水泥土攪拌樁施工工藝優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

郭 濤

（廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州510600）

0 前 言

用水泥漿與原狀軟土強(qiáng)制拌和，利用水泥的水化凝結(jié)和硬化及與土的化學(xué)反應(yīng)，形成承載力較高的鈣化粘土的工藝方法，稱(chēng)為水泥拌和法[1].采用水泥拌和法加固軟土地基，比排水砂井、擠密砂樁等軟基處理工藝施工方便且見(jiàn)效快.我國(guó)于20世紀(jì)80年代引進(jìn)水泥拌和法，在我國(guó)得到極大的發(fā)展，特別適合深厚軟土地基攪拌施工，在我國(guó)東部沿海地區(qū)發(fā)展較快，具有加固成本低，施工速度快，效率高等優(yōu)點(diǎn)[2，3].但到目前為止，由于地層條件復(fù)雜，對(duì)于水泥攪拌樁的強(qiáng)度機(jī)理研究明顯滯后，為了達(dá)到水泥攪拌樁強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，通常需要開(kāi)展室內(nèi)配比實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝研究.尤其是現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及效果檢驗(yàn)衡量水泥攪拌樁施工質(zhì)量和強(qiáng)度的綜合反映.

1 工程實(shí)例

東部某高速公路工程，主要地質(zhì)條件從上到下包括殘積壤土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥和花斑粘土等地層，其中軟土地層厚度達(dá)到10～15m，含水量較高，不排水抗剪強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，如?所示.

工程施工前進(jìn)行前期試樁，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求.試樣主要出現(xiàn)的問(wèn)題是強(qiáng)度偏低、水泥含量分布不均勻、出現(xiàn)較多水泥團(tuán)塊、含水率過(guò)高，局部出現(xiàn)無(wú)水泥現(xiàn)象.因此，可以初步斷定選定的施工工藝與施工機(jī)械、該段淤泥質(zhì)粘土層不相吻合，必須調(diào)整相應(yīng)的施工工藝再試樁，以確保本工程的順利實(shí)施.同時(shí)可能也存在由于缺乏施工經(jīng)驗(yàn)以及施工控制不嚴(yán)的問(wèn)題，下一步的試樁中必須找出水泥攪拌樁關(guān)鍵控制要點(diǎn).

表1 典型地段地質(zhì)條件

2 現(xiàn)有水泥土攪拌樁的施工工藝及檢驗(yàn)

2.1 現(xiàn)有水泥土攪拌樁施工工藝

選用機(jī)械：SBJ－1型深層攪拌機(jī)，攪拌軸長(zhǎng)18 m，攪拌葉片直徑550mm.固化主劑選用水泥，并配成水泥漿，水泥摻入比為20%，水灰比為0.40.深層攪拌機(jī)邊鉆進(jìn)邊噴漿液攪拌混合土，采用的是二噴四攪工藝.該施工工藝詳見(jiàn)圖1.

圖1 攪拌樁施工工藝流程圖

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果及原因分析

由于缺乏相應(yīng)的水泥攪拌樁施工經(jīng)驗(yàn)和較好的施工控制措施，現(xiàn)有的水泥土芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度普遍都較低，變異大，樁身質(zhì)量較差.其中兩個(gè)代表性樁號(hào)K8＋310和K8＋892分別取出完整芯樣14個(gè)和18個(gè)，強(qiáng)度在0.2MPa以下的占34.4%，高于0.5MPa的僅占18.7%，也就是說(shuō)低于設(shè)計(jì)要求0.5MPa的占81.3%，如表2所示.

表2 芯樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分區(qū)頻度表

為此，必須查找出水泥攪拌樁強(qiáng)度偏低的原因.在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)部分芯樣內(nèi)部包含水泥團(tuán)塊，水泥含量存在較為嚴(yán)重的不均勻性問(wèn)題.于是對(duì)攪拌樁芯樣進(jìn)行了水泥含量的試驗(yàn)研究，如表3所示.從中可以看出，水泥含量明顯低于設(shè)計(jì)含量，最低只有2.3%，最高才14.6%，而且分布上很不均勻，表現(xiàn)為樁身上部水泥含量較高，下部水泥含量較低，攪拌樁淤泥段發(fā)現(xiàn)部分樁身芯樣不成形.在施工中發(fā)現(xiàn)，鉆機(jī)鉆頭出現(xiàn)了粘性土結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，可能由于淤泥中粘性土含量較高，在鉆頭上提攪拌過(guò)程中關(guān)閉噴水泥漿攪拌導(dǎo)致噴漿口“閉塞”，從而造成淤泥段攪拌樁水泥含量偏低.

