砂樁對水泥土攪拌樁成樁效果影響分析

蔣惠雄 江門市新會區(qū)水利綜合服務中心

我國濱海地區(qū)軟弱地基分布廣泛，土質(zhì)類型主要有淤泥及淤泥質(zhì)土等。軟弱地基物理力學性質(zhì)差，具有高度壓縮性，地基承載力較低，其承載能力難以滿足工程建設的需要。提高軟弱地基承載能力的方法一般有預壓法、預制管樁、鉆孔灌注樁、水泥土攪拌樁等，濱海地區(qū)在工程項目對沉降無嚴格要求情況下，很多選用了水泥土攪拌樁對軟弱地基進行處理，使其形成復合地基，在一定程度內(nèi)提高地基承載能力。但水泥土攪拌樁存在一定的缺點，比如成樁效果難以保證，許多工程項目在進行水泥土攪拌樁設計時加入了砂樁，試圖改善其成樁效果。

1.砂樁結合水泥土攪拌樁的設計原理

1.1 砂樁的原理

砂樁屬于散樁體復合地基的一種，根據(jù)施工方法的不同分為擠密砂樁和振密砂樁，用振動或沖擊荷載在軟弱地基中成孔后將砂再擠入土中，形成大直徑的密實砂樁體的加固地基方法。其加固地基的原理是在成樁過程中通過振密、擠密周邊土層，提高松散砂土、粉土地基的承載力。國內(nèi)外也有一些工程項目用砂樁來處理軟弱粘性土，試圖通過利用砂樁的置換作用和排水固結作用提高軟弱土層的穩(wěn)定性。砂樁在軟弱地基中可以形成砂樁復合地基，堆載預壓后進一步提高復合地基的承載力，減少地基沉降量，并提高地基的整體穩(wěn)定性[1]。

1.2 水泥土攪拌樁的原理和優(yōu)缺點

水泥土攪拌樁是利用水泥作為固化劑，利用施工機械在地基深處就地將軟土和水泥或水泥漿液強制拌和，使其在土體中形成具有一定性能和形狀的固結體，并與樁間土形成復合地基，提高地基的強度和增大變形模量。

但因為我國濱海地區(qū)的軟弱土層多為淤泥和淤泥質(zhì)土，土層含水量大，水泥土攪拌樁在軟弱土層中的凝固時間一般較長，對施工工期的影響較大，增大了在建水利工程項目的度汛壓力；同時水泥土攪拌樁是水泥和土在地基深處就地拌和形成，屬于隱蔽項目，成樁受土質(zhì)、水泥摻入量、施工工藝等影響，成樁的效果難以保證。

1.3 砂樁結合水泥土攪拌樁

在進行水泥土攪拌樁進行軟弱地基處理前，先對其進行砂樁處理，改變和優(yōu)化地基土的物理力學性能后進行水泥土攪拌樁施工，加快攪拌樁的凝固時間，改善水泥土攪拌樁的成樁效果。

2.砂樁結合水泥土攪拌樁的具體應用

2.1 項目概況

某水閘新建項目位于珠江水系潭江左岸的一級支流，河道最大寬度242m，閘址距離河口約280m，工程區(qū)屬于沖積平原地貌。擬建水閘為內(nèi)河水運航道上的通航建筑物，集通航、防洪、排澇、擋潮于一體的綜合性水利工程。水閘通航孔居中布置，共2孔，常規(guī)水閘共4孔，布置在通航孔兩側，總凈寬80m。

2.2 地質(zhì)勘查情況

在擬建水閘閘址布置勘探鉆孔11個，根據(jù)鉆孔揭露，閘基地層從上至下分別為①層人工填土層、②-1粉質(zhì)粘土層、②-2淤泥層、②-3粘土層、⑤-1粉砂層、⑤-2中粗砂層、⑤-3含卵石礫砂層、⑤-4圓礫層。根據(jù)閘室段勘探資料，擬建水閘閘室、護坦及兩岸翼墻為10.6～18.8m厚的②-2淤泥，層底高程為-20.9～-11.89m，該層為高壓縮性土，低強度、高靈敏度和微透水性，為不良閘基土，不宜做天然地基持層。淤泥土的物理力學指標粘聚力在4～5Kpa，內(nèi)摩擦角介于1.3～2.30之間，壓縮系數(shù)在1.845～2.732之間，壓縮模量在1.325～1.535MPa之間，天然含水率w=34%～121.8%，有機質(zhì)含量在2.06～2.74%之間，小于5%。

