簡析真空預(yù)壓水泥攪拌樁的防護(hù)作用

張 哲，相如昕，張赫路，戴 超，秦菲菲，李曉寧

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津水運工程勘察設(shè)計院有限公司，天津，300456）

引言

真空預(yù)壓加固軟土地基將對周邊土體產(chǎn)生“收縮效應(yīng)”，即使周邊土體向真空預(yù)壓區(qū)移動[1-2]。根據(jù)工程經(jīng)驗，距真空預(yù)壓邊界20 m 范圍內(nèi)地表沉降較為顯著，甚至?xí)a(chǎn)生地面開裂的情況[3-5]。當(dāng)真空預(yù)壓場區(qū)距離建筑物較近時，規(guī)范[6]要求真空預(yù)壓處理區(qū)的邊界距離已有建筑物20 m 以上，然后通過換填方式處理已有建筑物近距離范圍內(nèi)的軟土。該種方式不僅工藝麻煩，且換填需要在真空預(yù)壓卸載以后進(jìn)行，將會延長工期，影響工程效益。

黃驊港某軟基處理項目采用真空預(yù)壓方式進(jìn)行加固，加固范圍內(nèi)有1 座已建導(dǎo)標(biāo)。真空預(yù)壓加固軟土過程中，土體發(fā)生沉降時已建導(dǎo)標(biāo)樁基礎(chǔ)將產(chǎn)生負(fù)摩阻[7]，促使導(dǎo)標(biāo)基樁軸力增加并發(fā)生沉降，進(jìn)而對已建導(dǎo)標(biāo)的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。本項目工期較緊，不適宜采用真空預(yù)壓時預(yù)留安全距離與預(yù)壓后換填處理建筑物周邊軟土的工藝。現(xiàn)場經(jīng)研究后計劃采用在已建導(dǎo)標(biāo)周圍施打一圈水泥攪拌樁的工藝對已建導(dǎo)標(biāo)進(jìn)行防護(hù)，文章通過ABQUES 軟件對水泥攪拌樁的作用進(jìn)行了分析，結(jié)果表明水泥攪拌樁能顯著減小真空預(yù)壓對導(dǎo)標(biāo)的影響?；谏鲜鲇嬎憬Y(jié)果，現(xiàn)場將水泥攪拌樁工藝付諸實施，直至真空預(yù)壓軟基處理結(jié)束導(dǎo)標(biāo)一直處于安全狀態(tài)，驗證了本工藝的可行性，可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

該真空預(yù)壓軟基處理工程共分為6 個分區(qū)，加固總面積16.2 萬m2，每個分區(qū)為150×180 m 的小分區(qū)，其中第3 分區(qū)內(nèi)存在1 座已建導(dǎo)標(biāo)，導(dǎo)標(biāo)位置見圖1。

圖1 導(dǎo)標(biāo)位置示意圖

根據(jù)勘察資料，導(dǎo)標(biāo)所在的第3 分區(qū)的土層分布從上至下依次為：4.1 m 沖填土、12 m 淤泥質(zhì)粘土、6.4 m 粘土、下部為粉土，土層分布見圖2，相關(guān)指標(biāo)見表1。

圖2 第3 分區(qū)土層分布圖

表1 各土層相關(guān)指標(biāo)

導(dǎo)標(biāo)基礎(chǔ)采用樁基承臺結(jié)構(gòu)，承臺厚度2.6 m，承臺平面尺寸16×16 m，地面高程1.98 m，承臺下部由16 根直徑1 200 mm的鋼筋混凝土灌注樁提供支撐，樁底標(biāo)高約-60 m。導(dǎo)標(biāo)基礎(chǔ)斷面圖見圖3，樁基平面分布圖見圖4。

圖3 導(dǎo)標(biāo)基礎(chǔ)斷面示意圖

圖4 樁基平面布置圖

為保護(hù)真空預(yù)壓期間導(dǎo)標(biāo)的安全，現(xiàn)場研究采用在導(dǎo)標(biāo)承臺四周2 m 距離為軸線沿導(dǎo)標(biāo)承臺四周施打一圈水泥攪拌樁，旨在阻斷真空預(yù)壓抽氣期間導(dǎo)標(biāo)基礎(chǔ)周邊土體的降水，減少導(dǎo)標(biāo)基礎(chǔ)周圍土體沉降或側(cè)向變形。

本工程真空預(yù)壓塑料排水板正方形布置，間距1m，底高程-15 m，抽氣期間真空壓力不小于85 kPa，抽氣時間120 天。水泥攪拌樁采用雙排水泥攪拌樁，單樁直徑700 mm，搭接寬度200 mm，形成墻體寬度1 200 mm。水泥攪拌樁底高程在塑料排水板底端以下2 m，即高程-17 m。水泥攪拌樁平面大樣圖見圖5，施工照片見圖6。

圖5 水泥攪拌樁平面大樣圖

圖6 水泥攪拌樁施工照片

水泥攪拌樁采用強度等級為32.5 MPa 的硅酸鹽水泥作為固化劑，水泥摻入比為20 %，注漿泵額定壓力不小于5 MPa。采用“四噴四攪”的施工工藝，詳細(xì)步驟如下：

