雙向水泥攪拌樁的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制

程建英

（中譽(yù)設(shè)計(jì)有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國(guó)的城市化進(jìn)程不斷加快，城市道路建設(shè)如火如荼。福建福州市地處沿海，城市道路設(shè)計(jì)過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到大量軟土地基處理問(wèn)題。根據(jù)《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194-2013）[1]，軟土地基處理方式主要有無(wú)機(jī)結(jié)合料淺層拌合、挖除換填、拋石擠淤、排水固結(jié)法、粒料樁、加固土樁、剛性樁等，其中無(wú)機(jī)結(jié)合料淺層拌合、挖除換填、拋石擠淤適用于不大于3m的淺層地基處理，排水固結(jié)法、粒料樁、加固土樁、剛性樁適用于深層地基處理。水泥攪拌樁作為加固土樁的一種，以其施工工期短、成本相對(duì)較低、施工機(jī)械化程度高、質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在城市道路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以福州市北環(huán)路為例，分析雙向水泥攪拌樁的作用機(jī)理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，從而為雙向水泥攪拌樁在濱海城市、深厚軟土地基中的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，為相關(guān)城市道路的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。

1 雙向水泥攪拌樁的作用機(jī)理

水泥攪拌樁是通過(guò)攪拌工具將水泥和軟土充分?jǐn)嚢?，通過(guò)發(fā)生水解、水化反應(yīng)以及水泥化合物與黏土顆粒之間的離子交換與團(tuán)化作用、凝硬作用、碳酸化作用等，使軟土硬結(jié)成具有一定強(qiáng)度的地基基礎(chǔ)，從而滿足道路建設(shè)的需求。

1.1 水泥的水解、水化反應(yīng)

城市道路建設(shè)中采用的水泥主要為普通硅酸鹽水泥，其主要成分有C3S、C2S、C3A等。通過(guò)攪拌工具將水泥和軟土充分?jǐn)嚢?，水泥中的礦物與軟土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成各種化合物，凝結(jié)后形成水泥石的膠結(jié)強(qiáng)度。

1.2 黏土顆粒的作用

軟土地基中通常含有較多的活性黏土顆粒，當(dāng)水泥與軟土中的水通過(guò)水解、水化反應(yīng)生成化合物，其中一部分的水化物通過(guò)自身硬結(jié)，形成骨架；另外一部分的水化物則與活性黏土顆粒發(fā)生作用（主要有凝膠作用），形成新的礦物，進(jìn)而形成水泥石的強(qiáng)度。

2 雙向水泥攪拌樁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 工程情況

福州市南通鎮(zhèn)北環(huán)路其路線由西向東走向，西起規(guī)劃的西環(huán)路，南至規(guī)劃的文山路，道路全長(zhǎng)約2.878km。道路等級(jí)為城市主干道，雙向六車道，設(shè)計(jì)車速為50km/h，道路紅線寬度為40m。

2.2 勘察情況

根據(jù)地勘資料，北環(huán)路沿線存在3m~23m的軟弱淤泥層，本次研究截取淤泥深度最深的K2+735-K2+790段進(jìn)行分析。根據(jù)地勘資料，該段地層由上至下分別為：

（1）②粉質(zhì)黏土（Q4al）：土層呈淺黃、黃褐色，多為可塑狀態(tài)，稍濕~濕。主要由黏性土組成，光澤反應(yīng)光滑，干強(qiáng)度、韌性中等，無(wú)搖震反應(yīng)，局部含少量Fe、Mn質(zhì)結(jié)核、砂礫等，厚度1.00m~2.80m。

（2）③淤泥（Q4m）：土層為深灰色，流塑狀態(tài)，飽和。主要由黏、粉粒組成，含有機(jī)質(zhì)（有機(jī)質(zhì)含量約5%）及腐植質(zhì)，偶見(jiàn)朽木、植物根系等，中下部局部含少量粉砂，具腥臭味、污手、干強(qiáng)度、韌性中等，光澤反應(yīng)較光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，局部相變成淤泥質(zhì)土，厚度21.00m~23.00m。

