加芯攪拌樁芯樁定位限垂技術的研發(fā)與應用

羅力軍

中鐵十一局集團第三工程有限公司，湖北 十堰 442000

加芯攪拌樁是一種由水泥土攪拌樁和預制芯樁組成的復合樁，在水泥土攪拌樁固結前貫入預制芯樁，將兩者有機結合為一體［1］。加芯攪拌樁綜合了混凝土預制樁和水泥土攪拌樁的優(yōu)點，既能充分發(fā)揮芯樁強度高的優(yōu)點，又可充分利用水泥土攪拌樁較高的側摩阻力，有效提高樁體承載性能［2-3］。其樁身強度和承載力較攪拌樁可提高2～10倍，較同直徑鉆孔樁可提高30%以上［4］。并且，具有成樁速度較快、造價低廉、成樁質量高和無污染等優(yōu)點，是一種極具開發(fā)前景的新型樁［5］。近年來，隨著工程建設對軟土地基承載力和沉降要求的不斷提高，加芯攪拌樁受到工程界的廣泛關注，已成為軟基加固的重要方法［6-8］。

伴隨著加芯攪拌樁應用的日漸廣泛，國內學者對其施工工藝及質量控制等方面的研究也日益興起。趙欣［9］和傅國強［10］等在污水處理廠樁基工程中對單軸攪拌樁樁架進行機械改造，將加芯攪拌樁的打設深度增長至42.5 m，并提煉出一套超高密度加芯攪拌樁的群樁施工工藝。陳佐林［11］為提高鐵路車站軟土樁基的施工質量，在多向加芯攪拌樁施工中提出“一噴四攪”施工工藝和一套有效的質量控制方法。商志清［12］對12根試樁開展工藝試驗研究，確定了水利工程中加芯攪拌樁的四攪二噴濕噴成樁工藝。上述研究促進了加芯攪拌樁施工技術的日益成熟，但在施工條件日趨多樣化的背景下，設備研發(fā)和施工技術創(chuàng)新仍是當前研究的熱點和難點。加芯攪拌樁由于高強度芯樁的引入而呈雙層擴散的荷載傳遞模式［13］，可有效改善荷載傳遞途徑和深度［14］，實現(xiàn)復合材料樁高承載低沉降［15］的特性，芯樁就是加芯攪拌樁的核心。然而，工程實踐中，芯樁的偏位和傾斜常有發(fā)生，造成加芯攪拌樁受力特性改變，進而影響樁體承載力的正常發(fā)揮。因此，芯樁貫入質量是加芯攪拌樁質量控制的關鍵，芯樁的定位限垂技術成了施工工藝研究重點和難點。本文結合新疆地區(qū)鐵路配套設施樁基工程實際條件，對加芯攪拌樁的兩種傳統(tǒng)工法進行可行性分析后，基于現(xiàn)場試樁工藝試驗，研發(fā)了一種簡易化的芯樁貫入定位限垂挑臂裝置，總結了一套較系統(tǒng)的加芯攪拌樁施工技術。并且，該技術首次成功應用于新疆地區(qū)23 450根樁基工程，樁基質量高、成樁速度快，可為今后同類工程施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件及地基處理技術

莎車縣火車西站鐵路物流中心鐵路專用線S1標北側貨物線場坪及通站道路工程位于喀什地區(qū)莎車縣，屬于重點扶貧攻堅工程——莎車縣火車西站鐵路物流中心鐵路專用線工程的重要部分。項目處于葉爾羌河、提孜那甫河沖擊平原區(qū)，河網水系、渠系發(fā)育。根據(jù)地質勘探資料，該區(qū)域內無基巖出露，地表沉積物以砂質-粘質土為主，覆蓋層厚度大于50 m。地下水較豐富，主要為第四系孔隙水，賦存于覆蓋層內。鉆孔實測穩(wěn)定水位一般埋深為0.3～2.2 m，最大埋深為3.8 m，高程為1 231.600～1 236.138 m，水量較大。該工程呈明顯的厚層高含水量軟土地質條件，應采用加芯攪拌樁進行地基處理。

