雙軸式雙向水泥攪拌樁施工關(guān)鍵技術(shù)

祝衛(wèi)星

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710000）

本文依托一行路公路工程項(xiàng)目，分析研究雙軸雙向法施工水泥攪拌樁的關(guān)鍵技術(shù)，通過和傳統(tǒng)方法的對(duì)比及對(duì)地質(zhì)特性的分析研究，總結(jié)出雙軸雙向施工法施工技術(shù)參數(shù)及施工工藝，以提高水泥攪拌樁施工效率及水泥漿液與地質(zhì)土體的結(jié)合率，進(jìn)而提高成樁質(zhì)量。

1 工程概況

一行路（連海路-龍溪路）工程，位于廣東省江門市江海區(qū)中東村南部1km 處。路線全長(zhǎng)1761.5m。里程位置K00+074.000～K01+660.000，全長(zhǎng)1586m，呈東西走向。對(duì)接高新區(qū)公共碼頭西側(cè)一行路與連海路平交口（K00+000），路線往西沿規(guī)劃一行路布設(shè)，分別在（K00+116.000）跨越哨基河，在（K00+741.150）與在建江睦路平面交叉、在（K01+100.000）跨越馬鬃沙河，項(xiàng)目終點(diǎn)止于（K01+761.590）與規(guī)劃龍溪路平面交叉，終點(diǎn)平交口為龍溪路工程實(shí)施范圍。

2 雙軸雙向法施工優(yōu)勢(shì)分析

路基工程質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)公路后期是否能發(fā)揮良好地使用性能起著關(guān)鍵決定性作用，路基應(yīng)有抵抗施工荷載以及后期公路運(yùn)營(yíng)中車輛產(chǎn)生的荷載及沖擊力的足夠強(qiáng)度，并保證公路在運(yùn)營(yíng)當(dāng)中的穩(wěn)定及耐久性要求，而往往公路施工路段的天然地質(zhì)情況并不能滿足要求。地質(zhì)軟弱，荷載作用下沉降明顯或易造成不均勻沉降。

傳統(tǒng)處理方式采用的是單軸單向施工法，攪拌樁機(jī)鉆頭為單葉式且只有一根鉆進(jìn)軸，在噴漿過程中水泥漿會(huì)出現(xiàn)沿著鉆進(jìn)軸向地面方向翻涌上行的情況，更有甚者，會(huì)造成水泥漿翻涌至地表面造成水泥攪拌樁攪拌質(zhì)量不均，影響成樁質(zhì)量；后改進(jìn)推廣采用單軸雙向施工法，在此前單軸單向基礎(chǔ)之上在鉆進(jìn)軸鉆頭之上增設(shè)攪拌葉片為雙層反向葉片，阻斷水泥漿沿鉆進(jìn)軸翻涌上行的途徑[1]。但單軸鉆進(jìn)極大地限制了成樁直徑以及水泥攪拌樁單次施工加固范圍，也無法達(dá)到最理想的水泥漿體與土體的攪拌結(jié)合率。

因此，為提高加固施工效率以及漿體與土體的攪拌結(jié)合率，采用雙軸雙向法進(jìn)行水泥攪拌樁施工：內(nèi)鉆進(jìn)軸設(shè)置兩組正向攪拌葉片，外鉆進(jìn)軸設(shè)置兩組反向攪拌葉片，通過外鉆進(jìn)軸上攪拌葉片反向鉆進(jìn)攪拌注漿與內(nèi)鉆桿正向攪拌葉片同時(shí)攪拌[2]，使得噴注的水泥漿體在兩根鉆進(jìn)軸的兩組葉片之間與土體攪拌結(jié)合，加快施工效率，提高漿體與土體攪拌結(jié)合率，確保成樁質(zhì)量[3]。施工方法對(duì)比說明如表1 所示。

表1 水泥攪拌樁施工方法對(duì)比

3 施工關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 地質(zhì)情況分析

公路施工區(qū)域土層為填土層和第四系沖淤積層，地質(zhì)情況較簡(jiǎn)單，按地質(zhì)情況組分及沖積層序可分為6 個(gè)單元層，各單元層層位和層次較為穩(wěn)定，但厚度變化較大，且各地層特性差異也較大。詳細(xì)地質(zhì)情況如表2 地質(zhì)情況及特性說明所示。