（3）⑤-2粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰黃、淺灰等色，多呈可塑狀態(tài)，濕。主要由黏性土組成，含中粗砂5%~20%，光澤反應(yīng)光滑~較光滑，干強(qiáng)度、韌性中等~較高，無(wú)搖震反應(yīng)，局部相變成粉土或黏土，厚度1.20m~2.10m。

（4）⑦殘積黏性土（Qel）：灰黃色，稍濕~濕，可塑狀態(tài)，局部硬塑。主要成分為高嶺土（局部相變?yōu)闅埛e砂質(zhì)黏性土）。黏性中等，韌性一般，干強(qiáng)度中等，無(wú)搖震反應(yīng)，光澤反應(yīng)稍光滑，厚度7.50m~8.10m。各土層主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各土層主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）持力層的選定。

根據(jù)地勘資料，淤泥層的下臥層為粉質(zhì)黏土層，其地基承載力基本容許值為190kPa，能夠滿足雙向水泥攪拌樁的持力要求，可以作為地基處理的持力層。

（2）設(shè)計(jì)方案的確定。

為保證路基整體的穩(wěn)定性，本段地基處理綜合考慮路基填方高度及軟土厚度，選用工程最不利斷面進(jìn)行計(jì)算。該段路基平均填方高度約為1.45m，設(shè)計(jì)采用雙向水泥攪拌樁處理，樁直徑50cm，采用正三角形布置，樁距1.5m，樁體伸入粉質(zhì)黏土層不小于50cm，平均樁長(zhǎng)約24m，見(jiàn)圖1。

圖1 雙向水泥攪拌樁地基處理橫斷面示意圖

（3）承載力驗(yàn)算。

雙向水泥攪拌樁的單樁豎向承載力特征值以及復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定[2]。在設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-02-2013）中的公式進(jìn)行初步驗(yàn)算，具體見(jiàn)公式1、公式2、公式3。

單樁豎向承載力特征值：

復(fù)合地基的承載力特征值：

式中：

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；

up——樁的周長(zhǎng)，m；

n——樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；

li——樁周第i層土的厚度，m；

α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.55；

qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；

Ap——樁的截面積，m2；

η——樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.3；

fcu——與加固土樁樁身水泥土配合比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長(zhǎng)70.7mm或50mm的立方體）在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90d齡期的抗壓強(qiáng)度平均值（kPa），根據(jù)試驗(yàn)取1522kPa；

fspk——復(fù)合地基的承載力特征值；

m——樁土面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，取0.35；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。

通過(guò)計(jì)算，本項(xiàng)目單樁豎向承載力特征值為168.1kN，復(fù)合地基的承載力特征值146.2kPa，能夠滿足路基承載力的要求。

（4）沉降驗(yàn)算。

采用理正巖土計(jì)算軟件進(jìn)行工后沉降驗(yàn)算，本工程工后沉降為0.264m，能夠滿足一般路段容許工后沉降≤0.30m的要求。

3 雙向水泥攪拌樁的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 準(zhǔn)備工作

應(yīng)事先對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行整平，清除石塊、樹(shù)根和垃圾等，軟基段應(yīng)先進(jìn)行處理后再回填素土，進(jìn)行適當(dāng)碾壓，保證地基承載力滿足施工機(jī)械的施工需求，之后對(duì)樁坐標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)放樣。

3.2 機(jī)械要求

雙向水泥攪拌樁的鉆頭應(yīng)設(shè)置兩層葉片，每層兩片，配電腦記錄并打印噴漿量。其可以使用常規(guī)水泥攪拌樁機(jī)械，但是需要配備特有鉆頭，如圖2所示。

圖2 雙向水泥攪拌樁鉆頭示意圖

3.3 施工工藝

雙向攪拌樁的主要工藝流程為“一噴兩攪”，即在下鉆時(shí)將設(shè)計(jì)用量的水泥一次性均勻噴完，同時(shí)，在下鉆噴粉（漿）及提升的過(guò)程中應(yīng)分別進(jìn)行正、反兩個(gè)方向的攪拌。施工工藝步驟如圖3所示。

