九鄉(xiāng)河邊坡穩(wěn)定水泥土深攪樁的分析及應(yīng)用

錢飛飛， 林智康， 尤東京， 趙 越

（1.南京通瑞水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210005；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；3.南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210012）

河道邊坡失穩(wěn)是工程中常見問題，一直受到工程師及學者的廣泛關(guān)注與研究，目前邊坡失穩(wěn)的防治措施主要有：（1）改變邊坡幾何形態(tài)，削重反壓或減緩邊坡的總坡度，可經(jīng)濟有效地解決邊坡失穩(wěn)問題[1]；（2）改善土體工程性質(zhì)，通過化學或物理手段改變土體性質(zhì)以提高邊坡的穩(wěn)定性[2-3]；（3）采取支擋工程，如：采用鋼筋混凝土板樁、鋼筋混凝土地下連續(xù)墻及鋼板樁等措施進行剛性支擋，或采用攪拌樁與旋噴樁加固等方法進行柔性支擋[4-6]。水泥深攪樁是利用水泥作為固化劑通過專用設(shè)備將水泥與土混合攪拌，使原先工程性質(zhì)差的土變成具有整體性、水穩(wěn)定性、具有一定強度的復(fù)合地基，水泥深攪樁具有地基處理費不高，復(fù)合地基保證底板和土體的充分接觸，調(diào)節(jié)不均勻沉降等優(yōu)點[7-8]，其已被廣泛應(yīng)用于各種中小型水利工程中[9-13]。 本文根據(jù)九鄉(xiāng)河治理二期工程河道的地質(zhì)特點，提出了將水泥土深攪樁應(yīng)用于河道邊坡穩(wěn)定的技術(shù)方案，并通過對比分析了不同施工工藝、水泥摻量及是否添加減水劑分對樁身強度的影響。

1 工程概況

九鄉(xiāng)河治理二期工程主要通過河道拓浚和護岸、配套建筑物拆除和改建，實現(xiàn)九鄉(xiāng)河棲霞段達到流域防洪標準，改善九鄉(xiāng)河水環(huán)境要求的目的，并兼顧滿足九鄉(xiāng)河作為秦淮東河分洪入江通道要求。 九鄉(xiāng)河治理二期工程分為上、下游兩段，河道總長4.46km，兩側(cè)堤岸總長8.545km，其中上游段自廟山撇洪溝到羊山壩， 兩岸堤防共2.405km；下游段自312 國道至河口閘站，兩側(cè)堤岸6.14km。九鄉(xiāng)河治理工程河道普遍分布軟土， 土質(zhì)具有力學強度低、壓縮性大、靈敏度高、排水固結(jié)緩慢、固結(jié)時間長等特點，在河道邊坡高度大，荷載作用時土質(zhì)易發(fā)生流變， 河道邊坡極易發(fā)生滑動破壞，同時，九鄉(xiāng)河兩岸無可利用的導(dǎo)流通道，也無條件新開明渠導(dǎo)流。 在受地質(zhì)地形條件限制的條件下，九鄉(xiāng)河的河道迎水坡的設(shè)計坡比為1:2.5， 為提高河道兩岸邊坡抗滑穩(wěn)定性， 九鄉(xiāng)河全線河道兩岸河坡中下部及河床軟土均采用水泥土深攪樁加固處理， 主要利用水泥土深攪樁加固坡面中下部及河床軟土，形成復(fù)合地基，從而達到提高坡面抗滑穩(wěn)定性的目的。

2 攪拌樁的設(shè)計及實施

依據(jù)九鄉(xiāng)河的地質(zhì)條件， 對水泥土深攪樁進行設(shè)計，設(shè)計參數(shù)主要有：水泥土深攪樁的樁長在9.5—17.0m 范圍，樁徑0.7m，樁身抗剪強度指標C值為100kPa；水泥摻量的重量比不小于16%，水泥漿水灰比為0.5—0.6， 采用42.5 級普通硅酸鹽水泥。河床加固區(qū)攪拌樁中心距為1.4m，樁置換率為20%； 樁兩側(cè)邊坡下部攪拌樁中心距為1.15m，樁置換率為30%。 水泥土深攪樁全樁長范圍樁身強度應(yīng)均勻，28 天無側(cè)限抗壓強度不小于0.8Mpa，90天抗壓強度不小于1.5Mpa。