本項目基礎采用23 450根水泥土加芯攪拌樁，芯樁采用鋼筋混凝土預制樁。樁間距1.2 m，呈正三角形布置，樁徑為0.5 m，樁長5～11.7 m，打入下臥層深度不小于0.5 m。單節(jié)芯樁采用頂截面為200 mm×200 mm，底截面為150 mm×150 mm倒四方棱臺形；多節(jié)樁首節(jié)芯樁采用單節(jié)芯樁，其它節(jié)芯樁采用截面為150 mm×150 mm四方柱形，各節(jié)芯樁通過鋼套筒硫磺膠泥連接。

1.2 施工工藝及現(xiàn)有施工方法

加芯攪拌樁施工大體上由前期水泥土攪拌外樁施工和后期壓入芯樁施工兩部分組成，如圖1所示。施工流程如圖2所示，具體為：測放樁位→樁位復核→水泥土攪拌樁機就位→水泥土攪拌樁施工→靜壓樁機就位（6 h內）→樁位復核→靜壓樁機壓樁→成樁完畢→移至下一根施工。

圖2 加芯攪拌樁施工流程Fig.2 Construction flow of cement soil cored mixing pile

目前，根據(jù)機械配備的不同，加芯攪拌樁施工方法分為兩類。1）壓樁設備配合攪拌樁機作業(yè)法，如圖3（a）所示。由攪拌樁機施工水泥土攪拌外樁后，采用壓樁機或在挖掘機上增加壓樁設備將預制芯樁壓入水泥土攪拌樁，形成勁性復合樁。2）一體式加芯樁機作業(yè)法，如圖3（b）所示。壓樁設備安裝在攪拌樁機上，水泥土攪拌樁施工成型后，將攪拌樁機移位，并將預制芯樁起吊送入導向支架，最后將芯樁緩慢壓入攪拌樁樁體，形成勁性復合樁。前者需單獨配置壓樁設備，不僅投入成本高，而且施工空間大、速度慢、效率低，同時壓樁過程中芯樁垂直度控制較差。后者施工簡便且施工速度快、效率高，且壓樁過程中芯樁垂直度易控制。

圖3 兩類加芯攪拌樁施工方法：（a）壓樁設備配合攪拌樁機，（b）一體式加芯樁機Fig.3 Τwo types of construction methods for cement soil cored mixing piles：（a）pile driver with pile-pressing equipment，（b）integrated pile driver

1.3 現(xiàn)有工法可行性分析

莎車縣火車西站鐵路物流中心鐵路專用線S1標北側貨物線場坪及通站道路工程含約12 000 m2線場坪和2 km道路，于2020年9月開工，計劃工期僅1年。工期緊，工程量大，且新疆地區(qū)缺乏勁性復合樁施工經驗，23 450根加芯攪拌樁施工就成了整個項目的重點控制性工程。根據(jù)工程實際，表1從技術、設備和工期三方面對比分析了現(xiàn)有兩種施工方法的可行性。

表1 加芯攪拌樁兩種傳統(tǒng)施工方法優(yōu)缺點比較Τab.1 Comparison of two conventional construction methods of cement soil cored mixing piles

由表1分析可知，現(xiàn)有兩種施工方法均無法滿足本項目加芯攪拌樁的施工需求，施工機械成了影響施工進度和質量的關鍵。在施工機械設備受新冠疫情影響跨省調配受限的背景下，一體式加芯樁機作業(yè)法因施工設備無法購置而不可行，而壓樁設備配合攪拌樁機作業(yè)法不僅施工進度慢，且芯樁定位及垂直度難以控制。因此，需結合兩種工法優(yōu)點，開發(fā)一套簡易化的芯樁定位限垂技術，以保證芯樁貫入質量，保障加芯攪拌樁的快速、高質施工。

2 加芯攪拌樁芯樁定位限垂挑臂設計與施工

2.1 加芯攪拌樁芯樁定位限垂裝置設計

本項目攪拌樁機與樁位間距呈現(xiàn)等間距特征，在行進過程中攪拌樁機鉆桿位置與樁位固定。因此，參考圖4所示的一體式加芯樁機，提出一種定型導向架裝置——定位限垂挑臂，固定樁機鉆桿位置與樁位，使得芯樁位置與垂直度達到設計要求。

