新型環(huán)保均質(zhì)塑性(EHP)樁的樁身完整性研究

李興兵，劉大軍，翁佳興，徐建國(guó)，強(qiáng)成倉(cāng), 邱成春

(1.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000；2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230000；3.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

工程建設(shè)過(guò)程中常遇到軟土地基，軟土天然含水量高，滲透性差，易沉降，承載力低[1-2]。為保證施工安全，提高施工質(zhì)量，需要對(duì)地基進(jìn)行加固處理，改良軟土地基的工程特性。目前常用的方法是改善土壤三相體的結(jié)構(gòu)比例關(guān)系(如換填法、強(qiáng)夯法和排水固結(jié)法)和采取固化措施(如攪拌樁、灌注樁法)，其中應(yīng)用較為廣泛的是水泥土攪拌樁技術(shù)。

水泥土攪拌樁利用水泥作為固化劑，通過(guò)攪拌樁機(jī)將水泥噴入土體并充分原位攪拌，使水泥與土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，土體硬結(jié)而形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁[3]。然而，水泥土攪拌樁對(duì)被加固地基的土體性質(zhì)有很大要求，不宜在地基土中存在硬質(zhì)夾層的地區(qū)使用。在處理復(fù)雜的多層土地基時(shí)，不同土性的土體與水泥的物理化學(xué)反應(yīng)效果存在差異，同一根樁體在不同地層中采用相同的水泥摻入比，會(huì)造成樁體強(qiáng)度不均勻甚至出現(xiàn)強(qiáng)度分段現(xiàn)象，并且深層地基加固時(shí)，水泥攪拌樁法施工歷時(shí)比較長(zhǎng)，施工效率較低，很大程度上牽制了施工進(jìn)度。

針對(duì)水泥土攪拌樁易受地基土性質(zhì)干擾的問(wèn)題，本文提出一種新型環(huán)保均質(zhì)塑性樁——EHP樁(Environment Homogeneous Plastic Pile)，在傳統(tǒng)水泥土攪拌樁技術(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)展創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)水泥攪拌法在地基土中原位攪拌的方法，利用特制機(jī)械設(shè)備一邊提鉆出土，一邊澆筑充填，有效地解決了水泥土攪拌樁均勻性差的問(wèn)題，形成了一種特有的攪拌樁施工工藝。本文依托淮河干流蚌埠～浮山段行洪區(qū)調(diào)整和建設(shè)工程施工XXIX標(biāo)——五河大橋接長(zhǎng)工程(簡(jiǎn)稱五河大橋接長(zhǎng)工程)，通過(guò)低應(yīng)變反射法對(duì)EHP樁的樁身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以驗(yàn)證EHP樁加固軟土地基時(shí)的樁身完整性和均勻性。

1 EHP樁施工工藝

1.1 工程概況

本次EHP樁工法樁依托淮河干流蚌埠—浮山段行洪區(qū)調(diào)整和建設(shè)工程施工XXIX標(biāo)——五河大橋接長(zhǎng)工程開(kāi)展試驗(yàn)研究，五河大橋接長(zhǎng)工程橋坡段采用水泥攪拌樁復(fù)合地基處理方案，濕法施工，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)14.5 m，樁徑為600 mm，正三角形布設(shè)。按平行于橋臺(tái)走向?qū)蚱露蝿澐譃锳、B、C、D4個(gè)區(qū)，其中D區(qū)為臺(tái)前處理區(qū)，A、B、C區(qū)為臺(tái)后處理區(qū)，A區(qū)樁間距1.0 m，B、D區(qū)樁間距1.1 m，C區(qū)樁間距1.3 m。攪拌樁布置如圖1所示。橋坡段處理區(qū)樁號(hào)范圍：K0+457～K0+519，處理總長(zhǎng)度 62 m，其中A區(qū)長(zhǎng)度24 m，B區(qū)長(zhǎng)度16 m，C區(qū)長(zhǎng)度 14 m，D區(qū)長(zhǎng)度8 m。樁數(shù)1 672根，共計(jì)24 244 m。本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位置選擇在五河大橋接長(zhǎng)工程橋坡段C區(qū)外圍。

1.2 工程地質(zhì)

