水泥攪拌樁在沿海地區(qū)道路軟基中的應(yīng)用

張兵兵

（廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361006）

0 項(xiàng)目概述

中興街（錦川小區(qū)段）位于泉州市泉港區(qū)山腰街道，西起驛峰中路，向東止于縱一路，道路全長664 m，為城市主干路，設(shè)計(jì)行車速度40 km/h，道路紅線寬度為50 m與40 m，四幅路與一幅路形式，雙向六車道標(biāo)準(zhǔn)，水泥混凝土路面。主要建設(shè)內(nèi)容有道路、市政管線及其他附屬工程。

1 工程地質(zhì)情況及分析

1.1 工程地質(zhì)情況

項(xiàng)目東北側(cè)為錦川小區(qū)，地形較平坦，現(xiàn)狀高程為5.0 m～6.0 m；西南側(cè)為農(nóng)田及荒地，地形有一定起伏，高程為3.0 m～5.5 m，場地屬濱海平原地貌單元。中興街的路面設(shè)計(jì)高程為5.1 m～6.3 m。

場地上覆第四系人工填土、海積層，下伏花崗巖風(fēng)化層。根據(jù)勘察鉆探揭露，在鉆孔深度范圍內(nèi)，其巖土層自上而下如下所述。

1.1.1 第四系人工填土

地層代號①-1雜填土：雜色，松散～稍密，濕～稍濕，由粉質(zhì)黏土和砼、磚塊等建筑垃圾組成，塊徑為2 cm～20 cm，成分不均勻，堆填時(shí)間約1 a，平均厚度為0.7 m。

地層代號①-2素填土：褐紅色～褐黃色，稍濕，松散～稍密，以粉粘粒為主，含砂、碎塊石等，粒徑為2 cm～10 cm，均勻較差，堆填時(shí)間約1 a，平均厚度1.4 m。

①-2素填土：褐紅色～褐黃色，稍濕，松散～稍密，以粉黏粒為主，含砂、碎塊石等，粒徑為2 cm～10 cm，均勻較差，堆填時(shí)間約1 a，平均厚度為1.4 m。素填土天然快剪C=16.0 kPa，Φ=11.0 °。

1.1.2 第四系海積層

地層代號②-1粉質(zhì)黏土：灰褐～灰黑色，可塑，濕，以粉粘粒為主，砂質(zhì)成分含量為15%～20%，干強(qiáng)度及韌性較高，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，切面較光滑，平均厚度為1.4 m。粉質(zhì)黏土承載力fa0=140 kPa。

地層代號②-2淤泥：灰黑色，流塑，飽和，以粉、粘粒為主，粉細(xì)砂含量約10%～15%，富含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，具腥臭味，污手，干強(qiáng)度及韌性中等，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，切面較光滑，平均厚度為12 m。淤泥承載力fa0=50 kPa。

地層代號②-3粉質(zhì)黏土：灰黃色，可塑，濕，以粉粘粒為主，砂質(zhì)成分含量為15%～20%，干強(qiáng)度及韌性較高，稍有光澤，無搖震反應(yīng)，切面較光滑，平均厚度為3.8 m。粉質(zhì)黏土承載力fa0=170 kPa。

地層代號②-4中砂：灰黑～灰黃色，稍密～中密，飽和，粒徑大于0.25 mm顆粒約占總質(zhì)量的60%～80%，粒間以粉粘粒充填為主，含泥量約10%～15%，分選性較好，級配較差，平均厚度為2.1 m。中砂承載力fa0=180 kPa。

1.1.3 燕山早期花崗巖

③-1全風(fēng)化花崗巖：灰黃色～黃褐色，中粗粒結(jié)構(gòu)，散體狀構(gòu)造，原巖結(jié)構(gòu)依稀可見，巖體極破碎，巖芯呈砂土狀，手捏易散，遇水易軟化，屬極軟巖，平均厚度為3.9 m。

1.2 工程地質(zhì)分析

項(xiàng)目存在深厚的淤泥層，該軟土層天然孔隙比大于1.0，天然含水率大于液限、具有高壓縮性、低強(qiáng)度、高靈敏度、低透水性和高流變性等特點(diǎn)。

對項(xiàng)目進(jìn)行整體沉降分析，主要分為以下2個(gè)部分：1）為了不進(jìn)行地基處理，直接填挖修筑道路，不考慮施工期的沉降，道路荷載考慮路基路面荷載以及運(yùn)營車輛荷載。2） 為了不進(jìn)行地基處理，直接填挖修筑道路，同時(shí)考慮施工期的沉降，道路荷載考慮路基路面荷載與運(yùn)營車輛荷載，以及施工機(jī)械荷載，分析最終的沉降結(jié)果。