為確定合適的施工方案，對比了四攪兩噴、兩攪一噴、四攪一噴、四攪兩噴4 種施工工藝，16%與18%兩種水泥摻量以及是否添加減水劑共12 種方案，合計試樁50 根進行工藝試驗，樁長13.5m，具體試樁方案詳如表1 所示。

表1 試樁方案表

本次試樁采用16%和18%兩種水泥摻量進行試樁，每米樁體土體積為385L，則16%水泥摻量的每米樁體水泥用量為104.7kg，18%水泥摻量的每米樁體水泥用量為117.8kg。 減水劑采用HLC-IX聚羧酸系高性能減水劑， 摻量為膠凝材料的1%，減水率達20%左右。

四攪兩噴的施工工藝流程為：①放線定位：用GPS 和卷尺測放工程軸線及樁位后進行施工；②樁機就位： 依據(jù)設(shè)計圖紙的樁位布置， 樁機就位對中，并再次復(fù)核樁位，施工結(jié)束后樁位偏差不大于50mm，垂直度偏差不大于0.3%；③制備灰漿：攪拌機下沉攪拌前，按事先確定的配合比制備灰漿，并在注漿前將水泥漿經(jīng)過濾網(wǎng)片傾入集料斗中；④一攪一噴下沉：樁機就位對中后，啟動主機，使其正向轉(zhuǎn)動，并選鉆頭向下推進擋，以0.8m/min 均勻速度， 邊下沉邊噴漿邊攪拌， 使水泥和土充分攪拌，直至設(shè)計深度；⑤二攪提升：當攪拌機下沉至設(shè)計深度后，以0.8m/min 均勻速度提升攪拌，直到設(shè)計樁頂標高，即完成二次攪拌加固過程；⑥三攪二噴下沉：再次以0.8m/min 的速度下沉，邊下沉邊噴漿邊攪拌， 使水泥和土充分攪拌， 直至設(shè)計深度；⑦四攪提升：以0.8m/min 的速度提升，直到設(shè)計樁頂標高。

兩攪一噴的施工工藝流程前期與四攪兩噴工藝相同，放線定位、樁機就位、制備灰漿，接著進行一攪噴漿下沉，樁機就位對中后，開動電機，待攪拌機雙向轉(zhuǎn)速正常以后，開啟高壓送漿泵，待漿液噴出噴漿口后，沿導(dǎo)向架邊旋切土，邊以0.5m/min的速度下沉至設(shè)計加固深度， 下沉攪拌過程中保持送漿的連續(xù)性，不得有斷漿停漿現(xiàn)象發(fā)生。 二攪提升：當攪拌機下沉至設(shè)計深度后，以0.5m/min 均勻速度提升， 邊提升邊攪拌， 使水泥和土充分攪拌， 直到設(shè)計樁頂標高， 即完成二次攪拌加固過程。

在試驗結(jié)果基礎(chǔ)上對試樁強度進行分析，結(jié)果表明：①兩攪工藝無法滿足工程技術(shù)需要，樁身強度不均勻且每樁均出現(xiàn)多組芯樣不滿足設(shè)計要求； ②在刀頭數(shù)不變， 其他施工參數(shù)不變的情況下， 單向攪拌和雙向攪拌對本工程范圍內(nèi)水泥土強度的提升沒有明顯幫助； ③單一的增加攪拌遍數(shù)而不增加噴漿時長會帶來施工困難； ④水泥摻量增加在攪拌比較均勻的四攪工藝中對樁身強度的影響是積極的， 但在雙向四攪兩噴的兩根樁呈現(xiàn)負相關(guān)， 總體上水泥摻量增加對提升樁身強度有益； ⑤減水劑可以提升樁身10%—20%左右強度。 經(jīng)全面比較試驗數(shù)據(jù)后，采用18%水泥摻量加減水劑并結(jié)合四攪工藝（二噴或以上）進行施工可以滿足設(shè)計要求，此時水灰比為0.44。

為進一步復(fù)核九鄉(xiāng)河上下游段采用水泥土深攪樁后河道邊坡的抗滑穩(wěn)定性，依據(jù)《堤防設(shè)計規(guī)范（GB50286-2013）》，采用北京理正軟件設(shè)計研究院編制的理正邊坡穩(wěn)定分析計算程序?qū)θN水位工況時上下游河段特征斷面河道邊坡進行穩(wěn)定計算，3 種工況河道水位如表2 所示， 背水坡水位為地下水位。