工程沿線地勢(shì)較平坦，高程在17.0～20.0 m，地勢(shì)坡降約1‰～2‰。巖土工程勘察資料顯示工程范圍內(nèi)地層中廣泛分布承載力偏低的淤泥質(zhì)重、中粉質(zhì)壤土。具體為一般地基表層素填土，以輕粉質(zhì)壤土、砂壤土為主，灰黃色，局部為重、中粉質(zhì)壤土，軟可塑，結(jié)構(gòu)松散，其下分布淤泥質(zhì)重、中粉質(zhì)壤土局部夾砂壤土，灰色，軟塑狀為主，屬高壓縮性土。

圖1 水泥攪拌樁布置剖面圖

1.3 EHP樁施工流程

(1)施工前準(zhǔn)備

施工前對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，達(dá)到施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)施工的要求。隨后將長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)、強(qiáng)制攪拌機(jī)等機(jī)械安置到位。

(2)水泥土攪拌

機(jī)械安裝到位后，按要求攪拌水泥土，攪拌的關(guān)鍵是控制含水率，以快速獲得符合流動(dòng)度要求的水泥土，且攪拌均勻。由于施工過(guò)程中，水泥土?xí)豢焖俦盟腿腴L(zhǎng)螺旋鉆形成的孔中，攪拌中加土、水、水泥的速率及攪拌速率是影響EHP樁施工的重要因素。為了能夠快速配置符合標(biāo)準(zhǔn)的水泥土，采用挖掘機(jī)加土，抽水泵進(jìn)行加水。采用質(zhì)量控制法控制攪拌后的含水率，即事先量測(cè)挖土機(jī)挖斗1次能夠挖取的粉土重量，根據(jù)該重量計(jì)算所需的水量及水泥重量。施工過(guò)程中，根據(jù)每次挖斗投放粉土的重量，放入事先計(jì)算好重量的水及水泥。每次投料后，攪拌機(jī)攪拌10 min以上，確保土料均勻。

(3)泥漿坍落度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

當(dāng)泥漿攪拌基本均勻后，迅速?gòu)臄嚢柰爸腥∩倭克嗤吝M(jìn)行坍落度或流動(dòng)度檢測(cè)，如果流動(dòng)性偏離目標(biāo)流動(dòng)度超過(guò)10%時(shí)，需要進(jìn)行流動(dòng)性調(diào)整。流動(dòng)性較高時(shí)，需要再放入適當(dāng)?shù)耐亮希?dāng)流動(dòng)性較小時(shí)，放入適當(dāng)質(zhì)量的水，使流動(dòng)性接近于目標(biāo)流動(dòng)性。需要指出，實(shí)踐表明，現(xiàn)場(chǎng)水泥土的流動(dòng)性調(diào)節(jié)相對(duì)比較困難，常常會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)度偏大或偏小的情況。

(4)鉆進(jìn)取土

在攪拌水泥土的同時(shí)，長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)開(kāi)始鉆進(jìn)取土，鉆進(jìn)過(guò)程中，控制鉆進(jìn)速率。

(5)提鉆注漿

當(dāng)長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)鉆頭達(dá)到指定土層深度后，同時(shí)，水泥土的流動(dòng)性調(diào)整到位時(shí)，開(kāi)始泵送注漿，在注漿過(guò)程中，向上提升長(zhǎng)螺旋轉(zhuǎn)頭。在提升長(zhǎng)螺旋鉆頭的過(guò)程中，應(yīng)控制鉆頭的提升速率，確保鉆頭的提升速率小于注漿速率。如出現(xiàn)堵管等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止鉆頭的提升，待堵管問(wèn)題處理后，再重新提升鉆頭。

(6)清理機(jī)械

當(dāng)長(zhǎng)螺旋鉆頭提升至地表時(shí)，一根EHP樁施工完畢，準(zhǔn)備進(jìn)行下一根樁的施工。在此過(guò)程中，如果距離下一根樁的施工時(shí)間較長(zhǎng)，要清洗攪拌機(jī)和水泥土泵。

2 EHP樁樁身完整性檢測(cè)

2.1 低應(yīng)變反射波法檢測(cè)原理

樁基動(dòng)力檢測(cè)是指在樁頂施加一個(gè)動(dòng)態(tài)力，可以是瞬態(tài)沖擊力或穩(wěn)態(tài)激振力。樁-土系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)力的作用下產(chǎn)生動(dòng)態(tài)響應(yīng)，采用不同功能的傳感器在樁頂測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)(如位移、速度、加速度)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的時(shí)域分析、頻域分析或傳遞函數(shù)分析，判斷樁身結(jié)構(gòu)完整性[4]。

