深厚粉細(xì)砂層水泥土攪拌樁施工參數(shù)計(jì)算及鉆頭改進(jìn)措施

程亮

（北京市生態(tài)地質(zhì)研究所，北京 100143）

地基與基礎(chǔ)工程施工中對(duì)于場(chǎng)區(qū)的地下水控制措施是保證基礎(chǔ)正常安全施工的重要內(nèi)容，它關(guān)系著場(chǎng)區(qū)開挖及后續(xù)各階段施工的安全、穩(wěn)定。當(dāng)降水對(duì)基坑周邊建筑物、地下管線、道路等造成危害或?qū)Νh(huán)境造成長(zhǎng)期不利影響時(shí)，應(yīng)采用截水方法控制地下水，選擇基坑止水、截水措施或以止水、截水為主的組合措施（JGJ 120-2012）。

水泥土攪拌樁是常用的施工樁型，但對(duì)于穿越深厚粉細(xì)砂層，采用合理的工藝參數(shù)和采用適應(yīng)性的鉆頭改進(jìn)措施，是項(xiàng)目實(shí)踐中亟待解決的重要問(wèn)題之一。有學(xué)者從工藝方法角度探討了高水位砂層中采用降水井+袖閥管注漿施工工藝，采用導(dǎo)流管逐步將水集中導(dǎo)流并在坑外設(shè)置降水井，在基坑支護(hù)止水帷幕滲漏點(diǎn)附近采用袖閥管注漿，形成地下水的綜合處理措施（鄭勁松，2021）。結(jié)合某國(guó)外基坑工程實(shí)例，對(duì)臨海巖溶地區(qū)基坑工程的止水施工方法進(jìn)行研究，得出在帷幕灌漿的基礎(chǔ)上輔以有效排水措施進(jìn)行基坑止水，采用我國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并采用合適的施工方法提高帷幕體的防滲能力（溫文峰等，2021），其研究主要是基于現(xiàn)行基坑規(guī)范，對(duì)于鉆頭的改進(jìn)探討較少。對(duì)于帷幕插入深度與坑外地面沉降之間的定量關(guān)系，基于有效應(yīng)力原理，并根據(jù)滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的部分耦合關(guān)系，考慮地下水位下降引起的土體孔隙比和壓縮指數(shù)變化，探討了不同止水帷幕插入深度下潛水含水層中基坑降水引起坑外地面沉降的計(jì)算方法（張志紅等，2021）。有些研究側(cè)重于基坑止水帷幕質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用研究，針對(duì)止水帷幕止水效果的檢測(cè)與評(píng)價(jià)提出了利用抽水試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)周邊基坑內(nèi)外地下水連通情況判斷止水帷幕止水效果的方法（楊眉等，2021）。但針對(duì)粉細(xì)砂層中止水帷幕，特別是水泥土攪拌樁的施工工藝參數(shù)計(jì)算和鉆頭改進(jìn)措施的專題研究還較少，由于目前常規(guī)的水泥土攪拌樁機(jī)主要應(yīng)用于軟土地區(qū)（單鵬飛等，2021），對(duì)于穿越粉細(xì)砂層，常規(guī)機(jī)械可能會(huì)出現(xiàn)鉆頭功率不足，噴漿量、提速等關(guān)鍵工藝參數(shù)不匹配的問(wèn)題（尹忠輝，2021）。一旦出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)攪拌困難，或進(jìn)尺受阻；另一方面會(huì)導(dǎo)致水泥漿液不足或攪拌不充分，影響成樁質(zhì)量，不能達(dá)到滿意的止水效果（劉慧芬等，2020）。

本文重點(diǎn)分析了水泥土攪拌樁機(jī)提升速度等施工參數(shù)的取值與計(jì)算，并根據(jù)鉆頭及與周圍土體的受力狀態(tài)，給出適應(yīng)性的鉆頭改進(jìn)建議及工程實(shí)例。鉆頭的改進(jìn)措施有效提升了成樁速度，達(dá)到理想的成樁效果，確保了帷幕止水效果。