根據(jù)以上試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工資料的分析，認(rèn)為形成水泥團(tuán)塊的主要原因可能是水泥漿的水灰比較小，漿液流動(dòng)性不足，且土中含水量高，粘性也較大，與施工的機(jī)器設(shè)備不相適應(yīng)，拌和不充分；另外土中還含有有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)一定程度上阻礙了水泥水化反應(yīng)，從而影響了水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng).水泥在攪拌樁中分布不均勻，形成水泥含量很高的團(tuán)塊，使大部分樁身的實(shí)際水泥含量少于設(shè)計(jì)時(shí)的水泥摻量，大大減少了水泥在攪拌樁中的作用，從而達(dá)不到預(yù)期的加固效果.

表3 樁身芯樣水泥含量分析

3 水泥土攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)施工工藝改進(jìn)及檢驗(yàn)

3.1 水泥土攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)施工工藝

室內(nèi)水泥土配比試驗(yàn)表明，水灰比是影響水泥攪拌樁強(qiáng)度重要影響因素.可降低水灰比或直接使用噴干粉的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的試驗(yàn)，并增加一次復(fù)攪，以達(dá)到更加均勻的效果.同時(shí)，為了增加深厚層淤泥中水泥攪拌樁的強(qiáng)度，選用了分段變摻量攪拌工藝.樁徑Φ550mm，樁長(zhǎng)進(jìn)入下臥粘性土層0.5m，樁長(zhǎng)17.3m，噴粉量采用全自動(dòng)電腦噴粉記錄儀控制，確保攪拌樁成樁質(zhì)量，從摻粉量和施工工藝兩個(gè)角度將試驗(yàn)樁分為4類(lèi)，具體的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方案如下：

①試驗(yàn)樁Ⅰ類(lèi)：分段變摻量噴粉，二噴四攪，0～3.7m噴粉量50kg／m（第一次噴粉30kg／m，第二次噴粉20kg／m）；3.7～10.0m噴粉量80kg／m（第一次噴粉50kg／m，第二次噴粉30kg／m）；10.0m以下噴粉量70kg／m（第一次噴粉40kg／m，第二次噴粉30kg／m）.

②試驗(yàn)樁Ⅱ類(lèi)：分段變摻量噴粉，0～3.7m噴粉量50kg／m，二噴四攪，第一次噴粉30kg／m，第二次噴粉20kg／m；3.7～10.0m噴粉量80kg／m，三噴六攪，第一次噴粉40kg／m，第二次噴粉20kg／m，第三次噴粉20kg／m；10.0m以下噴粉量70kg／m，二噴四攪，第一次噴粉40kg／m，第二次噴粉30 kg／m.

③試驗(yàn)樁Ⅲ類(lèi)：分段變摻量噴粉，二噴四攪，0～3.7m噴粉量70kg／m（第一次噴粉40kg／m，第二次噴粉30kg／m）；3.7～10.0m 噴粉量100kg／m（第一次噴粉60kg／m，第二次噴粉40kg／m）；10.0 m以下噴粉量90kg／m（第一次噴粉50kg／m，第二次噴粉40kg／m）.

④試驗(yàn)樁Ⅳ類(lèi)：分段變摻量噴粉，0～3.7m噴粉量70kg／m，二噴四攪，第一次噴粉40kg／m，第二次噴粉30kg／m；3.7～10.0m噴粉量100kg／m，三噴六攪，第一次噴粉50kg／m，第二次噴粉30kg／m，第三次噴粉20kg／m，；10.0m 以下噴粉量90 kg／m，二噴四攪，第一次噴粉50kg／m，第二次噴粉40kg／m.

3.2 檢驗(yàn)效果

由表4可以得知：在樁身3.7～10.0m位置，Ⅰ類(lèi)樁、Ⅱ類(lèi)樁噴粉量同為每米80kg，Ⅰ類(lèi)樁采用二噴四攪工藝而Ⅱ類(lèi)樁采用三噴六攪工藝，樁身水泥土強(qiáng)度分別為0.7MPa、1.2MPa；Ⅲ類(lèi)樁、Ⅳ類(lèi)樁噴粉量同為每米100kg，Ⅲ類(lèi)樁采用二噴四攪工藝而Ⅳ類(lèi)樁采用三噴六攪工藝，樁身水泥土強(qiáng)度分別為1.7MPa、2.1MPa；這證明隨著攪拌次數(shù)增加，水泥土攪拌越均勻，水泥土強(qiáng)度就越高.同時(shí)還可以看出，當(dāng)攪拌次數(shù)相同時(shí)，樁身水泥土強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而增大.

