水泥攪拌樁在控制軟土路基沉降處治中的應(yīng)用

蔡英龍

(廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511400)

1 引 言

近年來隨著我國(guó)公路行業(yè)行駛車輛載荷增大和交通量的快速增長(zhǎng)，對(duì)路基的承載能力要求越來越高。由于路基修建地層的復(fù)雜，天然路基的承載能力往往不能滿足設(shè)計(jì)承載力要求，必須對(duì)路基進(jìn)行加固[1]處理。軟土路基由于其天然含水率高，軟土路基沉降概率和沉降量受行車荷載作用變形更明顯。水泥攪拌樁由于其施工效率高、控制沉降效果好、成樁強(qiáng)度高等特點(diǎn)常被用于軟土路基加固。本文依托湛江某公路軟土路基工程，對(duì)水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響因素和加固機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)對(duì)施工的工序、關(guān)鍵性控制技術(shù)要點(diǎn)以及成樁質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)行了分析研究。

2 水泥攪拌樁加固機(jī)理及強(qiáng)度影響因素分析

2.1 水泥攪拌樁加固作用機(jī)理

水泥攪拌樁的作用原理[2]就是在軟土設(shè)計(jì)地層中構(gòu)建混凝土結(jié)構(gòu)，利用深層攪拌設(shè)備將水泥砂漿和原有地層中的砂土或黏土進(jìn)行攪拌，待混凝土凝結(jié)后形成樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂辛己玫膹?qiáng)度和整體性，從而提升和改善整個(gè)軟土地層的承載力。在軟土地層中進(jìn)行水泥攪拌樁加固的主要作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)為軟土路基提供了集中應(yīng)力承載點(diǎn)，防止路基出現(xiàn)較大沉降。水泥混凝土樁的強(qiáng)度和剛度要遠(yuǎn)勝于樁基周圍土體，水泥混凝土樁植入軟土層能明顯提升地基的承載力，將路基填筑荷載和復(fù)合地基集中應(yīng)力作用絕大多數(shù)傳遞到水泥混凝土樁上，減小周圍地層承載壓力，有效控制了軟土路基的沉降；(2)加固路基下墊層。水泥混凝土樁在施作完成后與周圍土體形成了一個(gè)高強(qiáng)度復(fù)合地基，取代了原來的路基墊層，提升了路基整體承載力；(3)提升了路基的抗剪能力。在軟土地層中施加混凝土樁相當(dāng)于在軟土中植入剛性基礎(chǔ)，起到了加筋作用，提升了路基下墊層的抗剪能力，對(duì)控制路基水平位移有重要作用。

2.2 水泥攪拌樁強(qiáng)度影響因素分析

影響水泥攪拌樁強(qiáng)度[3]的主要因素包括含水率、原狀土摻入比、水泥強(qiáng)度等級(jí)等。

圖1為不同含水率條件(其他條件均相同)下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d水泥混凝土樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖。當(dāng)水泥灰與原狀土摻入比例(以下簡(jiǎn)稱配土比)小于300%時(shí)，含水率高的攪拌樁強(qiáng)度要明顯低于含水率低的攪拌樁強(qiáng)度，且攪拌樁強(qiáng)度隨配土比的增大而緩慢減小。當(dāng)配土比處于100%～200%，混凝土樁的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯減小，在進(jìn)行水泥混凝土樁施工時(shí)要控制樁的含水率處在20%～25%。

圖1 水泥攪拌樁含水率對(duì)樁強(qiáng)度的影響

圖2為不同原狀土摻入比對(duì)水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響圖。從圖中可以看出當(dāng)原狀土摻入比從600%減小至200%時(shí)，水泥攪拌樁強(qiáng)度也隨之增長(zhǎng)，當(dāng)原狀土摻入比例大于400%時(shí)，水泥攪拌樁強(qiáng)度增長(zhǎng)并不明顯，這是因?yàn)樗嗪刻賹?dǎo)致水泥固化效果差，對(duì)樁的強(qiáng)度影響能力有限。當(dāng)原狀土摻入比在200%～400%時(shí)，水泥攪拌樁強(qiáng)度隨著原狀土摻入量的減少，強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，水泥固化反應(yīng)速度明顯加快；當(dāng)原狀土入比例小于200%后，水泥攪拌樁的側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速率增大?？紤]每根樁的工程單價(jià)，在進(jìn)行水泥攪拌樁設(shè)計(jì)原狀土比例時(shí)，可將原狀土摻入比控制在300%～400%之間，以較低的材料成本達(dá)到增強(qiáng)水泥攪拌樁強(qiáng)度的目的。