1 工程概況

1.1 基坑概況

擬建工程辛杜商業(yè)85畝項(xiàng)目，位于河北省廊坊市大廠回族自治縣蔣譚路西側(cè)，規(guī)劃創(chuàng)意路東側(cè)?？偨ㄖ娣e172716.76 m2，其中包含8棟主樓及其裙樓。公寓建筑地上面積167759.03 m2，配套建筑面積9101.16 m2，總計(jì)地上建筑面積176860.19 m2。地下室及配套用房建筑面積8548.47 m2，非人防車庫(kù)建筑面積64294.06 m2，人防車庫(kù)13788.72 m2。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1）工程地質(zhì)條件

本次勘察在60.00 m深度范圍內(nèi)，揭露地層主要由第四系沖洪積粉土、黏性土及砂類土等組成。據(jù)其巖性特征和物理力學(xué)性質(zhì)差異主要?jiǎng)澐譃?4個(gè)工程地質(zhì)單元大層、8個(gè)亞層，自上而下分別為：素填土，粉土，粉質(zhì)黏土，黏土，粉土，粉質(zhì)黏土，粉土，粉砂，粉質(zhì)黏土，粉細(xì)砂等。本次勘察范圍內(nèi)各地層的分布情況及標(biāo)貫擊數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 止水帷幕剖面及地層示意圖Fig.1 Profile and stratum diagram of water sealing structure

2）水文地質(zhì)條件

本次勘察期間在鉆孔內(nèi)實(shí)測(cè)地下水位穩(wěn)定埋深為2.80～4.50 m，水位絕對(duì)高程為13.10～14.19 m。地下水類型為第四系孔隙潛水。補(bǔ)給方式以大氣降水及河流側(cè)向補(bǔ)給為主，排泄方式以自然蒸發(fā)、人工開采及側(cè)向徑流為主。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水受大氣降水影響較大，水位常年變幅在2.00 m左右，年最高水位標(biāo)高約16.00 m。工程抗浮設(shè)防設(shè)計(jì)水位標(biāo)高可按16.50 m考慮（中土大地國(guó)際建筑設(shè)計(jì)有限公司，2019；張艷芳等，2022）。

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述

項(xiàng)目基坑采用樁錨支護(hù)體系?；釉O(shè)計(jì)使用期限為1年，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為二級(jí)。護(hù)坡樁外側(cè)施工雙排水泥土攪拌樁，有效樁長(zhǎng)19.0 m，樁徑700 mm，間距500 mm，搭接200 mm，固化劑采用P.S32.5 MPa礦渣硅酸鹽水泥，水泥摻量宜取土的天然質(zhì)量的20%，水泥漿液的水灰比宜取0.6～0.8。

2 水泥土攪拌樁施工工藝參數(shù)的確定

2.1 攪拌樁凈截面積計(jì)算

以本工程所采用的雙排水泥土攪拌樁為例（圖2），樁徑700 mm，搭接200 mm。

圖2 水泥土攪拌樁技術(shù)參數(shù)圖Fig.2 Parameters of cement soil mixing pile

而

式中，S實(shí)體為雙軸攪拌樁的凈面積，S單圓為單樁面積，S扣減為單元體中單樁的搭接部分面積，S扇ABO為單樁搭接區(qū)域切線兩端點(diǎn)為弧所在的扇形，S△ABO為單樁搭接區(qū)域切線兩端點(diǎn)與圓心O所組成的三角形，D為單樁直徑，H1為搭接寬度。

