兩重管高壓旋噴樁在泥炭土地基加固中的應(yīng)用

朱建勛

(昆明地鐵建設(shè)管理有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

受典型高原氣候及湖相沉積環(huán)境的影響，在昆明滇池附近及昆明市內(nèi)河流周邊分布著廣泛泥炭質(zhì)土[1]，其含水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))可達(dá)300%，孔隙比達(dá)2.85，其物理力學(xué)性質(zhì)極差，不僅天然重度低、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、有機(jī)質(zhì)含量高，還具有較高的靈敏度和較明顯的蠕變特性[2-3]。

目前，有機(jī)質(zhì)土的加固工程中較常規(guī)的方法是高壓旋噴樁及三軸攪拌樁兩種形式[4]，但是由于泥炭質(zhì)土有機(jī)質(zhì)含量高，腐殖質(zhì)中酸性官能團(tuán)使土質(zhì)偏酸性的同時(shí)還能絡(luò)合高價(jià)陽(yáng)離子形成復(fù)雜有機(jī)絡(luò)合物沉淀包裹于土顆粒表面使其具有較強(qiáng)的持水能力[5-6]?？梢?jiàn)昆明滇池泥炭土的物理、力學(xué)特性有別于其他有機(jī)土，經(jīng)大量的室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)證明，僅采用水泥固化的泥炭土樣膠結(jié)性差、強(qiáng)度低。因此在泥炭土加固中常采用以水泥為主要膠結(jié)劑，添加粉煤灰、石膏、石灰等外摻劑的方式來(lái)改良泥炭土的物理、力學(xué)特性。

不少研究者從事泥炭土加固方面的研究工作，并取得了一系列的研究成果。邵俐等[7]研究了水泥、粉煤灰摻入量對(duì)高有機(jī)質(zhì)土強(qiáng)度發(fā)展的影響，結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰摻入量為12%時(shí)，水泥-粉煤灰雙摻可有效地提高有機(jī)質(zhì)土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。李琴等[8]研究了不同配比外摻劑固化泥炭土的效果，發(fā)現(xiàn)外摻劑的加入均會(huì)明顯提高固化土的強(qiáng)度。曹佃光等[9]以水泥為主要膠結(jié)材料對(duì)隧道洞口的泥炭土進(jìn)行加固發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水泥摻量為20%、石膏摻量為6%時(shí)固化泥炭土的抗壓強(qiáng)度得到明顯改善，在一定的抗壓強(qiáng)度需求下，外摻劑的加入能夠節(jié)省水泥用量，降低工程成本。鄭鵬飛等[10-11]對(duì)比了單摻水泥與水泥-廢石膏雙摻加固泥炭土的效果，發(fā)現(xiàn)水泥-廢石膏加固泥炭土地基時(shí)加固土強(qiáng)度比單摻水泥時(shí)明顯提高，能取得單摻水泥加固達(dá)不到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。可見(jiàn)，在泥炭土特性改良中，外摻劑的作用尤為重要，尤其是針對(duì)有機(jī)質(zhì)含量較高的泥炭土層。

鑒于此，本文以地鐵站基坑泥炭地基土為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁探討了三種方案固化泥炭土的效果，在考慮工程成本的前提下確定最佳加固方案，并將其運(yùn)用到昆明軌道交通2號(hào)線二期工程廣福路站基坑底部泥炭土層加固。

1 工程概況及難點(diǎn)

昆明軌道交通2號(hào)線二期工程廣福路站基坑底部存在大量的泥炭質(zhì)土，如圖1所示，土的主要性質(zhì)為：灰黑色，可塑；其以黏性土為主，含有腐爛的朽木及有臭味，干強(qiáng)度及韌性較好；呈層狀分布，具有高壓縮性，大孔隙比，高含水率等特征。有42個(gè)鉆孔揭露該層：層厚1.0 m～8.2 m，平均厚度3.61 m，層面埋深9.5 m～66.0 m，經(jīng)動(dòng)力觸探得承載力特征值fak=100 kPa，巖土施工工程等級(jí)為Ⅱ級(jí)，地質(zhì)條件差，地基承載力不足，基底大面積范圍待加固強(qiáng)化。此外，待加固區(qū)存在大量的CFG樁。

地鐵車站建成投入運(yùn)營(yíng)后，若由于地基承載力不足產(chǎn)生不均勻沉降，將對(duì)行車安全造成極大的危害，并且后期一旦處于運(yùn)營(yíng)期，維修加固極其不便。因此該工程的開(kāi)展亟需克服兩大難點(diǎn)，一為采用何種方式改良泥炭質(zhì)土層使其能達(dá)到地基承載力要求的同時(shí)還能兼顧工程經(jīng)濟(jì)性；二為在不清除CFG樁的情況下如何選擇高效且便捷的加固方式。