表2 地質(zhì)情況及特性說明

施工區(qū)域內(nèi)下層地質(zhì)較為良好，但于公路工程而言，上層軟弱地層較厚，厚度可達(dá)10m 以上，路基地質(zhì)不穩(wěn)定，承載力較差，在荷載作用下土體易發(fā)生剪切破壞導(dǎo)致路基失穩(wěn)。且重荷載作用下易發(fā)生明顯沉降或造成沉降不均的現(xiàn)象。因此選擇對(duì)區(qū)域內(nèi)軟弱地質(zhì)層采用雙軸雙向法施工水泥攪拌樁進(jìn)行加固處理。考慮到軟弱地層厚度大，加固范圍廣的實(shí)際情況，選擇施做樁長(zhǎng)15m、樁徑1.5m 的水泥攪拌樁穿越軟弱地層覆蓋施工區(qū)域進(jìn)行加固地基處理，另下層性能較優(yōu)巖體也可作為水泥攪拌樁的主要承力面，使廣大施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件得到優(yōu)化。

3.2 雙軸雙向法技術(shù)試驗(yàn)

3.2.1 施工參數(shù)對(duì)比分析

公路施工區(qū)域內(nèi)加固地基施工的水泥攪拌樁數(shù)量較多，為確保施工進(jìn)程、確定最優(yōu)施工參數(shù)，擬對(duì)雙軸雙向法施工水泥攪拌樁進(jìn)行試樁試驗(yàn)，試樁試驗(yàn)中水泥攪拌樁樁身參數(shù)與正式樁一致，樁長(zhǎng)為15m、樁徑為1.5m。多軸法施工水泥攪拌樁工藝性試樁不少于3 根，且不少于3 組[4]。采用PH-5D 雙軸水泥攪拌機(jī)進(jìn)行“四噴四攪”鉆進(jìn)噴漿，當(dāng)水泥漿液壓送至攪拌頭出漿口后，不應(yīng)立即下鉆，確保管道噴漿正常，且漿體濃度符合配置要求后，在進(jìn)行下鉆噴漿。利用內(nèi)外鉆進(jìn)軸、正反雙向、上下共4組攪拌葉片同時(shí)作用進(jìn)行下鉆攪拌，確保樁身范圍內(nèi)土體和水泥漿攪拌次數(shù)在20 次以上。鉆進(jìn)中同時(shí)向周圍軟弱土體當(dāng)中噴射水泥漿液，強(qiáng)制攪拌土體與水泥漿液結(jié)合為加固體。使軟弱土質(zhì)與漿液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變土體物理性質(zhì)，形成復(fù)合型地基，提高承載能力。下沉鉆進(jìn)過程中，如遇地質(zhì)情況未揭示土體影響下鉆速度時(shí)，因根據(jù)實(shí)際情況改變鉆進(jìn)速度及噴漿壓力，已達(dá)到預(yù)期效果。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告得知，樁身范圍內(nèi)土體天然密度ρ=1.71g/cm3～1.94g/cm3之間，取1.86g/cm3來計(jì)算水泥摻量：

式中：m 為水泥摻入量，kg/m；α 為水泥摻入比例，取值12%；π 為圓周率；r 為樁基半徑，取0.75m；p為土體天然平均密度，取1.86g/cm3；

經(jīng)估算得知，水泥摻入量m=393.6kg/m，因此試樁參數(shù)按表3 試樁參數(shù)進(jìn)行選擇試驗(yàn)。

表3 試樁參數(shù)選擇

通過對(duì)12 根試驗(yàn)樁選用不同參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)比成樁效率及質(zhì)量，最終確定選用試樁7#～8#樁所選用的施工參數(shù)作為正式的施工參數(shù)。鉆進(jìn)攪拌噴漿至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高之后，停止鉆進(jìn)下沉，因樁底位置強(qiáng)度劣于上部位置，攪拌頭在樁底繼續(xù)保持?jǐn)嚢鑷姖{30s[5]，使樁底端部土體與水泥漿液充分?jǐn)嚢杞Y(jié)合后在開始提升攪拌頭。攪拌頭的提升高度應(yīng)在設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高上方0.5m～1m 位置，以保證成樁樁頂質(zhì)量。