表2 邊坡抗滑穩(wěn)定計算水位工況

經(jīng)邊坡穩(wěn)定計算， 九鄉(xiāng)河上游段特征斷面河道的邊坡穩(wěn)定抗滑系數(shù)在設(shè)計洪水位降落期時為2.08，常水位降落期為1.89，施工期為1.34；九鄉(xiāng)河下游段特征斷面河道的邊坡穩(wěn)定抗滑系數(shù)在設(shè)計洪水位降落期時為1.97，常水位降落期為1.65，施工期為1.26， 各水位工況時九鄉(xiāng)河上下游段特征斷面河道的邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)均滿足 《堤防設(shè)計規(guī)范（GB50286-2013）》中正常情況和非常情況所對應(yīng)的抗滑安全系數(shù)要求。

對九鄉(xiāng)河的上下游段分別制定施工順序，對于上游河道水泥土深攪樁在場地清理和河道拓浚之間進行施工， 而下游段河道水泥土深攪樁在坡面卸載，施工平臺填筑與河道拓浚之間進行施工。河道工程結(jié)合施工導(dǎo)流，分左右幅施工。 根據(jù)河道實際情況先行施工右半幅河道水泥土深攪樁，期間利用左岸河床導(dǎo)流，如圖1a 所示；施工左半幅河道時利用右半幅河床導(dǎo)流，如圖1b 所示，河床內(nèi)土方開挖需待水泥土深攪樁加固達到設(shè)計強度后進行。

圖1 河道兩岸水泥深攪樁施工示意圖

九鄉(xiāng)河二期治理工程中水泥土深攪樁的施工過程進行全過程的施工檢測和質(zhì)量控制， 并逐樁記錄每根樁的水泥用量，水泥漿拌制的罐數(shù)，壓漿過程中不得有斷漿現(xiàn)象。 在冬季施工時，應(yīng)考慮零下對水泥土深攪樁處理效果的影響。 該工程以水泥土深攪樁全樁身范圍內(nèi)水泥土無側(cè)限抗壓強度達到設(shè)計要求為合格標準。

委托第三方檢測公司對水泥土深攪樁進行現(xiàn)場抽樣鉆芯檢測，XY-150 型工程鉆機的鉆孔選擇在偏離樁中心約10cm 位置，鉆機立軸中心對準孔位，對已完成的水泥土深攪樁中抽取2%的樁進行質(zhì)量檢驗， 共隨機抽樣鉆芯39 根水泥土深攪樁，在3 000kN 液壓式瓦能耐試驗機上進行抗壓強度試驗，共試驗了476 組，試驗時將試樣置于試驗機承壓板中心， 以每秒0.25—0.50Mpa 速度加荷載，直至試件破壞， 經(jīng)檢測，39 根深攪樁芯樣較連續(xù)、完整， 大部分外表光滑， 芯樣側(cè)表面僅有極少氣孔，芯樣呈圓柱狀，均勻性較好，大部分芯樣斷口較吻合。 根據(jù)《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范（JGJ106-2014）》規(guī)定，由樁身芯樣特征綜合判定，樁身完整性符合鉆芯檢測Ⅰ類樁判別標準。

3 結(jié)論

（1） 水泥攪拌樁樁身強度均勻性受施工工藝影響， 四攪工藝可提升水泥深攪樁的樁身強度及均勻性， 增加水泥摻量與減水劑可有效提高樁身強度，通過試樁對比，采用18%水泥摻量加減水劑結(jié)合四攪工藝（二噴或以上）進行施工可滿足設(shè)計要求。

（2） 采用水泥深攪樁可解決九鄉(xiāng)河河道邊坡高度大、土質(zhì)差、易發(fā)生流變和滑動破壞的工程問題，提高邊坡抗滑穩(wěn)定性，符合工程技術(shù)要求，邊坡穩(wěn)定計算表明各水位工況時上下游河段的邊坡抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求。 本文提出的水泥攪拌樁的設(shè)計及實施方案對處理河道邊坡抗滑穩(wěn)定提供了一定的參考。 □