水泥土攪拌樁在濱海地區(qū)軟基處理中應(yīng)用研究
——以福州濱海新城嶼中路軟基處理項目為案例

張 華

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350108)

0 引言

水泥土攪拌樁是將水泥作為固化劑，通過深層攪拌設(shè)備將水泥與地基土攪拌，使水泥與土發(fā)生一系列物理化學反應(yīng)，形成豎向增強體的優(yōu)質(zhì)地基的一種地基處理方法。水泥土攪拌樁具有造價低、處理效果好、工期短、設(shè)備簡單等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于我國各類軟土地區(qū)地基加固和基坑支護中。根據(jù)規(guī)范，水泥攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、素填土、粘性土、粉土、粉細砂、中粗砂、飽和黃土等土層，適用范圍廣。

濱海地區(qū)廣泛分布海相和潮相沉積的軟土地質(zhì)。在軟土地區(qū)修建道路首先應(yīng)解決軟土地基問題。相對其他軟土地區(qū)來說，濱海軟土存在含水量高、軟土層厚、有機質(zhì)含量、氯離子、硫酸根離子含量高等特性。若處理不當，將給公路工程建設(shè)帶來安全隱患。

基于此，本文通過福州濱海道路軟基處理具體案例，論證水泥土攪拌樁在福州濱海地區(qū)軟土處理中的可行性，并探討水泥土攪拌樁在濱海地區(qū)應(yīng)用需要注意的問題，為類似工程提供參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

福州濱海新城嶼中路(東南快速～萬新路)道路工程地處古槐鎮(zhèn)與文武砂鎮(zhèn)，位于福州市濱海新城東南大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)園西片區(qū)內(nèi)，南北向貫穿天大福州國際校區(qū)，項目設(shè)計長度1692.362m，紅線寬度40m。道路起點接東南快速路，向北延伸，沿線相交主次干路分別有金濱路、南港西路等，終點止于萬新路。

嶼中路道路等級為次干路，設(shè)計車速為40km/h。

1.2 地質(zhì)概況

擬建場地地勢稍有起伏，沿線主要為田地、漁塘、河道、水溝、土路、菜地等。根據(jù)現(xiàn)場踏勘及參考當?shù)毓こ痰刭|(zhì)經(jīng)驗，擬建場地地貌單元主要屬沖海積、淤積平原。

根據(jù)野外鉆探揭示巖土芯鑒別，場地巖土層按其成因、力學強度不同劃分工程地質(zhì)層，各巖土層特征如下：

①雜填土：淺灰色，松散為主，主要成分為粘性土，層厚度0.40m～1.60m。

②粉質(zhì)粘土：局部為粘土，灰黃色，濕，可塑為主，揭示厚度0.50m～1.60m。

③淤泥質(zhì)土：局部為淤泥，深灰色，飽和，流塑，含腐殖質(zhì)，有臭味，厚度不均勻，層厚度1.70m～8.70m。

④(含泥)粉砂：灰色，褐黃色，稍密為主，局部松散、中密，主要由細粒石英砂組成，不均勻系數(shù)1.79，曲率系數(shù)0.86，顆粒級配不良。層厚度3.10m～14.50m。

④-1淤泥質(zhì)土：深灰色，飽和，流塑，含腐殖質(zhì)，有臭味，層厚度1.90m～3.90m。

⑤淤泥質(zhì)土：局部為淤泥，深灰色，飽和，流塑，含腐殖質(zhì)，有臭味，層厚度2.50m～14.10m。

⑥(含泥)礫砂：灰黃色、淺灰色，中密為主，局部呈稍密狀，飽和，含泥不均。層厚度為0.70m～3.90m。

⑦淤泥質(zhì)土：局部為淤泥，深灰色，飽和，流塑，含腐殖質(zhì)，有臭味，局部為淤泥，層厚度1.70m～11.30m。

⑧粉質(zhì)粘土：灰黃色，濕，可塑為主，揭示厚度1.00m～6.00m。

⑨殘積砂質(zhì)粘性土：局部為殘積礫質(zhì)粘性土，褐黃色，可塑為主，層厚度4.00m～13.50m。

⑩全風化花崗巖：淺灰、灰黃色，硬塑，濕，層厚度7.50m～16.10m。

根據(jù)上述地層情況，該場地地層屬于不均勻地基，水平及垂直向變化較大，均勻性較差；基巖中未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面、破碎巖體或軟弱巖層。

2 軟基處理方案

2.1 軟基特點及方法選擇

該工程表層為1.0m～3.2m雜填土和粉質(zhì)黏土，下臥層為1.7m～12.6m厚的淤泥質(zhì)土，再下層為粉質(zhì)黏土等較硬土層。因此，該工程以控制沉降為主。

根據(jù)地質(zhì)條件和使用要求，該地基處理方式有：預(yù)壓法、強夯法、水泥土攪拌樁法、旋噴樁法、CFG樁法等。其中：

(1)預(yù)壓法可達到工后沉降小于30cm，承載力不小于60kPa的處理目標，但需先將表層1.0m～3.2m的表土運走后再施工，工程單價較高。

(2)強夯法不宜用于軟土層厚度大的區(qū)域。經(jīng)計算，該工程采用強夯法工后沉降大，無法滿足要求。

(3)水泥土攪拌樁法、旋噴樁法、CFG樁法等均適用于該工程。其中，CFG樁適用于加固十字板抗剪強度不小于20kPa的軟土地基，水泥土攪拌樁適用于加固十字板抗剪強度10kPa的軟土地基。該工程淤泥質(zhì)土的十字板抗剪強度10～12kPa。因此，初步選定采用水泥土攪拌樁法。

