質(zhì)含量幾乎為0，天然含水量為18.2%～28.3%，地基承載力特征值為60～80 kPa；③-3層地基承載力特征值為230～250 kPa；土體pH值為6.5～7.1，判定結(jié)果為無(wú)腐蝕～弱腐蝕。

3 砂置換型水泥攪拌樁的方案選擇

根據(jù)工程地質(zhì)情況，若采取換填方式進(jìn)行地基處理，應(yīng)對(duì)全部②-1地層進(jìn)行換填并對(duì)基礎(chǔ)下部的②-2、③-1、③-2層沉降及穩(wěn)定復(fù)核；若采用復(fù)合地基施工，可采用高壓旋噴樁、水泥攪拌樁濕法或CFG樁，樁端持力層選用③-3砂卵礫石層作為持力層。

采用水泥攪拌樁加固地基，因②-1地層為流塑狀淤泥及淤泥質(zhì)土，不宜作為攪拌樁施工地層，故可采用砂樁施工原理，通過在原樁位點(diǎn)施工不小于攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑規(guī)格的砂樁，施工深度為穿透②-1層且進(jìn)入下一地層0.5 m，使用中砂將樁身部位原本的淤泥、腐殖質(zhì)置換掉，隨后再施工水泥攪拌樁，相當(dāng)于水泥漿液直接與中砂結(jié)合，形成固結(jié)效果更好的水泥砂漿，大幅提升了成樁質(zhì)量與復(fù)合地基承載力。

采用換填方式處理地基，開挖換填深度約為1.10～11.60 m，成本極大，而采用復(fù)核地基施工，高壓旋噴樁成本為339元/m，CFG樁成本為202元/m，均高于砂置換型水泥攪拌樁144元/m；并且砂置換型水泥攪拌樁既可以應(yīng)用于聯(lián)排樁防滲墻，又可應(yīng)用于單樁加固地基，滿足該工程對(duì)于防滲及復(fù)合地基承載力的需求，而CFG樁常用施工單樁，高壓旋噴樁常用施工聯(lián)排樁防滲墻，砂置換型水泥攪拌樁進(jìn)行軟土地基處理兼顧兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以避免施工機(jī)械反復(fù)進(jìn)場(chǎng)產(chǎn)生的費(fèi)用。

4 砂置換型水泥攪拌樁的技術(shù)指標(biāo)

1) 砂置換型水泥攪拌樁，采用樁徑為Φ600 mm的水泥攪拌樁+砂樁，布設(shè)于建筑物底板下，采用正方形格柵式布樁，樁的縱橫間距為1.2 m，先打Φ600 mm砂樁穿透淤泥層，再在砂樁位置大Φ600攪拌樁穿透淤泥層進(jìn)入③-3層(或③-2層)1.0 m，平均樁長(zhǎng)為7.5～15 m，在底板下設(shè)0.4 m厚砂碎石墊層。

2) 砂樁施工用砂為中砂，相對(duì)密度不小于0.7；砂樁樁徑為Φ600 mm，樁底須穿透淤泥層且進(jìn)入下一地層50 cm；樁位偏差要求小于50 mm，垂直度允許偏差小于1%，樁徑、樁長(zhǎng)不小于設(shè)計(jì)值。

3) 水泥攪拌樁樁徑為Φ600 mm，攪拌樁采用水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5及以上的普通硅酸鹽水泥，水泥摻合量不小于20%，攪拌樁采用濕法施工，“四攪四噴”施工工藝，攪拌樁鉆進(jìn)速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。樁位偏差要求小于50 mm，垂直度允許偏差小于1%，樁徑、樁長(zhǎng)不小于設(shè)計(jì)值。攪拌樁施工前應(yīng)試樁，其目的是為現(xiàn)場(chǎng)的基礎(chǔ)處理尋求最佳的攪拌次數(shù)、確定水泥漿的水灰比，泵送間時(shí)、泵送壓力、攪拌機(jī)提升速度、下鉆速度以及復(fù)攪深度等參數(shù)[1]。

4) 水泥攪拌樁樁身完整性、均勻性、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。具體要求為：成樁7 d后，采用淺部開挖樁頭(深度宜超過停漿面下0.5 m)，目測(cè)檢查攪拌的均勻性，量測(cè)成樁直徑，檢查數(shù)量不少于總樁數(shù)的5%[2]。

5) 攪拌樁的樁身強(qiáng)度(現(xiàn)場(chǎng)取芯)其90 d齡期單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：5 m以內(nèi)不小于1 000 kPa；5～10 m以內(nèi)不小于800 kPa；10 m以上不小于600 kPa。其28 d齡期單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于90 d凝期相應(yīng)強(qiáng)度的80%。