2.3 水閘地基處理方案

擬建水閘閘基高程為-4.1m，置于淤泥層上，水閘地基淤泥層深厚，承載力特征值區(qū)間為30～40kPa，遠低于水閘計算所需的地基承載力，未經(jīng)處理不能做天然地基基礎。經(jīng)過比較借鑒本地區(qū)水閘地基處理的經(jīng)驗，擬采用能適應地基變形、造價較低的水泥土攪拌樁進行處理，同時考慮加入砂樁，嘗試改善水泥土攪拌樁成樁效果。

為檢驗加入砂樁對水泥土攪拌樁成樁效果的影響情況，更好的確定水泥土攪拌樁地基加固的技術參數(shù)，設計2 種不同的地基處理方案進行成樁試驗。方案一為砂樁結合水泥土攪拌樁地基處理方式，砂樁直徑600mm，樁間距1500mm，水泥土攪拌樁直徑600mm，樁間距1500mm，施工順序為先振動施工砂樁后施工水泥土攪拌樁。方案二為純水泥土攪拌樁地基處理方式，水泥土攪拌樁直徑600mm，樁間距1500mm。試驗樁的樁長為20m左右，分別在28d和60d齡期條件下，對試驗樁體進行全長鉆探取芯，并進行無側限抗壓強度試驗。

2.3.1 設計參數(shù)

砂樁結合水泥土攪拌樁采用濕噴的施工方法，工藝采用四攪四噴，水泥摻入量有90（kg/m）、110（kg/m）、120（kg/m）3種，水灰比0.45～0.50，每種水泥摻量下共2根試驗樁，攪拌樁穿透淤泥層。純水泥土攪拌樁處理方案同樣采用濕噴的施工方法，工藝采用四攪四噴，水泥摻入量有90（kg/m）、110（kg/m）、120（kg/m）3種，水灰比0.45～0.50，每種水泥摻量下共2根試驗樁，攪拌樁穿透淤泥層。

2.3.2 試驗施工工藝

攪拌桿下沉速率為0.4～0.7m/min，提升速度為0.3～0.5m/min，轉速不小于50轉/min，10m的攪拌樁的施工時間不小于40min。通過控制提升速度分層加固軟土，提升速度純淤泥段盡量取小值，砂層可取大值，水泥漿泵出口壓力保持在0.4～0.6Mpa，并應使提升速度與輸漿速度同步，不得離析，泵送保持連續(xù)。

施工時保持攪拌樁機底盤的水平和導向架的豎直，攪拌樁的垂直偏差不超過1%；樁位偏差不大于50mm；攪拌漿液的數(shù)量、水泥用量和泵送漿液的時間等及時做記錄，嚴格控制水泥用量。因故停漿，應返回到停漿點以下0.5m，待恢復供漿時再噴漿提升。停機3小時以上，應拆洗管路，正常后重新施工。要求樁徑和樁長不得小于設計值。攪拌樁施工時觀察、記錄地表返泥漿情況，施工后第2天實測返漿的體積后，立即清除表面返漿。

2.4 成樁工藝

攪拌樁成樁工藝效果通常采用成樁連續(xù)性和單軸抗壓強度兩個指標來衡量，圖1所示為攪拌樁成樁工藝流程圖。通過外觀鑒定樁身連續(xù)性，有無縮頸及松散情況，攪拌是否均勻；鉆孔抽芯進行單軸抗壓強度的檢測，本次抽芯齡期采用28d，抽芯機械為XY-1A-4型油壓高速鉆機。

圖1 攪拌樁成樁工藝流程圖

總體來看，水泥土攪拌樁成樁連續(xù)性評價多為一般，砂樁結合水泥土攪拌樁成樁連續(xù)性評價多為差，外觀鑒定水泥土攪拌樁優(yōu)于砂樁結合水泥土攪拌樁。抽芯強度兩種樁型持平，但水泥摻量120kg/m的水泥土攪拌樁抽芯強度離散性較低。

2.4.1 砂樁結合水泥土攪拌樁成樁工藝

水泥摻量為90kg/m的樁體，外觀鑒定芯樣膠結一般，呈柱狀、塊狀，局部松散，攪拌不均勻，連續(xù)性差；抽芯強度隨樁身變化，分布較離散，最大值達到2.5MPa，樁深4-10m范圍抽芯強度較高，約1.3MPa～2.5MPa，樁深10m以下樁身強度較低，基本在0.5MPa以下，最小0.14MPa。