2 試樁試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的三軸攪拌樁在特殊土的加固工程中雖然能滿足要求，但是成本極高，且需要進(jìn)行大面積清障；而兩重管高壓旋噴樁則是一管噴射高壓空氣沖切、擾動(dòng)、破壞中密土層，使土顆粒從土層中剝離出來(lái)后再與另一管噴射的水泥漿液充分混合，雙重管共同作用加固軟土地基，既可以通過(guò)引孔解決清障的麻煩，又較三軸攪拌樁節(jié)省成本，又可達(dá)到加固地基或止水防滲的目的，鑒于此該工程擬采用兩重管高壓旋噴樁。

為解決地鐵站基坑地基承載力不足的問(wèn)題，針對(duì)昆明滇池泥炭土的特殊性質(zhì)，提出了三種改良地基泥炭土層的方法，分別為：A組：黏土液改良后采用兩重管高壓旋噴加固；B組：水泥-石膏改良后采用兩重管高壓旋噴加固；C組：直接施作旋噴樁加固。A，B組均是先做一次加固以后再進(jìn)行水泥漿二次加固，C組則只做了一次加固。試樁過(guò)程中，在保證水灰比(w/c=0.8)及其他條件不變的前提下，每種加固方案均采用5種水泥摻入量進(jìn)行旋噴加固，試樁試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 泥炭土加固方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)試樁后對(duì)比分析三種加固方案的加固效果，確定最佳加固方案及最佳水泥摻入量，并將最佳的方案運(yùn)用于實(shí)際工程泥炭土層地基加固工程中。

3 試樁試驗(yàn)結(jié)果及分析

為確定本工程的地基土最佳加固方案，采用以上配比在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試樁，經(jīng)兩重管高壓旋噴加固土體28 d后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察并鉆取試樁芯樣。具體任務(wù)是：通過(guò)鉆孔取芯，確定檢測(cè)樁長(zhǎng)，描述所取芯樣的顏色、狀態(tài)及水泥含量、攪拌均勻性，并分段采取試樣，進(jìn)行單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查排除了A1，A2，B1，B5，C1，C2六組方案后，對(duì)芯樣A3，A4，A5，B2，B3，B4，C3，C4，C5組進(jìn)行抗壓檢測(cè)試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理、分析，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試樁結(jié)果

從表2中可知，鉆取到的B組芯樣大都完整呈柱狀，僅有極少處有局部碎塊，固化土較其他兩組獲得更多強(qiáng)度益。A組是采用黏土液改良后再進(jìn)行旋噴樁加固泥炭土層，B組是采用水泥+石膏混合液改良之后再進(jìn)行旋噴樁加固，C組則是直接采用旋噴樁噴射水泥漿液加固地基土，易知三組加固方案效果差異較大。

現(xiàn)場(chǎng)鉆探試樁芯樣如圖2所示，從圖2中可以看出直接施作旋噴樁芯樣碎塊多，水泥攪拌不均勻，芯樣水泥含量低；黏土液改良后施作旋噴樁的A組芯樣大部分呈碎塊狀，且水泥攪拌不均勻，說(shuō)明A,C組固化土膠結(jié)性差，僅有部分水化反應(yīng)發(fā)生，水化膠凝產(chǎn)物少導(dǎo)致固化土樣多數(shù)呈碎塊狀且沒(méi)有完整的柱狀芯樣。圖3為A,B,C三組固化土樣隨水泥摻量的變化，從圖中可以看出采用水泥-石膏漿液改良后進(jìn)行二次旋噴加固的B組土樣在兩水平水泥摻量下的抗壓強(qiáng)度均明顯大于另外兩組，是因?yàn)橥鈸絼┦嗟募尤肽軌虼龠M(jìn)鈣礬石(AFt)的生成，且為鈣礬石的穩(wěn)定存在提供條件；改良液改良后腐殖酸對(duì)水化反應(yīng)的抑制作用得到控制，再采用水泥漿液旋噴加固，充分?jǐn)嚢柰馏w在一次改良的基礎(chǔ)上，水化反應(yīng)更加充分，膠凝物CSH,CAH將土顆粒及土粒團(tuán)聚體膠結(jié)成一個(gè)整體，與鈣礬石棒狀生成物構(gòu)成骨架，并穿插于土?？紫吨校鼓嗵客恋能浫踅Y(jié)構(gòu)得到改善。另外水化膠凝產(chǎn)物的形成均要消耗大量自由水，將其轉(zhuǎn)為結(jié)合水存儲(chǔ)于結(jié)晶礦物內(nèi)，這會(huì)使地基泥炭土的含水率明顯降低、密度增大，土體的物理特性得到明顯改善。