由于道路兩側(cè)地塊先于該項(xiàng)目或者同期填筑施工，道路與周邊的場平高程基本相同，因此不考慮道路的整體穩(wěn)定性。

經(jīng)過分析，如果不進(jìn)行地基處理，該項(xiàng)目道路的整體沉降均超過0.3 m，不滿足規(guī)范及道路使用要求，所以需要進(jìn)行地基處理。

2 處理原則與技術(shù)指標(biāo)

2.1 處理原則

軟土地基的處理對于道路建成后的使用質(zhì)量至關(guān)重要，綜合考慮項(xiàng)目所在地的自然條件及項(xiàng)目的工程地質(zhì)與水文情況、道路及管線的工后沉降要求等因素，合理選材、方便施工，并結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，力求選用技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理、綜合效果較好的地基處理方案。

2.2 技術(shù)指標(biāo)

道路軟土路基主要控制2個(gè)指標(biāo)。1）路基的容許工后變形。2）路基的承載力指標(biāo)（復(fù)合地基承載力和單樁承載力）。該項(xiàng)目根據(jù)規(guī)范要求以及設(shè)計(jì)情況，合理地確定技術(shù)指標(biāo)：容許工后變形（管線區(qū)域）≤0.2 m，允許工后變形（管線區(qū)域外的路基）≤0.3 m，復(fù)核地基承載力≥100 kPa，單樁承載力≥120 kN。

3 處理方案的確定與加固原理

3.1 處理方案的確定

根據(jù)上述的處理原則及需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，將以下幾種處理方案進(jìn)行對比：挖除換填法（不適用于厚淤泥層）；強(qiáng)夯置換法（對周邊已建小區(qū)建筑影響大）；堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓加塑料排水板（工期長）；剛性樁（造價(jià)高）均不適合在該項(xiàng)目使用。水泥攪拌樁加固深度深、對周邊建筑影響小、工期快、造價(jià)經(jīng)濟(jì)，所以適用于該項(xiàng)目的軟土處理[1]。

3.2 水泥攪拌樁的加固原理

水泥攪拌樁是用固化劑水泥漿與外加劑通過專用的攪拌機(jī)械輸送到軟弱土層中，并充分?jǐn)噭影韬停袒瘎┡c軟弱土層之間產(chǎn)生了一系列物理化學(xué)反應(yīng)，從而改變原狀土的結(jié)構(gòu)，使其硬結(jié)成為具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土固化材料。

水泥攪拌樁的加固原理主要是通過水泥的水解反應(yīng)和水化反應(yīng)（水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣和硫酸鈣等，與軟土中的水反應(yīng)，生成一系列的化合物，如氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等）；水泥的各種水化物生成后，有的水化物自身繼續(xù)硬化，從而形成水泥石骨架，有的水化物與周圍具有一定活性的粘土顆粒進(jìn)行離子交換，通過凝結(jié)反應(yīng)、團(tuán)?；饔靡约疤妓峄饔玫纫幌盗谢瘜W(xué)反應(yīng)，從而形成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土樁體。

4 水泥攪拌樁的設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 水泥攪拌樁樁徑與樁間距的確定

根據(jù)規(guī)范要求及計(jì)算結(jié)果，確定樁徑采用0.6 m，樁間距采用1.4 m，樁的布置方式采用等邊三角形布置。

4.2 單樁承載力與復(fù)合地基承載力的計(jì)算

在該項(xiàng)目的計(jì)算過程中，分別對每個(gè)斷面進(jìn)行了力學(xué)計(jì)算，現(xiàn)僅列出最不利位置樁基復(fù)核的結(jié)果。

單樁承載力計(jì)算：水泥攪拌樁90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度fcu不小于1.8 MPa，通過計(jì)算水泥攪拌樁周邊土體和樁端土體的抗力所提供的單樁承載力和水泥攪拌樁樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力，最終采用2種計(jì)算結(jié)果較小值。水泥攪拌樁周邊土體和樁端土體的抗力所提供的單樁承載力Ra1=up×qs×l+a×Ap×fk=389.811 kN（式中up為樁的周長、qs為樁周土的側(cè)阻力特征值、l為土層的厚度、a為樁端地基土的承載力折減系數(shù)、Ap為樁的截面積、fs為樁端地基土承載力特征值）；水泥攪拌樁樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力Ra2=η×fcu×Ap=127.23 kN（式中η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)、fcu為水泥攪拌樁90 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、Ap為樁的截面積）。