6) 靜荷載試驗(yàn)宜在成樁28 d后進(jìn)行。水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力檢驗(yàn)應(yīng)采用復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)，載荷試驗(yàn)參照《粉體噴攪法加固軟弱土層技術(shù)新規(guī)范》附錄D[3]進(jìn)行。水閘復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為135 kPa。

5 試樁及成果

5.1 施工設(shè)備選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的樁長(zhǎng)及樁徑，砂樁施工選用DZ55KB型砂樁機(jī)。該砂樁機(jī)主卷?yè)P(yáng)拉力為8 t，副卷?yè)P(yáng)拉力為3 t，功率為90 kW，樁架形式為液壓步履式、圓管，提升和下沉速度為0.5～2 ms。水泥攪拌樁施工,選用武漢工程機(jī)械研究所制造的PH-5型攪拌樁機(jī)。該鉆機(jī)鉆速為27.0～80 r/min，提升速度為0.5～1.7 m/min，行走方式為液壓步履式，配備灰漿攪拌機(jī)、灰漿泵、壓力表、輸漿管等。

水泥攪拌樁機(jī)可連接泥漿流量記錄儀，電子測(cè)量鉆孔深度、鉆進(jìn)和提升時(shí)間以及噴漿量等參數(shù)，避免人工測(cè)量和記錄誤差，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5.2 試樁過程

1) 選取9根試驗(yàn)樁，分3組，每組水泥摻合量分別取22%(93.25 kg/m)、21%(89.02 kg/m)和20%(84.78 kg/m)，水泥攪拌樁試樁攪拌下沉、提升速度和重復(fù)攪拌下沉見表2。

表2 水泥攪拌樁試樁鉆進(jìn)提升速度 m/min

2) 水灰比按0.55，采用四攪四噴施工工藝，在鉆進(jìn)至樁底時(shí)，保持深度不變持續(xù)噴漿攪拌30 s磨樁頭，然后按試樁速度噴漿攪拌提升。

3) 試樁施工嚴(yán)格按試樁參數(shù)配置泥漿，控制鉆進(jìn)速度，并結(jié)合泥漿流量記錄儀控制速率和噴漿量。

5.3 施工工藝流程

先進(jìn)行砂樁施工，通過砂樁機(jī)的振錘將一定直徑的套管打入設(shè)計(jì)深度，套管口為活頁(yè)設(shè)計(jì)，提升時(shí)則打開，下沉則關(guān)閉。再將砂從料斗中灌入套管，按照計(jì)算灌砂量的1.4倍進(jìn)行灌入(拔管過程中進(jìn)行補(bǔ)砂)，提升套管，下部活頁(yè)口打開，中砂混合水從開口處滑出并振沖密實(shí)，待套管完全提上地面，砂樁施工完成,平整場(chǎng)地后再進(jìn)行水泥攪拌樁施工[4]。

1) 樁位放樣

根據(jù)布樁圖，用全站儀確定施工范圍、樁位基線，布置樁點(diǎn)，控制樁位，以利于及時(shí)校核樁位。放好樁位后，按樁的施工順序移動(dòng)攪拌樁機(jī)到達(dá)指定樁位，鉆頭對(duì)中。攪拌機(jī)定位應(yīng)保持水平，攪拌軸應(yīng)垂直，其傾斜度不得大于1%。

2) 漿液配置

按試樁設(shè)計(jì)參數(shù)配置漿液，單根樁所需的水泥漿盡量1次拌制完成。1次拌不完，根據(jù)總量分次拌制完成。深層攪拌樁預(yù)攪下沉的同時(shí)，后臺(tái)拌制水泥漿液，待壓漿前將漿液放入集料斗中[5]。

3) 噴漿攪拌下沉

啟動(dòng)深層攪拌樁機(jī)轉(zhuǎn)盤，待攪拌頭轉(zhuǎn)速正常后，方可使鉆桿沿導(dǎo)向架邊下沉邊攪拌，下沉速度可通過檔位調(diào)控，工作電流不應(yīng)大于額定值。

4) 噴漿攪拌提升

下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，保持深度不變?cè)爻掷m(xù)噴漿攪拌30 s后反轉(zhuǎn)勻速提升，使?jié){液和土體充分拌和。

5) 重復(fù)噴漿攪拌下沉和提升

攪拌鉆頭提升至樁頂以上500 mm高后，重復(fù)噴漿攪拌下沉、提升，下沉、提升速度按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。保證樁身質(zhì)量。