另外，A組采用黏土液改良后進(jìn)行二次旋噴水泥漿加固土體，黏土的SiO2的含量較泥炭土高，且無(wú)有機(jī)質(zhì)的影響土粒團(tuán)聚化不明顯，土?？紫缎。市?，漿液灌穿于泥炭土大孔隙中，當(dāng)水泥漿液旋噴攪拌土體時(shí)水化反應(yīng)較C組得到加強(qiáng)，水化膠凝產(chǎn)物填充于土粒孔隙中膠結(jié)土體，且額外提供的SiO2能夠激發(fā)二次水化反應(yīng)，使固化土獲得強(qiáng)度增益，土粒結(jié)構(gòu)得到強(qiáng)化，故A組的芯樣抗壓強(qiáng)度較C組高。

不論是何種加固方案隨著水泥摻量增加土樣的強(qiáng)度都增加，這是因?yàn)樽銐蛄康乃嗨竽軌驗(yàn)榛旌象w系提供堿性環(huán)境，有利于水化膠凝產(chǎn)物的生成的同時(shí)釋放鈣離子與氫氧根離子，正循環(huán)促進(jìn)火山灰反應(yīng)，優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)。易知A組中僅A5滿足設(shè)計(jì)要求的0.8 MPa，B組中B3～B5滿足設(shè)計(jì)要求，C組均不滿足要求。從成本方面考慮，A5組施工總費(fèi)用為3 304.289 1萬(wàn)元，B3組費(fèi)用為3 287.509 4萬(wàn)元，可見(jiàn)B3組更加經(jīng)濟(jì)。

綜上所述，經(jīng)過(guò)試樁分析后可知擬采用B3組加固方案既可以滿足設(shè)計(jì)要求又比其他幾組節(jié)省成本。

4 雙重管高壓旋噴樁加固地基

采用試樁確定的最佳方案B3對(duì)昆明軌道交通2號(hào)線二期工程廣福路站基坑底部泥炭土層進(jìn)行雙重管高壓旋噴樁加固后，選取加固區(qū)的5處樁號(hào)進(jìn)行鉆取芯樣檢查外觀并測(cè)其單軸飽和抗壓強(qiáng)度，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示?？梢钥闯?個(gè)樁號(hào)處芯樣抗壓強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度0.8 MPa，且各樁號(hào)處芯樣連續(xù)、完整，膠結(jié)性好，樁身質(zhì)量都達(dá)標(biāo)。

表3 各樁號(hào)芯樣檢測(cè)結(jié)果

另外采用輕型動(dòng)力觸探儀貫入30 m處測(cè)48軸南6 m～53軸南2.4 m的地基承載力值，結(jié)果表明：所測(cè)范圍地基承載力平均值為161 kPa，最小值是145 kPa，均大于地基設(shè)計(jì)承載力130 kPa。綜上表明，采用B3組方案加固地基泥炭土層在最經(jīng)濟(jì)的情況下能達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度及設(shè)計(jì)承載力要求。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合該地鐵基坑工程特殊的地質(zhì)、環(huán)境條件，提出了基于雙重管高壓旋噴樁加固地基泥炭地層的三種方案，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試樁的芯樣進(jìn)行外觀檢查及單軸飽和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定最佳方案后將該方案運(yùn)用到實(shí)際工程地基泥炭土加固中，分析得到以下結(jié)論：

1)兩重管高壓旋噴樁較三軸攪拌樁更具可操作性，更加適合中密地層土體加固，且可以通過(guò)引孔解決清障的麻煩，大大減少了工程成本。

2)通過(guò)試樁對(duì)比三種加固方案發(fā)現(xiàn)：采用水泥-石膏液改良后進(jìn)行旋噴加固泥炭土層的效果最好，黏土液改良后加固的效果次之，直接旋噴加固的效果最差?？梢?jiàn)二次加固方法比一次加固更適合泥炭地層軟土加固，且更加經(jīng)濟(jì)。

3)將試樁確定的最佳方案運(yùn)用到實(shí)際工程基坑加固，檢測(cè)到加固區(qū)樁身質(zhì)量及地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

4)結(jié)合昆明市地鐵建設(shè)的相關(guān)工程及地質(zhì)條件，使用土體改良后施作二重管高壓旋噴樁進(jìn)行二次地基加固的技術(shù)，在未來(lái)城市地鐵建設(shè)中有著良好的推廣前景。