經(jīng)計(jì)算，S實(shí)體為702242.31 mm2。

2.2 鉆頭提升速度的計(jì)算

單位時(shí)間內(nèi)提升高度的水泥設(shè)計(jì)摻量可表示為：

式中：γ為土的重度（kN·m-3）；V為攪拌頭噴漿提升速度（m·min-1）；F為攪拌樁凈截面積（m2）。

式中，γd為水泥土的重度（kN·m-3），Q為水泥泥漿泵的排量（m3·min-1），

攪拌樁凈截面積F需要根據(jù)水泥土攪拌樁的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出。

施工設(shè)計(jì)階段，土的平均重度取18 kN·m-3，實(shí)測(cè)水泥漿重度為22 kN·m-3，水泥摻量取土的天然質(zhì)量的20%，即αω=0.2，水泥漿液的水灰比取0.7，即αc=0.7。

施工采用BBW-150型泥漿注漿泵，為臥式三缸往復(fù)單作用活塞泵，該泵具有8種流量和壓力（表1）。排量和孔深根據(jù)用途隨意調(diào)節(jié)，可根據(jù)設(shè)定壓力調(diào)整輸出流量。

表1 BBW-150型泥漿注漿泵技術(shù)參數(shù)表Tab.1 Mud Grouting Pump Parameter of BBW-150

試驗(yàn)施工段設(shè)定壓力為3.2 MPa，對(duì)應(yīng)流量為90 L·min-1。由前述計(jì)算可知，本工程攪拌樁凈面積S實(shí)體為702242.31 mm2，代入公式（7），可得：V=0.46 m·min-1。

實(shí)際施工時(shí)，設(shè)定鉆頭提升速度為0.5 m·min-1，經(jīng)開挖檢驗(yàn)，該提升速度下，成樁效果良好，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)止水要求，并處于規(guī)范要求的提示速度控制范圍內(nèi)。

2.3 每遍攪拌次數(shù)確定

攪拌樁施工時(shí)，攪拌次數(shù)越多，則拌和越為均勻，水泥土強(qiáng)度也越高，但施工效率就降低。試驗(yàn)證明，當(dāng)加固范圍內(nèi)土體任一點(diǎn)的水泥土每遍經(jīng)過(guò)20次的拌合，其強(qiáng)度即可達(dá)到較高值，一般采用規(guī)范要求進(jìn)行每遍攪拌次數(shù)N的計(jì)算：

式中，h為攪拌葉片的寬度（m），β為攪拌葉片與攪拌軸的垂直夾角（°），Z為攪拌葉片的總枚數(shù)，n為攪拌頭的回轉(zhuǎn)數(shù)（r·min-1），V為攪拌頭的提升速度（m·min-1）。

本工程采用雙軸攪拌樁機(jī)，葉片寬度100 mm，葉片厚度35 mm，4枚葉片，葉片傾角15°，采用2檔（正轉(zhuǎn)29.3 r·min-1），代入公式（8）可得每遍攪拌次數(shù)N為24.61次。

施工階段，采用每遍25次的攪拌次數(shù)，成樁止水效果良好。

3 水泥土攪拌樁鉆頭受力分析及改進(jìn)措施

3.1 基于鉆頭受力分析的優(yōu)化及實(shí)例

鉆進(jìn)攪拌過(guò)程是鉆頭在鉆桿頂部驅(qū)動(dòng)裝置下旋前進(jìn)的過(guò)程。一般水泥攪拌樁機(jī)采用電能驅(qū)動(dòng)。受力分析簡(jiǎn)圖如圖3所示。

由圖3可知，頂部主動(dòng)力電機(jī)為鉆具及鉆頭提供鉆進(jìn)動(dòng)能。同時(shí)，頂部電機(jī)輸出的扭矩通過(guò)鉆桿傳遞給鉆葉，用于切削鉆進(jìn)部位土體。通過(guò)成套的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將鉆桿頂部電機(jī)所提供的動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為鉆頭各單葉片的鉆進(jìn)動(dòng)能，同時(shí)切削周邊土體。切削粉碎周邊土體后管內(nèi)噴射出水泥漿液，完成原位土體與水泥漿液的攪拌混合后成樁（王超，2020）。