圖2 原狀土入比對(duì)樁強(qiáng)度的影響

圖3為不同水泥強(qiáng)度等級(jí)在相同條件下養(yǎng)護(hù)的水泥攪拌樁無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖。當(dāng)攪拌樁養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，32.5級(jí)水泥攪拌樁的強(qiáng)度隨原狀土摻入比的減小呈線形增長(zhǎng)；42.5級(jí)水泥攪拌樁隨原狀土摻入比的減小，其增長(zhǎng)趨勢(shì)先增后緩，當(dāng)摻入比處在350%～450%時(shí)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)呈線形分布，當(dāng)摻入比小于300%時(shí)，其增長(zhǎng)速率明顯減緩。在實(shí)際施工時(shí)，可通過增加水泥攪拌樁水泥的等級(jí)來提高樁的強(qiáng)度，可以減小水泥用量，更適合對(duì)流動(dòng)土層進(jìn)行加固。

圖3 養(yǎng)護(hù)28 d不同水泥強(qiáng)度等級(jí)攪拌樁強(qiáng)度對(duì)比

3 工程簡(jiǎn)介

3.1 工程概況

本項(xiàng)目線路主道位于湛江市遂溪縣遂溪大道建設(shè)項(xiàng)目，采用雙向八車道一級(jí)公路兼城市主干路標(biāo)準(zhǔn)，路基設(shè)計(jì)寬度80 m，設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h。根據(jù)選線區(qū)軟土勘查報(bào)告和周邊現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境等條件，擬建場(chǎng)地屬于沖擊地貌，對(duì)于淤泥層厚度超過3 m的軟土路基采用換填法處理；對(duì)于淤泥層厚度超過3 m的軟土路基采用水泥攪拌樁加固處理；對(duì)于河道溝渠等地區(qū)采用拋石擠淤法進(jìn)行路基處理。本線路里程K0+000～K3+500段場(chǎng)地土類型為中軟土。建筑場(chǎng)地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)特征周期值為0.45 s。建筑場(chǎng)地劃分為對(duì)建筑抗震不利地段。

3.2 地層情況

擬建場(chǎng)地穿越的地貌主要有沖擊海濱平原、山前沖洪積平原、剝蝕殘丘等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告，場(chǎng)地自上而下主要分布的地層為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層及第四系下更新統(tǒng)湛江組海陸交互相沉積層，具體分布情況見表1。

表1 場(chǎng)地區(qū)地層主要巖土力學(xué)指標(biāo)

4 水泥攪拌樁加固設(shè)計(jì)

4.1 水泥攪拌樁制備要求

水泥攪拌樁主要原料為普通硅酸鹽水泥，其強(qiáng)度等級(jí)為P.0.425級(jí)。水泥性能必須滿足《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》GB175-19999的規(guī)定，對(duì)于存儲(chǔ)時(shí)間超過3個(gè)月的水泥需要重新進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果滿足性能要求方可繼續(xù)使用。

水泥攪拌樁的混凝土在拌合需盡量使用飲用水，對(duì)于非飲用水拌合時(shí)，其硫酸鹽(三氧化硫)含量和含鹽(氯化鈉)量分別不能超過2 700 mg/L和5 000 mg/L，其pH值不得小于4。

水泥攪拌樁樁頂墊層的原理粒徑不超過20 mm，選用級(jí)配良好的碎石或砂礫，墊層材料不得還有腐殖植物、垃圾等雜質(zhì)。

4.2 水泥攪拌樁試樁要求

試樁時(shí)，機(jī)械攪拌混凝土與軟土越均勻，攪動(dòng)次數(shù)越多，形成的水泥樁的整體強(qiáng)度和剛度越大。當(dāng)攪拌時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，施工效率也會(huì)下降。因此，需要在正式施工前進(jìn)行試樁試驗(yàn)，確定攪拌樁的攪拌速度、二灰摻入比例、水泥用量、二次攪拌深度等。本項(xiàng)目根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇5根試樁，選用水泥的等級(jí)為P42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，按照水泥摻入量分別為10%、13%、15%、16%、17%進(jìn)行試樁。待水泥攪拌樁在相同條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，取每根樁的樁芯進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)正式水泥攪拌樁施工進(jìn)行指導(dǎo)參考，結(jié)合樁芯強(qiáng)度報(bào)告，決定本工程應(yīng)用5次攪拌2次噴漿的施工工藝；水泥摻量為15%，摻入粉煤灰比例為14%，水泥水灰比為0.48。

水泥攪拌樁加固軟土路基設(shè)計(jì)要求：水泥攪拌樁采用正三角形布置，樁間距為1.2 m，樁徑為0.5 m，樁端進(jìn)入粉質(zhì)黏土層2.0 m，其樁長(zhǎng)為剔除軟樁頭后的有效柱長(zhǎng)，樁頂設(shè)置500 mm厚砂礫墊層，墊層寬處最外側(cè)樁1.0 m，砂礫墊層地面高為攪拌樁柱頂設(shè)計(jì)標(biāo)高。砂墊層層間設(shè)置鋼塑復(fù)合雙向土工格柵，并用U型釘固定，土工格柵每延米抗拉屈服力≥60 kN/m屈服伸長(zhǎng)率<3%，2%伸長(zhǎng)率時(shí)的拉伯力≥50 kN/m，焊點(diǎn)剝離力≥30 N。本次設(shè)計(jì)的水泥攪拌樁(濕法)水泥采用P0.425普通硅酸鹽水泥，水泥含量為15%，每米水泥用量不少于60 kg，水灰比0.45～0.55，水泥土28天抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa，復(fù)合地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值≥120 kPa。