復(fù)合地基承載力的計(jì)算如公式（1）所示。

式中：fspk為復(fù)合地基承載力；m為樁土面積置換率；Ra為單樁承載力；Ap為樁的截面積；β為樁間土承載力折減系數(shù)；fsk為處理后樁間土承載力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，單樁承載力和復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 樁頂褥墊層設(shè)計(jì)

考慮到水泥攪拌樁和淤泥的力學(xué)性質(zhì)差別較大，并且道路下布置市政管線，為保證復(fù)合地基的整體受力性能，所以在樁頂設(shè)置50 cm碎石墊層，并且碎石墊層中每隔一段距離設(shè)置碎石反濾包，通過φ400 mmPE管就近接入雨水井，PE管坡向雨水檢查井≥3%，從而也起到排水的效果，如圖1所示。

4.4 沉降分析

地基總沉降計(jì)算方法采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，主固結(jié)沉降計(jì)算方法采用e-p曲線法，沉降修正系數(shù)采用1.1，沉降計(jì)算的分層厚度采用 0.50 m，壓縮層厚度判斷應(yīng)力比采用15%。

路面竣工時(shí)，地基沉降為0.101 m；路面竣工后，基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降為0.199 m；基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)，地基沉降為0.300 m；最終地基總沉降為0.392 m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，路基的容許工后變形滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 管基與井底等特殊部位的處理

該項(xiàng)目的雨水、污水管管底高程低于復(fù)合地基頂面高程，且管徑較大，為了保證管底有足夠的承載力，同時(shí)減少路基沉降對管道的不利影響，在管底至少應(yīng)該保證有3根水泥攪拌樁形成復(fù)合地基來承載管道，管道檢查井井底也采用同樣的處理方式，如圖2所示。

5 水泥攪拌樁的施工方法及質(zhì)量控制要點(diǎn)

水泥攪拌樁的施工方法如下：1） 整平場地，暴曬；采用兩噴四攪工藝打入水泥攪拌樁；待復(fù)合地基滿足要求，檢測合格后，再進(jìn)行管線及路基路面施工。2）施工流程：定位→預(yù)攪下沉→制備水泥漿→提升噴漿和攪拌→重復(fù)上下攪拌→清洗→移位→施工下一根樁。樁基施工后回填50 cm厚的碎石墊層并整平壓實(shí)，同步設(shè)置土工格柵。

圖1 碎石墊層排水措施平面示意圖

圖2 管基處理橫斷面布置圖

水泥攪拌樁的質(zhì)量控制要點(diǎn)有12個(gè)：1） 水泥摻入量按加固土室內(nèi)配合比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇，可以先按照14%～16%進(jìn)行試配，施工前宜作配合比試驗(yàn)來確定水泥摻入量。2） 水泥攪拌樁在施工前，必須進(jìn)行試樁試驗(yàn)，數(shù)量不少于6根，以校核機(jī)具性能及施工參數(shù)，主要包括灰漿稠度、工作壓力、鉆進(jìn)和提升速度等參數(shù)，并了解下鉆及提升的阻力情況，以便采取相應(yīng)的措施。3） 施工前應(yīng)做好場地清理及場地排水工作。4） 復(fù)攪次數(shù)為2次，攪拌鉆進(jìn)速度宜為0.8 m/min～1.0 m/min，攪拌提升速度宜為0.5 m/min～0.8 m/min。5）注漿泵出口壓力應(yīng)保持在0.4 MPa～0.6 MPa，水泥漿液水灰比宜采用0.45～0.55。6） 停漿面應(yīng)高于樁頂不少于50 cm，成樁后人工挖除樁端。7）如果水泥攪拌樁位置與地下管線及其他構(gòu)造物有沖突時(shí)，應(yīng)注意避讓。8） 采用的水泥為42.5級的普通硅酸鹽水泥，采用飲用水，使用非飲用水需控制硫酸鹽和含鹽量，pH值≥4。9） 施工過程應(yīng)保持?jǐn)嚢铇稒C(jī)底盤的水平與導(dǎo)向架的豎直，單樁的樁位允許偏差為樁徑的±40%，樁身的垂直度允許偏差應(yīng)為±1%，成樁直徑和樁長不得小于設(shè)計(jì)值。10） 在施工中應(yīng)該定期檢查槳葉的尺寸，鉆頭直徑損耗≤1 cm。11）制備好的水泥漿液不能離析，泵送過程必須連續(xù)，拌制水泥漿液的罐數(shù)、固化劑和外摻劑的用量以及泵送漿液的時(shí)間等應(yīng)有專人記錄。12） 施工中因故停漿時(shí)，應(yīng)將攪拌頭下沉至停漿面以下0.5 m，待恢復(fù)供漿后再噴漿提升。當(dāng)停機(jī)超過3 h時(shí)，為了防止?jié){液硬結(jié)堵管，應(yīng)拆卸輸漿管路，清洗后才能繼續(xù)施工[2]。