圖3 水泥土攪拌樁鉆頭及受力分析簡(jiǎn)圖Fig.3 Stress analysis of cement soil mixing pile bit

由受力分析圖示可知，一般情況下F為各葉片所受到的垂向壓力總和，即：

式中，m為整個(gè)鉆頭區(qū)域內(nèi)的葉片總層數(shù)，n為每層葉片數(shù)量。

由公式（9）可知，在不進(jìn)行鉆頭葉片改動(dòng)的情況下，提高頂部垂向壓力可以有效增加各葉片的鉆進(jìn)動(dòng)能。

切削鉆進(jìn)部位土體能力則取決于切削動(dòng)能。切削周邊土體時(shí)所受到的阻力越大，則對(duì)頂部電機(jī)的動(dòng)能輸出要求越高，才能保證順利、均勻地切割周圍土體（鄭建軍，2017）。切削動(dòng)能是通過(guò)鉆桿、鉆具的成套傳力機(jī)構(gòu)來(lái)傳導(dǎo)的，類似的，一般情況下，總的切削總彎矩T可表示為各單獨(dú)葉片的彎矩總和：

假定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將扭矩均勻傳遞給各葉片，由公式（10）可知，各葉片扭矩一定的情況下，增大鉆桿軸線與鉆桿軸線夾角βij可以提供更大的總和扭矩。

3.2 改進(jìn)措施及施工實(shí)例

鉆機(jī)進(jìn)場(chǎng)伊始，試成孔施工穿越4-1層粉土和5層粉細(xì)砂層時(shí)，出現(xiàn)鉆機(jī)進(jìn)尺緩慢，主電機(jī)電流持續(xù)升高的情況，成孔存在一定的困難。

基于以上分析，從增加正向壓力、改進(jìn)鉆頭切削效率、提高切削總彎矩等方面考慮，對(duì)鉆臺(tái)和鉆頭進(jìn)行了針對(duì)性地優(yōu)化改進(jìn)，解決鉆進(jìn)困難的同時(shí)，考慮到施工便利，盡量就地取材，易于實(shí)施。

增加鉆頭配重：在主動(dòng)力電機(jī)固定架倉(cāng)的空余位置，妥善安放約2 t水泥（圖4-a），增加正向壓力，直接提高了各葉片的垂向壓力，有效增加各葉片的鉆進(jìn)動(dòng)能。

改進(jìn)鉆頭葉片：各層葉片現(xiàn)場(chǎng)焊接優(yōu)質(zhì)鋼片，增加切削片的角度（圖4-b）。增加后的切削片平面軸線與鉆桿軸線以大角度相交，可以提供更大的總和扭矩，極大提高了鉆進(jìn)效率。

圖4 水泥土攪拌樁鉆頭改進(jìn)Fig.4 Improvement measures of cement soil mixing pile bit

對(duì)于正式成樁的各臺(tái)樁機(jī)，均采用以上2種簡(jiǎn)單易行并行之有效的改進(jìn)措施進(jìn)行適應(yīng)性改造，施工中有效克服了4-1層粉土和5層粉細(xì)砂層的穿越困難問(wèn)題。成樁后開挖檢驗(yàn)，樁體均勻，成樁質(zhì)量良好，止水效果優(yōu)良。

4 結(jié)論

針對(duì)巨厚粉細(xì)砂層的穿越的問(wèn)題，根據(jù)鉆頭及與周圍土體的受力狀態(tài)的受力分析可知：1）提高頂部垂向壓力可以有效增加各葉片的鉆進(jìn)動(dòng)能；2）各葉片扭矩一定的情況下，增大鉆桿軸線與鉆桿軸線夾角βij可以提供更大的總和扭矩。

工程實(shí)踐中，對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行了增加鉆頭配重和增加切削片角度的優(yōu)化改進(jìn)，綜合考慮到了施工便利和就地取材，易于現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)施。對(duì)巨厚粉細(xì)砂層的穿越取得了良好的施工效果，提升了成樁速度，達(dá)到理想的成樁效果，確保了帷幕止水效果，可以作為類似工程施工的參考。