本次測(cè)試采用低應(yīng)變法，低應(yīng)變法作用在樁頂上的動(dòng)荷載遠(yuǎn)小于樁的使用荷載，能量小，只能使樁土產(chǎn)生彈性變形，適于檢測(cè)混凝土樁的樁身完整性，判斷樁身缺陷的位置和程度，該方法檢測(cè)速度快，效率高。

2.2 測(cè)試方案

低應(yīng)變測(cè)試所用的儀器為RS—1616K(S)型基樁低應(yīng)變測(cè)試儀。本次共測(cè)試6根樁，包括5根EHP樁和1根MIP樁(傳統(tǒng)水泥土攪拌樁)。EHP樁中，8%水泥摻量的2根，10%水泥摻量的1根，13%水泥摻量的2根。在開(kāi)展低應(yīng)變測(cè)試前，事先將預(yù)測(cè)試的樁的樁頭進(jìn)行處理，鑿去EHP樁的樁頂浮漿和松散破碎部分，確保樁頭完整、平整、沒(méi)有積水。

測(cè)試過(guò)程中，傳感器與檢測(cè)樁樁頂垂直，用黃油進(jìn)行耦合粘接，要求粘貼密實(shí)，有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。激振點(diǎn)位置在樁的中心處，傳感器安裝位置在距離樁頂面中心的2/3半徑(距離樁心200 mm處)，如圖2所示。采集樁身的波形信號(hào)時(shí)，通過(guò)增益和擊振頻率使樁身的反射特征清晰、重復(fù)性好。對(duì)存在缺陷的樁基選用多種擊振頻率進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)，進(jìn)一步明確樁身缺陷。測(cè)試工作遵循《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》JGJ106—2014[5]的規(guī)定開(kāi)展。

圖2 激振點(diǎn)位與傳感器點(diǎn)位

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

圖3～5分別為8%、10%及13%水泥摻量的EHP樁低應(yīng)變完整性測(cè)試獲得的反射波時(shí)程圖。圖6為13%水泥摻量的MIP樁低應(yīng)變完整性測(cè)試獲得的反射波時(shí)程圖。

圖3 8%水泥摻量EHP樁低應(yīng)變放射波信號(hào)

圖4 10%水泥摻量EHP樁低應(yīng)變放射波信號(hào)

圖5 13%水泥摻量EHP樁低應(yīng)變放射波信號(hào)

圖6 13%水泥摻量MIP樁低應(yīng)變放射波信號(hào)

由圖可知，在樁8-4(8%水泥摻量的EHP樁)中，實(shí)測(cè)信號(hào)曲線在4.96 m處幅值激增，出現(xiàn)較大幅度反射波，可知基樁在該位置處出現(xiàn)較大縮頸；這可能是由于該工程場(chǎng)地以淤泥質(zhì)重、中粉質(zhì)壤土為主，攪拌后水泥土較致密強(qiáng)度較高造成樁身出現(xiàn)一定程度縮頸。在樁8-5中(8%水泥摻量的EHP樁)，信號(hào)曲線在3.83 m處有小幅度波動(dòng)，但是應(yīng)力波整體較平穩(wěn)，樁身完整性好，質(zhì)量可靠；在樁10-7中(10%水泥摻量的EHP樁)，波形圖沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)，樁身沒(méi)有明顯缺陷[6]；在樁13-6(13%水泥摻量的EHP樁)中，實(shí)測(cè)信號(hào)曲線在3.52 m處有小幅度的反射波，判斷樁身在3.52 m處存在輕微的縮頸；在樁13-7中(13%水泥摻量的EHP樁)，波形圖在樁身2 m位置處出現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值，判斷此位置存在擴(kuò)徑現(xiàn)象；在樁PJ中(13%水泥摻量的MIP樁)，樁身1.44 m處，波形圖有小幅度反射波，可知該處有輕微縮頸。

由低應(yīng)變波形圖可知，6組檢測(cè)樁在樁頭附近的信號(hào)曲線波動(dòng)較大，這是因?yàn)榈蛻?yīng)變檢測(cè)時(shí)，樁頂部分聲場(chǎng)復(fù)雜，應(yīng)力波可為半球面波，遠(yuǎn)離樁頂后可近似為平面波。入射波在樁頂附近將產(chǎn)生折射，應(yīng)力波將由樁身擴(kuò)散到樁周土層中，也就產(chǎn)生應(yīng)力波能量的折射損失。一般情況下可以認(rèn)為，折射損失主要發(fā)生在樁頭附近[7]。