6 水泥攪拌樁的質(zhì)量檢驗(yàn)

6.1 水泥攪拌樁的檢驗(yàn)要求

水泥攪拌樁復(fù)合地基質(zhì)量檢驗(yàn)是保證工程成功的必要步驟，其應(yīng)貫穿于施工的全過程，并應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持施工全過程的監(jiān)理。

在施工期間主要檢驗(yàn)水泥攪拌樁的樁位、樁頂與樁底標(biāo)高、樁身垂直度、樁身水泥摻入量、水泥標(biāo)號、攪拌頭上提與下降的速度、外摻劑的選用、漿液水灰比以及水泥漿液的均勻性等。

施工后主要對水泥攪拌樁進(jìn)行鉆探取芯試驗(yàn)、單樁載荷試驗(yàn)和復(fù)合地基載荷試驗(yàn)等，并且應(yīng)該進(jìn)行沉降觀測。1） 在成樁28 d后進(jìn)行鉆探取芯，即用鉆孔方法連續(xù)取出水泥攪拌樁樁芯，取出的芯樣用鋸、刀切割成試塊。抽檢頻率為總樁數(shù)的1%～2%，取芯位置宜在樁直徑2/5處。應(yīng)將代表性芯樣應(yīng)加工成直徑φx高度h=50mm×100mm的圓柱體，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。強(qiáng)度值應(yīng)該達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)取芯芯樣對樁的均勻性和完整性進(jìn)行檢查。2） 在成樁28 d或90 d后進(jìn)行載荷試驗(yàn)，檢驗(yàn)單樁承載力和復(fù)合地基承載力。對于承受垂直荷載的水泥攪拌樁，荷載試驗(yàn)是最可靠的質(zhì)量檢驗(yàn)方法，在單樁復(fù)核地基荷載試驗(yàn)中，荷載板應(yīng)有足夠的剛度，其大小應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)置換率來確定，即荷載板面積應(yīng)為一根樁所承擔(dān)的處理面積。抽檢頻率為總樁數(shù)的0.3%～0.5%，且不應(yīng)少于3處。測定的承載力應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3） 其余項(xiàng)目的檢驗(yàn)要求見表1。

表1 水泥攪拌樁質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

6.2 路基沉降及穩(wěn)定觀測

沉降和穩(wěn)定觀測是控制路堤穩(wěn)定的有效方法。根據(jù)軟基處理的經(jīng)驗(yàn)，對沉降及位移觀測點(diǎn)的布設(shè)提出如下要求：每隔100 m設(shè)路中沉降板和兩側(cè)路基邊線沉降板，穩(wěn)定性較差段落設(shè)兩側(cè)位移邊樁。施工期間按路堤中心線地面沉降速率每晝夜≤10 mm、坡腳水平位移速率每晝夜≤5 mm控制路堤穩(wěn)定性。路面鋪筑必須待沉降穩(wěn)定后進(jìn)行。沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用雙標(biāo)準(zhǔn)控制，即推算的工后沉降應(yīng)小于設(shè)計(jì)容許值，同時(shí)連續(xù)2個(gè)月觀測每月沉降不超過5 mm。

7 結(jié)語

沿海地區(qū)道路中普遍存在軟弱土層，軟土層具有高壓縮性、低強(qiáng)度、高靈敏度、低透水性和高流變性等特點(diǎn)，如果不加以處理，會導(dǎo)致后續(xù)道路的沉降大、穩(wěn)定性差。水泥攪拌樁加固深度大、對周邊建筑影響小、工期快、造價(jià)經(jīng)濟(jì)，所以較為適用于該區(qū)域的軟土層處理。根據(jù)規(guī)范與計(jì)算合理確定水泥攪拌樁的樁徑與樁間距、單樁承載力與復(fù)合地基承載力等設(shè)計(jì)參數(shù)，并在樁頂設(shè)置褥墊層，保證復(fù)合地基的整體受力性能，從而更好地控制路基的工后變形量并且應(yīng)該規(guī)范施工全過程，對水泥摻入量、注漿泵出口壓力、水泥漿液水灰比、攪拌頭上提與下降的速度、水泥漿液的均勻性等進(jìn)行控制，再對水泥攪拌樁進(jìn)行相關(guān)檢測，保證水泥攪拌樁對軟土路基進(jìn)行有效地處理。