1）樁機就位、調(diào)平；

2）預(yù)攪下沉：調(diào)試樁機及相關(guān)設(shè)備使其正常運轉(zhuǎn)，啟動電機，放松鋼絲繩，使樁機攪刀攪拌下沉至設(shè)計加固深度，下沉速度1 m/min，工作電流不超過樁機額定電流。

3）制備水泥漿：樁機預(yù)攪下沉至設(shè)計深度一半時，拌制水泥漿，拌和時間不少于10 min。制備好的泥漿不得離析、沉淀。

4）提升噴漿攪拌：樁機預(yù)攪下沉至設(shè)計深度后啟動灰漿泵，將水泥漿液壓入集料斗中，注漿壓力0.5～1.0 Mpa。先噴漿攪拌30 s，待樁端土與水泥漿充分?jǐn)嚢韬?，邊噴漿、邊旋轉(zhuǎn)提升攪拌頭至設(shè)計樁頂標(biāo)高，攪拌提升速度0.5 m/min。

5）復(fù)攪下沉：均勻復(fù)攪下沉速度1 m/min。

6）重復(fù)提升攪拌：邊旋轉(zhuǎn)、邊提升，重復(fù)攪拌至樁頂標(biāo)高，完成一根樁的施工。

7）移位：將樁機至新的樁位，重復(fù)步驟1）～6），直至所有攪拌樁完成。

8）清洗：將清水注入集料斗中，啟動灰漿泵，將管道中的殘留的水泥漿沖洗干凈。

水泥攪拌樁質(zhì)量控制指標(biāo)見表2。

表2 水泥攪拌樁質(zhì)量控制指標(biāo)

2 數(shù)值計算

2.1 建構(gòu)模型

真空預(yù)壓期間土體沉降會對導(dǎo)標(biāo)基樁產(chǎn)生負(fù)摩阻[7]，從而增加基樁的軸力并使之產(chǎn)生沉降，進(jìn)而影響導(dǎo)標(biāo)的安全。采用ABQUES 軟件進(jìn)行有限元建模，分別計算有水泥攪拌樁和無水泥攪拌樁兩種工況下導(dǎo)標(biāo)基樁的軸力增量與沉降，并對二者進(jìn)行對比，驗證水泥攪拌樁的防護(hù)效果。計算中相關(guān)物理指標(biāo)嚴(yán)格按照規(guī)范[6-8]取值，兩種工況下數(shù)值模型見圖7、圖8。

圖7 無水泥攪拌樁整體數(shù)值模型圖

圖8 有水泥攪拌樁整體數(shù)值模型圖

2.2 基樁軸力增量計算

分析可知，受導(dǎo)標(biāo)四周真空預(yù)壓對承臺下部土體沉降的疊加作用影響，導(dǎo)標(biāo)承臺下部16 根基樁中位于承臺四周的角樁將產(chǎn)生最大的軸力增量，邊樁次之，內(nèi)樁最小。因此角樁是進(jìn)行基樁復(fù)核的控制性因素。方便起見，選取兩種工況下角樁的軸力增量進(jìn)行計算和對比。

無水泥攪拌樁、有水泥攪拌樁兩種工況下角樁軸力增量見圖9。

由圖9 可知，無水泥攪拌樁工況下角樁軸力增量最大值約為3.87×104kN，有水泥攪拌樁工況下角樁軸力增量最大值約為1.85×104kN。對比可知，有水泥攪拌樁工況下比無水泥攪拌樁工況下的角樁軸力增量約小50 %。因此可以判斷水泥攪拌樁可以有效減小真空預(yù)壓期間導(dǎo)標(biāo)基樁的軸力增加幅度。

圖9 角樁軸力增量圖

2.3 基樁沉降

無水泥攪拌樁工況下的基樁沉降云圖見圖10，有水泥攪拌樁工況下的基樁沉降云圖見圖11，兩種工況沉降數(shù)據(jù)對比見表3。

圖10 無水泥攪拌樁基樁沉降云圖

圖11 有水泥攪拌樁基樁沉降云圖

表3 兩種工況基樁沉降對比表

由表3 可知，受導(dǎo)標(biāo)四周真空預(yù)壓對承臺下部土體沉降的疊加作用影響，兩種工況下角樁的沉降值最大，邊樁次之，內(nèi)樁最小。有水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值約為25.7 mm，無水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值為56.2 mm，前者比后者小約54.3 %。因此水泥攪拌樁可以有效減小真空預(yù)壓期間導(dǎo)標(biāo)基樁的沉降。

3 結(jié)語

1）有水泥攪拌樁工況下比無水泥攪拌樁工況下的角樁軸力增量約小50 %，表明水泥攪拌樁可以有效減小真空預(yù)壓期間導(dǎo)標(biāo)基樁的軸力增加幅度。

2）有水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值比無水泥攪拌樁工況下基樁的沉降平均值小約54.3%，表明水泥攪拌樁可以有效減小真空預(yù)壓期間導(dǎo)標(biāo)基樁的沉降。

3）真空預(yù)壓軟基處理項目中水泥攪拌樁對已有建筑物具有較好的保護(hù)作用，與傳統(tǒng)真空預(yù)壓時預(yù)留安全距離與預(yù)壓后換填處理建筑物周邊軟土的工藝相比，無需后續(xù)換填處理環(huán)節(jié)，可以節(jié)省工期。