水泥摻量為110kg/m的樁體，外觀鑒定芯樣膠結一般，呈柱狀、塊狀，局部松散，攪拌不均勻，連續(xù)性差；抽芯強度隨樁身變化，分布離散型較高，最大值達到1.46 MPa，最小值僅有0.02 MPa，樁身上部4m強度在1.0 MPa以上，6～20m范圍內(nèi)強度較低，除局部有0.5～0.8 MPa，其余強度整體在0.2MPa以下。

水泥摻量為120kg/m的樁體，外觀鑒定芯樣膠結一般，呈柱狀、塊狀，局部松散，攪拌不均勻，連續(xù)性差；樁身4～8m范圍內(nèi)抽芯強度隨樁深分部較離散，且隨樁深快速降低，8～20m范圍內(nèi)分部較均勻，但整體強度較低，最大0.47 MPa，最小0.09 MPa。

2.4.2 水泥土攪拌樁成樁工藝

水泥摻量為90kg/m的樁體，芯樣基本完整，堅硬，攪拌基本均勻，呈柱狀，部分呈塊狀，連續(xù)性一般；抽芯強度離散型較高，最大1.15 MPa，最小0.02 MPa，3～8范圍基本無強度，8m樁深以下強度基本在0.4 MPa以下。

水泥摻量為110kg/m的樁體，芯樣基本完整，堅硬，攪拌基本均勻，呈柱狀，部分呈塊狀，連續(xù)性一般；抽芯強度在樁深3m以上強度較高，最大2.45 MPa,3m以下強度在0.02～0.58 MPa。

水泥摻量為120kg/m的樁體，芯樣基本完整，堅硬，攪拌基本均勻，呈柱狀，部分呈塊狀，連續(xù)性一般；抽芯強度除局部降低，最小值0.14MPa，其余強度在0.71～1.98 MPa之間。

3.砂樁對水泥土攪拌樁成樁效果影響分析

3.1 效果影響分析

通過兩種不同樁型的對比試驗，在本次試驗中砂樁對攪拌樁成樁效果沒有體現(xiàn)出明顯的改善和提高作用。分析其原因主要有：

（1）砂樁成樁質(zhì)量難以控制。砂樁一般適用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土、雜填土等地基，本項目加入砂樁主要用于淤泥層地基，砂樁在地層太軟弱部位容易出現(xiàn)縮頸、擴頸、沉降、塌孔等現(xiàn)象。加上項目方案中砂樁用相對密度作為質(zhì)量檢測參數(shù)，具體施工中用總灌砂量來控制，實際上淤泥地基吃砂量大，砂樁可能難以成樁或密實，砂樁最終成樁效果如何難以判斷和保證，套打水泥攪拌樁后成樁質(zhì)量效果沒有真正得到改善[2]。

（2）砂樁實際上沒有起到排水固結作用。項目地基淤泥層深厚，含水率高，砂樁周邊土地的水分由于砂樁的加入，形成了滲水通道，水分聚集在樁體周圍排出，振動式砂樁打入后未進行靜置和抽降水措施，導致砂樁加快地基排水固結的作用沒有體現(xiàn)，地基土層含水量沒有降低，對成樁效果的正面影響性沒有顯現(xiàn)出來，外觀連續(xù)性不如預期[3]。

3.2 改善砂樁影響效果的建議

（1）盡量保證砂樁的質(zhì)量?？梢钥刂泼慷紊皹兜墓嗌傲?，盡量保證成樁后樁的直徑達到設計要求，樁管拉拔時不宜太快，保證樁身連續(xù)性。

（2）減少對樁體的擾動。建議采用后退式制樁方法，從中間向外圍施工，這樣可以在制樁結束后減少對樁體的擾動。

（3）要做好抽排水工作。砂樁形成后有了良好的滲水通道，周圍土體中的水分向砂樁聚集，要做好基坑中特別是樁體所在處的抽排水措施，加快砂樁處水體的排出，讓土體有排水固結的過程，減少土層含水量，可以加快攪拌樁樁體的凝結，從而改善其成樁質(zhì)量。

4.結語

許多水利工程建設項目比如泵站、水閘等很多選用水泥土攪拌樁進行地基處理，使其形成復合地基，提高基礎承載力。其施工方法較為簡單，但成樁質(zhì)量難以保證，因此加入砂樁以改善成樁效果。工程實踐中也有不少砂樁結合水泥土攪拌樁的成功案例，但是在項目具體應用過程中，不可盲目偏信砂樁對改善水泥攪拌樁成樁效果的改善作用，應該分析不同項目的適用性，在正式施工前宜通過試驗選擇經(jīng)濟、合理的基礎處理方式。