6) 清洗

施工完成后，提升鉆桿及鉆頭，進(jìn)行低壓射水，清洗管路中的殘漿和樁頭軟土。

7) 移位

鉆機(jī)鉆頭提升出地面后，鉆機(jī)移位至下一樁位，按上述步驟進(jìn)行下一根樁的施工。

6 試樁施工效果及出現(xiàn)問題的分析與解決

質(zhì)量檢測(cè)單位采用鉆芯法對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行質(zhì)量檢查，發(fā)現(xiàn)樁身完整性存在問題，表3為試驗(yàn)樁質(zhì)量檢查結(jié)果。

表3 試驗(yàn)樁質(zhì)量檢查

6.1 出現(xiàn)質(zhì)量問題原因分析

1) 淤泥層不合格原因分析為攪拌提升和下層速度過快，攪拌不均勻。

2) 粘土層土體塑性指數(shù)大，且為進(jìn)行砂置換，水泥漿液和粘土攪拌不充分，結(jié)合性差，導(dǎo)致樁身完整性差。

3) 砂卵礫石層成樁效果差，多處未發(fā)現(xiàn)完整芯樣，分析為該地層地下水較豐富，水泥漿液在固結(jié)前被地下水稀釋，無(wú)法形成完整樁身。

6.2 解決方案

1) 控制水泥攪拌樁下沉和提升速度，攪拌樁鉆進(jìn)速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。

2) 仍然采用四攪四噴施工工藝，但在粘土層加1次攪拌次數(shù)，采用如圖2示意的“六攪六噴”施工工藝。

圖2 六攪六噴施工工藝示意

3) 砂卵礫石層地下水較豐富，經(jīng)再次試樁確定在水泥漿中添加水玻璃，加快水泥攪拌樁成樁速度，水玻璃摻量通過2次試樁確定。同時(shí)輔以輕型真空井點(diǎn)降水，降低地下水位。

6.3 第2次試樁

第2次試樁同樣進(jìn)行9根試驗(yàn)樁施工，分3組，每組3根，水泥參量、鉆進(jìn)和提升速度按第1次試樁參數(shù)控制，水玻璃參量按3‰、4‰、4.5‰進(jìn)行試驗(yàn)，粘土層全部采用六攪六噴，其他施工工藝不做調(diào)整。

6.4 試樁成果

試樁施工28 d后，質(zhì)量檢測(cè)單位對(duì)試驗(yàn)樁進(jìn)行鉆芯法檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，選用工程樁施工參數(shù)為：水泥用量為93.25 kg/m，水灰比為0.55，水玻璃參量為4‰，采用四攪四噴施工工藝(粘土層采用“六攪六噴”施工工藝)，下鉆速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。圖3為試樁鉆芯法檢測(cè)芯樣。

圖3 試樁芯樣示意

7 工程施工效果及質(zhì)量檢測(cè)情況

1) 鉆芯法檢測(cè)

根據(jù)試樁確定的攪拌樁施工工藝和施工參數(shù)進(jìn)行工程樁基礎(chǔ)施工。按設(shè)計(jì)圖紙要求，攪拌樁成樁90 d后隨機(jī)現(xiàn)場(chǎng)抽取1%的水泥攪拌樁進(jìn)行鉆芯法檢測(cè)。抽取不同部位檢測(cè)，工程樁樁身完整性及強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。鉆芯法檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4 鉆芯法檢測(cè)結(jié)果

2) 復(fù)合地基載荷試驗(yàn)檢測(cè)

按設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)對(duì)水閘、船閘攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，檢測(cè)攪拌樁的承載力[3]。試驗(yàn)荷載按設(shè)計(jì)要求按公式(1)計(jì)算。

試驗(yàn)荷載=承壓板面積×實(shí)驗(yàn)部位復(fù)合地基承載力要求×2.5(安全系數(shù))

(1)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，水閘復(fù)合地基承載力特征值不小于135 kPa，船閘復(fù)合地基承載力特征值不小于180 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4為現(xiàn)場(chǎng)樁基驗(yàn)收照片。

8 結(jié)語(yǔ)

在水泥攪拌樁無(wú)成樁條件或成樁條件差的淤泥層中，先行施工規(guī)格不小于水泥攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑的砂樁，使用中砂將地層中的淤泥、腐殖質(zhì)、貝類碎片置換，以此改變水泥攪拌樁的施工條件，再于原樁位施工水泥攪拌樁，使水泥漿液與中砂結(jié)合成樁，兩者結(jié)合可以大幅提高成樁質(zhì)量。

圖4 樁基礎(chǔ)驗(yàn)收示意

通過施工砂置換型水泥攪拌樁施工方法處理該工程軟基，有效解決了淤泥層水泥攪拌樁施工質(zhì)量差的難題，大幅提高了復(fù)合地基的承載力，節(jié)約了施工成本。對(duì)于類似軟土地基條件下施工水閘、堤防等建設(shè)工程，砂置換型水泥攪拌樁有顯著的應(yīng)用價(jià)值。