3.2.2 質(zhì)量控制措施

雙軸雙向法施工水泥攪拌樁時(shí)，于樁頂位置處易出現(xiàn)蜂窩狀土體，易開挖移除樁頂部位影響樁體承載力土體并進(jìn)行重新二次噴攪攪拌進(jìn)行人工修復(fù)；噴攪進(jìn)程中，停機(jī)檢修時(shí)間若超過30 分鐘，需要將鉆動(dòng)軸沖洗干凈并保證每30min 啟動(dòng)鉆機(jī)使鉆動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)一次即可。因其他緊急問題導(dǎo)致停機(jī)，需提升鉆動(dòng)軸攪拌頭至停機(jī)前噴漿位置上1.5m 位置處；加固地質(zhì)原狀土若天然含水量較低且其塑性指數(shù)較高時(shí)，容易造成水泥土糊鉆，降低噴攪效率，可根據(jù)具體地質(zhì)情況調(diào)整水泥漿配比、重新設(shè)置鉆動(dòng)軸與攪拌葉片夾角，使水泥土得到充分?jǐn)嚢琛?/p>

3.3 樁身成樁強(qiáng)度分析

當(dāng)樁體達(dá)到28d 齡期后，對(duì)水泥攪拌樁的強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，抽樣檢測(cè)數(shù)量為施工區(qū)域內(nèi)水泥攪拌樁總數(shù)的0.5%，即對(duì)區(qū)域內(nèi)6 根水泥攪拌樁樁身每2m 檢測(cè)一次樁身強(qiáng)度，抽樣取芯檢測(cè)樁身強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)同步進(jìn)行，每2m 進(jìn)行一次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)[6]。根據(jù)水泥攪拌樁樁身參數(shù)及區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件情況按照式（2）估算單樁豎向承載力，作為判定樁身強(qiáng)度是否合格的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)達(dá)到式（3）對(duì)于樁身承載力的要求[7]。

式中：Ra為單樁豎向承載力（KN）；up為樁身周長(zhǎng)，取值4.71m；qsi各層土體的側(cè)向阻力（KPa），按表2 中側(cè)向阻力特征值取值；lpi各層土體厚度（m），按表2 中層厚取值；αp為發(fā)揮系數(shù)，取值0.5；qp為樁端地基土承載力（KPa），取值400KPa；Ap樁身橫截面積，取值1.77m2；η 為樁身折減系數(shù)，取值0.25。fcu為水泥漿液立方體試塊標(biāo)養(yǎng)90d 抗壓強(qiáng)度平均值（KPa），取值3500KPa[8]。

由式（2）根據(jù)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況及樁身參數(shù)估算單樁豎向承載力為Ra=1393KN；由式（3）對(duì)標(biāo)養(yǎng)90 天的試件進(jìn)行計(jì)算，得出單樁豎向承載力為Ra=1548KN。

綜上所述，水泥攪拌樁單樁豎向承載力取值Ra=1548KN 作為抽樣檢測(cè)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。樁身強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果及標(biāo)貫錘擊數(shù)如圖1 樁身強(qiáng)度分布及圖2 標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)結(jié)果所示。

圖2 標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)

據(jù)圖1 對(duì)6 根檢測(cè)樁強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)分布可以得出，樁身強(qiáng)度平均值隨著深度增大而降低，從3.3MPa 左右降至0.9MPa 左右，均能滿足驗(yàn)算單樁承載力Ra=1548KN的要求。水泥攪拌樁上部靠近地面部分強(qiáng)度最高，樁身最后3m 范圍內(nèi)強(qiáng)度最低。

圖1 樁身強(qiáng)度分布

據(jù)圖2 對(duì)6 根樁標(biāo)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)分布可以得出，平均錘擊數(shù)從45 擊次左右隨著深度增大下降到10 擊次左右，可佐證由圖1 所得出的水泥攪拌樁樁體強(qiáng)度隨深度的變化特性。

由此可見，因水泥攪拌樁靠近地面部分樁體比下部樁體硬化所用時(shí)間更短，且下部樁體受地質(zhì)中水的影響比較大，所以造成了強(qiáng)度在樁體樁長(zhǎng)范圍內(nèi)的這種變化規(guī)律。

4 結(jié)論

綜合本文所述，通過對(duì)水泥攪拌樁加固公路工程地基，提高地基承載力，改善地質(zhì)性能的研究分析，對(duì)比雙軸雙向施工法相較于傳統(tǒng)施工方法的優(yōu)勢(shì)所在，結(jié)合項(xiàng)目地質(zhì)特性的實(shí)際情況得出了行之有效的施工參數(shù)及雙軸雙向施工技術(shù)，并通過對(duì)水泥攪拌樁成樁質(zhì)量的檢測(cè)分析，佐證了雙軸雙向施工水泥攪拌樁提高施工質(zhì)量及效率的可行性，為后續(xù)類似地基加固處理工程提供了有效地技術(shù)經(jīng)驗(yàn)支持。