從頻域信號(hào)上看，6組測(cè)試樁都無(wú)較清晰的樁底反射信號(hào)。這可能是因?yàn)閷?shí)際工程中，應(yīng)力波到達(dá)樁底時(shí)，會(huì)發(fā)生透射和反射，而不像自由桿件僅在樁端發(fā)生反射。這樣樁身應(yīng)力波有一部分進(jìn)入土中，反射部分自然就少。在頻域信號(hào)上的反映是，樁底反射幅值比樁頂入射波幅值降低。當(dāng)樁身阻抗和樁端土差別越小時(shí)，進(jìn)入土中透射波分量越多，也就是樁底土層越好，樁底反射信號(hào)越不容易看到[8]。另外，應(yīng)力波在樁身傳播過(guò)程中，樁身和樁側(cè)土阻尼對(duì)應(yīng)力波也會(huì)有衰減作用，阻尼越大，衰減越快，就越不易看到樁底反射。研究表明，應(yīng)力波的衰減服從指數(shù)規(guī)律[9]。EHP樁在施工過(guò)程中，樁周土經(jīng)過(guò)擠密，密實(shí)性和強(qiáng)度都有很大提高，樁周土的阻抗也會(huì)有所提高。在這種情況下，樁身中的應(yīng)力波會(huì)迅速衰減，EHP樁的樁底反射一般不明顯。

混凝土實(shí)際上是一種混合材料，樁身材料本身具有一定的不均勻性，再加上施工工藝和地質(zhì)條件的影響，樁身材料的模量和強(qiáng)度有很強(qiáng)的變異性。樁身材料的彈模一般很難確定，而強(qiáng)度的概念卻很直觀，使用的也較多。有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期，學(xué)者們認(rèn)為，低應(yīng)變的檢測(cè)波速可以確定樁身混凝土強(qiáng)度，在舊規(guī)范《基樁低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》(JGJ/T93—95)中，反射波法可以對(duì)樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)做出估計(jì)。然而后來(lái)的研究表明，事實(shí)并非如此。波速與樁身混凝土強(qiáng)度整體趨勢(shì)上呈正相關(guān)關(guān)系，但并沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。影響混凝土波速的因素很多，強(qiáng)度對(duì)波速并沒(méi)有決定性的影響。從一般情況來(lái)看，對(duì)于不同樁型、強(qiáng)度的樁，波速確實(shí)有一個(gè)大致的范圍(表1)，EHP樁的平均波速為2 250 m/s，遠(yuǎn)高于普通深層攪拌樁的波速。根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106—2014)中規(guī)定的樁身完整性分類標(biāo)準(zhǔn)(表2)，并綜合分析圖3～6中各類型樁的低應(yīng)變完整性測(cè)試時(shí)程曲線，可得到如下結(jié)論：PJ樁(13%水泥摻量的MIP樁)的完整性等級(jí)為Ⅱ類，EHP樁的樁身等級(jí)基本接近Ⅰ類樁，低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由此可見(jiàn)，EHP樁的施工工藝基本滿足其完整性要求。

表1 不同類型樁的波速范圍

表2 樁身完整性分類

表3 低應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果匯總

注：Ⅰ類樁為完整樁；Ⅱ類樁為基本完整樁；Ⅲ類樁為缺陷樁；Ⅳ類樁為嚴(yán)重缺陷樁。其中Ⅰ類樁、Ⅱ類樁可正常使用；Ⅲ類樁、Ⅳ類樁須經(jīng)處理后，方可使用。

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型EHP樁，闡述了EHP樁的施工工藝，給出了EHP樁相對(duì)于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁(MIP樁)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)EHP樁的樁身完整性進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1)EHP樁在傳統(tǒng)水泥土攪拌樁基礎(chǔ)上，創(chuàng)新施工工藝，采用一邊成孔一邊拌合料澆筑填充的方式成樁，有效解決了傳統(tǒng)水泥土攪拌樁攪拌不均勻的問(wèn)題，施工效率提高，環(huán)境污染小，為加固軟土地基提供了新的選擇。

(2)采用低應(yīng)變反射波法進(jìn)行基樁檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)推斷EHP樁的樁身完整性較好，完整性等級(jí)基本接近Ⅰ類，優(yōu)于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁的樁身結(jié)構(gòu)。

(3)EHP樁的低應(yīng)變縱波波速大于傳統(tǒng)水泥土攪拌樁，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)分析，EHP樁的樁身強(qiáng)度較高。