圖3 雙向水泥攪拌樁施工工藝流程圖

雙向水泥攪拌樁施工前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，進(jìn)行成樁試驗(yàn)，取得各種機(jī)械參數(shù)，以確保大面積施工質(zhì)量。

3.4 質(zhì)量檢測(cè)

根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（JTG/T D31-02-2013）的要求，成樁7d后，應(yīng)觀測(cè)樁體成型情況及攪拌均勻程度，檢查個(gè)數(shù)為總樁數(shù)的2%（最少不得少于2根），采用的方法為開(kāi)挖檢查；成樁28d后應(yīng)檢測(cè)樁身無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢查個(gè)數(shù)為總樁數(shù)的5%（每個(gè)段落不小于2根），采用的方法為應(yīng)鉆孔取芯[3]。具體要求如下：

（1）允許偏差值：水泥用量、攪拌樁的垂直度、樁位偏差、攪拌機(jī)下沉或提升的時(shí)間等相關(guān)指標(biāo)均應(yīng)滿足技術(shù)規(guī)范的要求；

（2）成樁質(zhì)量檢測(cè)采用荷載試驗(yàn)，當(dāng)水泥攪拌樁齡期達(dá)到28d時(shí)，可進(jìn)行單樁或復(fù)合地基載荷試驗(yàn)。

3.5 監(jiān)測(cè)要求

為了控制施工過(guò)程中的路堤變形和穩(wěn)定性，以及為了了解道路運(yùn)行后路堤的長(zhǎng)期特性，應(yīng)對(duì)路基進(jìn)行變形觀測(cè)。變形觀測(cè)內(nèi)容主要包括軟土地基的沉降與位移、路堤對(duì)臺(tái)背的水平土壓力和對(duì)土基的垂直土壓力分布特征以及路面工后沉降等相關(guān)方面：

（1）在路中心、路肩、坡腳等處埋設(shè)沉降板，觀測(cè)地表沉降；

（2）在道路表面設(shè)置沉降釘，觀測(cè)工后沉降；

（3）在軟基路段的路堤坡腳處埋設(shè)測(cè)斜管，觀測(cè)深層土側(cè)向位移；

（4）在軟基路段、高邊坡路段的坡腳設(shè)置位移觀測(cè)邊樁，觀測(cè)路基穩(wěn)定性；

（5）檢測(cè)要求：連續(xù)三個(gè)月沉降≤6mm／月時(shí)，可進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)鋪筑。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以福州市南通鎮(zhèn)北環(huán)路為例，分析雙向水泥攪拌樁的作用機(jī)理，梳理雙向水泥攪拌樁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、施工質(zhì)量控制要點(diǎn)，從而為雙向水泥攪拌樁在濱海城市、深厚軟土地基中的應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，為相關(guān)城市道路的設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。通過(guò)分析，主要結(jié)論如下：

（1）雙向水泥攪拌樁主要依據(jù)水泥的水解、水化反應(yīng)以及水泥化合物與黏土顆粒之間的離子交換與團(tuán)化作用、膠凝作用、碳酸化作用等形成強(qiáng)度。其具有施工工期短、成本相對(duì)較低、施工機(jī)械化程度高、質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，從而在城市道路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）雙向水泥攪拌樁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)地勘資料，合理選定樁端持力層，從而確定樁體長(zhǎng)度，其直徑、間距應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定、沉降計(jì)算確定。

（3）雙向水泥攪拌樁施工時(shí)應(yīng)采用特有的機(jī)械設(shè)備、施工工藝；施工前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，進(jìn)行成樁試驗(yàn)，取得各種機(jī)械參數(shù)；施工后應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求對(duì)樁的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以保證施工質(zhì)量；工后應(yīng)對(duì)路基各項(xiàng)變形進(jìn)行檢測(cè)，以觀察路基處理的實(shí)際效果。