圖4 一體化加樁機示意Fig.4 Schematic of integrated pile driver for cement soil cored mixing piles

首先，分析定位限垂裝置應具備的使用功能及組成方式，形成了如圖5所示的加芯攪拌樁芯樁定位限垂挑臂研發(fā)方案。

圖5 芯樁定位限垂挑臂研發(fā)方案Fig.5 Research and development program of overhang for core pile locating and verticality limiting

定位限垂裝置的設計細節(jié)如下：

1）導向架結構設計：攪拌樁機完成水泥土攪拌外樁施工后，行進至下一樁位。由于加芯攪拌樁的樁間距為1.2 m，鉆桿至攪拌樁機水平方向邊緣的距離為0.68 m，為固定鉆桿位置與樁位，只需要將導向架長度控制在0.52 m，即為攪拌外樁的中心位置。為了保證芯樁垂直貫入，在導向架前沿將預制芯樁定位板焊接成90°槽口，使樁芯可沿著槽口垂直貫入，總體設計如圖6所示。

圖6 芯樁定位限垂挑臂總體設計Fig.6 Overall design of overhang for core pile locating and verticality limiting

2）導向架材料設計：分析芯樁垂直度控制過程，設計導向架剛度。首先改變導向架材質和尺寸，模擬計算導向架在芯樁貫入過程的變形和受力。然后，從經濟、安全及加工難度等多方面進行對比分析，確定導向架選用10 mm厚鋼板焊接結構，以保證挑臂具有足夠的剛度及垂直度。

3）定位板結構設計：定位板尺寸是影響芯樁貫入質量的關鍵，尺寸不合理會導致芯樁偏移和傾斜。因此，結合實際工程芯樁尺寸及其貫入施工質量影響因素，設計不同尺寸的定位板，通過現(xiàn)場試樁工藝試驗獲取芯樁定位和傾斜數(shù)據(jù)，基于試驗數(shù)據(jù)進行設計優(yōu)化，確定定位板最優(yōu)尺寸。并且，經現(xiàn)場驗證，優(yōu)化的定位板能滿足芯樁定位和垂直度的精度要求。最終，定位限垂挑臂結構設計詳圖及立體圖分別見圖7和圖8。

圖7 芯樁定位限垂挑臂設計圖：（a）立面圖，（b）俯視圖，（c）剖面圖Fig.7 Diagrams of overhang for core pilelocating and verticality limiting：（a）elevation，（b）top view，（c）cross-section

2.2 芯樁貫入施工技術

1）測量定位：混凝土芯樁貫入前，必須精確進行施工測量，將預制樁芯縱橫向中心線用墨線標記出來，施工時根據(jù)芯樁中心線對位定位板工裝檐口中心線。

2）導向架定位：水泥攪拌樁機完成水泥土攪拌外樁施工后，行進到下一樁位，將鉆桿與樁位位置固定，調整導向架定位板對準施工完畢的水泥土攪拌樁中心。

3）芯樁貫入：芯樁應在水泥土攪拌外樁施工完成后及時貫入，宜控制在攪拌外樁施工完成后6 h以內。在鋼板槽口安裝與預制芯樁相同尺寸大小的套箍，槽口與鋼板之間安裝滑輪。施工開始后，啟動振動器和鋼絲繩加壓系統(tǒng)，加壓器及樁芯因自重沿著滑輪逐步下沉，樁芯端部位置接近地面時，重新復核樁位；然后啟動加壓設備振動沉樁，平穩(wěn)連續(xù)不間斷地加壓芯樁，勻速壓入至控制高程。

沉樁時，芯樁居中，樁位偏差不應大于10 mm；且樁身應垂直，垂直度偏差不應超過0.5%。當樁芯垂直度出現(xiàn)偏差后，滑輪會矯正其垂直度，直至壓至設計深度。單節(jié)樁應一次性連續(xù)沉樁到位，接樁、送樁應連續(xù)進行，中間停歇時間不應超過30 min。芯樁貫入施工現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 加芯攪拌樁芯樁貫入施工Fig.9 Penetration construction of core pile in cement soil cored mixing piles