表4 43天試驗(yàn)噴粉樁芯樣無(wú)側(cè)限強(qiáng)度

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，采用噴粉分段變摻量攪拌工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用的固化材料（干燥狀態(tài)）可更多地吸收軟土地基中的水分，可以顯著降低攪拌水泥土的含水率，對(duì)加固含水量高的軟土及軟土地基效果更加顯著；

（2）固化材料被噴射到攪拌葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空隙中，同時(shí)土體的水分將其粘附到空隙內(nèi)部，隨著攪拌葉片的攪拌，使固化劑均勻地分布在土中，不會(huì)產(chǎn)生外泄、地面隆起等現(xiàn)象污染或破壞環(huán)境；

（3）同時(shí)采用自動(dòng)記錄的噴粉量施工工藝，有助于分段變摻量方案的實(shí)施，確保淤泥段水泥土攪拌樁的強(qiáng)度.

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定的靜載荷試驗(yàn)，是檢驗(yàn)單樁和復(fù)合地基豎向承載力的最可靠方法.選用壓板面積為1.5m×1.5m，逐級(jí)加載，每級(jí)荷載達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，當(dāng)加載量達(dá)到設(shè)計(jì)要求兩倍或規(guī)范規(guī)定的終止加載條件時(shí)，即終止加載.加載總共分六級(jí)，每級(jí)加載后按間隔15min，以后為每隔0.5h頻率記錄沉降.當(dāng)1h內(nèi)沉降小于0.1mm時(shí)，認(rèn)為已達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，可以施加下一級(jí)荷載，直至滿(mǎn)足終止加載條件.某一試驗(yàn)攪拌樁的結(jié)果，如圖2所示.

圖2 43天試驗(yàn)噴粉樁現(xiàn)場(chǎng)壓力板試驗(yàn)結(jié)果

從圖2中可知，所檢噴粉樁試驗(yàn)曲線(xiàn)上復(fù)合地基承載力基本大于186kPa，達(dá)到設(shè)計(jì)值110kPa的要求.說(shuō)明噴粉樁采用分段變摻量噴粉工藝成樁均勻，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高，復(fù)合地基承載力有大幅度的提高.

4 結(jié) 論

水泥攪拌樁強(qiáng)度的主要影響因素包括配比、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝.改進(jìn)施工工藝后的水泥土攪拌樁質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求.通過(guò)對(duì)施工工藝改進(jìn)前后水泥土攪拌樁質(zhì)量檢驗(yàn)對(duì)比，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）水泥攪拌樁正式大規(guī)模施工前，除了室內(nèi)配比試驗(yàn)外，還需要開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試樁，以確認(rèn)配比、攪拌機(jī)械、施工工藝與現(xiàn)場(chǎng)情況是否吻合.

（2）對(duì)于含水量較高的深厚軟土地基，采用噴粉攪拌施工工藝能夠較好地提高水泥土攪拌的均勻性，同時(shí)減少水灰比，有利于提高攪拌樁樁身強(qiáng)度.

（3）水泥土攪拌樁中增加攪拌次數(shù)，能夠較好地提高水泥土的攪拌均勻性，從而提高水泥土攪拌樁的強(qiáng)度.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將二噴四攪改進(jìn)為三噴六攪時(shí)，強(qiáng)度提高了0.3～0.5MPa.

（4）針對(duì)水泥攪拌樁下半部分強(qiáng)度不足的特點(diǎn)，分段變摻量噴粉攪拌是一種較為科學(xué)的水泥摻入方法，能夠較好地保證沿樁縱向其強(qiáng)度基本一致.

[1]李樹(shù)忠.水泥攪拌樁在加固堆場(chǎng)軟弱地基中的應(yīng)用及施工質(zhì)量控制[J].港工技術(shù)，2005，（4）：49－50.

[2]高大釗，孫 均.巖土工程的回顧與前瞻[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]席培勝，劉松玉.水泥土深層攪拌法加固軟弱地基新技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2006，35（1）：2－5.