2.2 理論計算方法

按照建筑地基處理技術(shù)規(guī)范(JGJ 79-2012)，水泥攪拌樁的單樁承載力特征值Ra為：

Ra=ηfcuAp

(1)

(2)

式中：η為樁身強度折減系數(shù)；

fcu為加固土試塊在90d標準養(yǎng)護條件下的立方體抗壓強度平均值(kPa)；

Ap為樁的截面面積(m2)；

up為樁的周長(m)；

qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)；

lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度；

αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.4～0.6；

qp為樁端端阻力特征值(kPa)，取未修正的樁端地基土承載力特征值。

復合地基承載力特征值fspk為：

(3)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)；

m為面積置換率；

β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)；

fsk為處理后樁間土承載力特征值。

復合壓縮模量Epa為：

Epa=mEpa+(1-m)Es

(4)

式中：Ep為樁體壓縮模量(MPa)；

Es為土體壓縮模量(MPa)。

總沉降量S為：

S=msSc

(5)

式中：ms為沉降系數(shù)，與地基條件、荷載強度、加荷速率等因素有關(guān)；

Sc為主固結(jié)沉降。

2.3 計算條件

采用理正軟土地基路堤設(shè)計軟件計算。路堤設(shè)計高度3.88m，分兩次加荷：第一次填土高度3.18m，時間9個月；第二次填土高度0.7m，時間12個月。土層性質(zhì)如表1所示。地下水位埋深為-1.0m。主固結(jié)沉降采用e-p曲線法計算，沉降修正系數(shù)取1.2，分層厚度0.5m。穩(wěn)定計算采用有效固結(jié)應(yīng)力法，條分法的土條寬度為1.0m。

表1 土層性質(zhì)

2.4 設(shè)計方案

根據(jù)采用水泥攪拌樁處理，等邊三角形布置，樁間距為1.5m，樁長需進入粉細砂2m，樁長約5m～8m。沉降和穩(wěn)定計算結(jié)果滿足規(guī)范要求(表2～表3)。由表2、表3可見，采用水泥土攪拌樁處理濱海軟土地基滿足要求。

表2 沉降計算結(jié)果 m

表3 穩(wěn)定計算結(jié)果

2.5 復合地基現(xiàn)場測試

圖1為攪拌樁取芯照片，圖2為靜載荷板試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明，該方案切實可行，達到了預(yù)期效果。

圖1 水泥土攪拌樁取芯法檢測

(a)P-S曲線 (b)S-lg(t)曲線圖2 靜載荷板試驗結(jié)果

3 工程實踐反思

水泥土攪拌樁在濱海地區(qū)軟土路基加固中應(yīng)用時候，應(yīng)注意以下問題：

(1)軟土層有機質(zhì)含量：有機質(zhì)含量是影響水泥土攪拌樁成樁效果的關(guān)鍵因素之一。當有機質(zhì)含量超過5%，水泥可能出現(xiàn)無法凝固或后期崩解的情況。究其原因，一方面是有機質(zhì)中的富里酸與水泥礦物吸附，緩解水泥水化進程；另一方面是有機質(zhì)中的富里酸和胡敏酸會使水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣等水化產(chǎn)物解體，破壞水泥土結(jié)構(gòu)[1]。因此，在濱海地區(qū)采用水泥土攪拌樁加固時，應(yīng)重點關(guān)注軟土有機質(zhì)含量，分析水泥土攪拌樁的可行性。

(2)海水硫酸根離子的濃度：海水中的硫酸根離子對水泥水化產(chǎn)物具有較強的侵蝕性。硫酸根離子會與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生化學反應(yīng)，生產(chǎn)石膏，使水泥土體積膨脹、松動破壞，甚至崩解。特別是當鎂離子和硫酸根離子共同存在時，會分解具有較強膠凝性的水化硅酸鈣，具有較長的腐蝕性[2]。因此按照規(guī)范，在pH小于4的酸性土或在腐蝕性環(huán)境中，必須通過現(xiàn)場和室內(nèi)試驗確定水泥土攪拌樁的適用性。

(3)含水量影響：濱海軟土含水量與水泥土抗壓強度呈反比。研究表明，當土中含水量超過30%時，每增加10%含水量，水泥土強度降低10%～20%[3]。因此，在高含水量的濱海軟土地區(qū)，采用粉體攪拌法加固的效果優(yōu)于漿液攪拌法，施工時應(yīng)采用粉體攪拌法工藝。該工程淤泥質(zhì)土的含水量為51.7%，進行不同水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 不同水泥摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

經(jīng)配合比試驗，水泥摻量取20%，水灰比0.55，測試90d水泥土抗壓強度為3.50MPa，符合設(shè)計要求。經(jīng)實測復合地質(zhì)承載力特征值為87.5kPa，符合設(shè)計要求。

(4)齡期問題：設(shè)計上通常采用90d的水泥土立方體抗壓強度平均值作為水泥土強度，然而，濱海自然環(huán)境條件特殊，采用90d齡期強度難以準確反映單樁承載力。因此，應(yīng)對不同齡期的水泥土試塊進行試驗，從而確定合理的強度參數(shù)。

4 結(jié)語

本文通過福州濱海新城具體道路實例，分析了水泥土攪拌樁在濱海軟基處理中應(yīng)用的可行性，并基此反思了水泥土攪拌樁在濱海地區(qū)軟土路基加固中應(yīng)注意有機質(zhì)含量、硫酸根離子含量、含水量、齡期等問題，可為同類工程提供一定參考。