3 加芯攪拌樁芯樁定位限垂技術應用研究

為驗證芯樁定位限垂挑臂及施工技術的實際效果，將其應用于莎車縣火車西站鐵路物流中心鐵路專用線S1標北側貨物線場坪及通站道路樁基工程中。表2和表3分別列出了未采用和采用定位限垂技術的加芯攪拌樁的芯樁貫入質量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其中抽查未采用定位限垂技術施工的加芯攪拌樁5個區(qū)塊，共200根，而采用定位限垂技術施工的加芯攪拌樁6個部位，共600根。

由表2和表3的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，未采用定位限垂技術施工的加芯攪拌樁的芯樁貫入質量合格率偏低，5個抽檢區(qū)塊的合格率基本低于80.0%，最大為82.5%，而最低為70.0%。200根抽檢樁中，有49根樁不合格，芯樁垂直度和樁位偏位不合格的樁數(shù)分別為24和25，總合格率為75.5%。采用定位限垂技術的加芯攪拌樁的芯樁貫入質量合格率得到顯著提高，6個抽檢區(qū)塊的合格率均為96%和97%。600根抽檢樁中，僅有20根樁不合格，芯樁垂直度和樁位偏位不合格的樁數(shù)均為10，總合格率為96.7%。因此，研發(fā)的加芯攪拌樁定位限垂技術可有效控制加芯攪拌樁的芯樁垂直度和樁位，大幅提升芯樁貫入質量。

表3 定位限垂技術施工芯樁貫入質量統(tǒng)計Τab.3 Statistical data of penetration quality of core piles using locating and verticality limiting technology

至2021年3月20日本項目已完成23 450根加芯攪拌樁的施工，比原計劃工期提前了約30 d，且施工中未發(fā)生事故。其中，前期采用壓樁設備配合攪拌樁機作業(yè)法施工加芯攪拌樁4 680根，工期約2個月；后期應用了研制的定位限垂挑臂裝置后，施工樁基18 770根，工期約4個月。由此可見，與壓樁設備配合攪拌樁機作業(yè)法相比，研發(fā)的加芯攪拌樁定位限垂技術可提升加芯攪拌樁施工效率約1倍，顯著加快了施工進度。

4 結 論

本文以新疆莎車縣火車西站鐵路物流中心鐵路專用線項目23 450根加芯攪拌樁為依托，研發(fā)了一套簡易的加芯攪拌樁芯樁貫入定位限垂挑臂設備，并進行應用研究。

1）現(xiàn)有的壓樁設備配合攪拌樁機作業(yè)法和一體式加芯樁機作業(yè)法在新冠疫情期間新疆地區(qū)的攪拌樁施工均不可行，前者存在施工效率低及芯樁貫入質量控制難度大的弊端，而后者存在機械笨重及設備成本高的缺點。因此，研發(fā)一套簡易化的芯樁貫入定位限垂技術是新疆地區(qū)深厚層軟土地基處理的迫切之需，且契合國家“綠色發(fā)展、低碳環(huán)?！崩砟?。

2）為控制芯樁垂直度和定位精度，在分析加芯攪拌樁的施工工藝基礎上，提出了采用“芯樁定位導向架”方案，利用現(xiàn)場試樁試驗對導向架和定位板進行優(yōu)化設計，形成一種簡易化的加芯攪拌樁芯樁定位限垂挑臂裝置和相應的加芯攪拌樁施工技術。

3）研發(fā)的加芯攪拌樁定位限垂技術可有效控制芯樁的定位和垂直度，顯著提升加芯攪拌樁的施工效率和施工質量，施工的樁基合格率平均值高達96.7%，且施工速率對傳統(tǒng)的壓樁設備配合攪拌樁機作業(yè)法提升了1倍。

4）芯樁貫入定位限垂挑臂在本工程的應用，是新疆地區(qū)軟基處理的首個成功案例，且形成了一系列的關鍵技術，可進一步提煉和總結，系統(tǒng)集成技術要點，在今后項目中繼續(xù)推廣運用，從而推動我國交通行業(yè)的發(fā)展進步，提高我國土木施工行業(yè)的技術水平。