4.3 水泥攪拌樁制備流程及控制要點(diǎn)

(1)在水泥攪拌樁工作之前，準(zhǔn)備好足夠的水泥漿運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，水泥漿的配比根據(jù)試樁檢測(cè)結(jié)果確定；(2)對(duì)水泥漿輸送管道進(jìn)行清洗，保證管道內(nèi)無水泥漿結(jié)塊和管道內(nèi)排水干凈后方可下鉆，避免水泥結(jié)塊和管內(nèi)積水對(duì)成樁質(zhì)量造成影響；(3)在水泥攪拌機(jī)上懸掛吊錘，以便調(diào)整水泥攪拌樁的垂直度；(4)在水泥攪拌樁施工時(shí)，隨時(shí)注意水泥漿比重儀數(shù)值變化和樁體每米水泥用量變化，保證成樁水泥漿水灰比符合設(shè)計(jì)要求；(5)每根樁施工首次提鉆時(shí)，攪拌頭要在樁底懸停30 s持續(xù)噴漿后，緩慢向上提起攪拌頭，并保持持續(xù)噴漿，每根樁的噴漿時(shí)間不少于40 min，噴漿壓力不小于0.4 MPa，首次下鉆和提鉆時(shí)要保證鉆機(jī)轉(zhuǎn)速處于低檔位，在進(jìn)行復(fù)攪時(shí)保證鉆機(jī)轉(zhuǎn)速處于高檔位，這樣有利于成樁的垂直度。

在水泥攪拌樁施工時(shí)，還有如下施工技術(shù)要點(diǎn)：(1)在整個(gè)施工過程中要保證攪拌樁始終處于噴漿狀態(tài)，成樁必須連續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)禁在鉆桿沒有拔出樁孔之前停止噴漿，注意每根樁的噴漿時(shí)間和噴漿用量處于設(shè)計(jì)值內(nèi)；(2)當(dāng)攪拌樁噴漿量不足時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行復(fù)攪，復(fù)攪時(shí)的噴漿量要超過設(shè)計(jì)噴漿量。當(dāng)施工受其他外界條件影響必須停止時(shí)，記錄噴漿深度，在12 h內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)噴處理，超過12 h要采取補(bǔ)樁處理；(3)在水泥攪拌機(jī)鉆頭與設(shè)計(jì)樁位進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)時(shí)，控制二者之間的誤差處在1 cm內(nèi)，鉆機(jī)傾斜度要小于1%，并記錄鉆桿初始高度、施工樁號(hào)、初始漿液流速、噴漿深度及管道壓力等參數(shù)；(4)在攪拌樁鉆頭向下旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，保持鉆頭初始轉(zhuǎn)速為30 r/min，鉆進(jìn)速度控制在1.5 m/min，當(dāng)鉆頭距離樁底1 m時(shí)，調(diào)整鉆頭鉆進(jìn)速度低于0.3 m/min，以減小對(duì)樁底周圍土層擾動(dòng)，增加水泥攪拌樁樁底的成樁強(qiáng)度；(5)當(dāng)攪拌機(jī)工作時(shí)遇到卡管現(xiàn)象[5]，要緩慢減小鉆頭鉆進(jìn)速度，提出鉆頭，更改施工步序。當(dāng)鉆進(jìn)土層深度較淺時(shí)，可以對(duì)上層土進(jìn)行疏散，繼續(xù)鉆進(jìn)；若鉆進(jìn)深度較深時(shí)卡鉆，應(yīng)立即停止噴漿，檢查水灰比及噴漿量是否合適，或更換鉆頭，待鉆機(jī)能正常工作后繼續(xù)進(jìn)行鉆探；當(dāng)鉆進(jìn)地層屬于粘性較大的土層時(shí)，由于鉆機(jī)的質(zhì)量不能達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，應(yīng)打開加壓裝置或更換質(zhì)量更大的鉆頭繼續(xù)工作。

施工樁基質(zhì)量控制[6]需貫穿整個(gè)施工過程，根據(jù)相關(guān)規(guī)定制定的混凝土攪拌樁檢測(cè)項(xiàng)目及內(nèi)容如表2所示。通過現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，檢測(cè)攪拌樁的28 d抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa，地基設(shè)計(jì)承載力也滿足設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表2 水泥攪拌樁質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目與要求

5 結(jié) 語

在公路工程軟土路基進(jìn)行加固處理時(shí)，水泥混凝土攪拌樁具備強(qiáng)度高、工期短、施工質(zhì)量穩(wěn)定、施工工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軟土路基加固。本文通過對(duì)水泥混凝土樁加固路基的原理和樁基強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了總結(jié)分析，并依托實(shí)際工況對(duì)水泥攪拌樁施工的工藝流程以及施工注意要點(diǎn)進(jìn)行了水泥分析研究，為軟土路基水泥混凝土灌注樁加固提高借鑒參考。