多向切割攪拌樁機的工作機理與攪拌樁性能研究

練財宗，劉全林，黃 偉

（1. 安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2. 上海強勁地基工程股份有限公司，上海 201800）

0 引 言

水泥土攪拌樁是指利用水泥等材料作為固化劑，通過特制的攪拌機械，在地基中就地將軟土和固化劑（漿液或粉體）進行強制攪拌，軟土與固化劑發(fā)生一系列的物理和化學反應，使軟土硬結成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的水泥土攪拌樁。這種水泥土攪拌樁與樁周土體一起形成復合地基，從而提高地基強度，減小地基沉降[1-4]。

水泥土攪拌法加固軟土技術有以下優(yōu)點[5-6]：最大限度地利用了原土；攪拌時振動小、噪聲小和無污染，對周圍原有建筑物及地下溝管影響很?。皇┕し绞胶唵?、工期較短、造價低。水泥土攪拌法最適宜于加固各種成因的飽和軟黏土。國外使用深層攪拌法加固的土質(zhì)有新吹填的超軟土、沼澤地帶的泥炭土、沉積的粉土和淤泥質(zhì)土等。目前國內(nèi)常用于加固淤泥、淤泥質(zhì)土、粉土和含水量較高且地基承載能力標準值較低的黏性土等[7]。

工程實踐證明,攪拌樁是一種具有很大推廣價值的軟土地基加固技術,目前已廣泛應用于各種工程建設的地基處理中，水泥土攪拌樁在加固軟土地基中具有較多優(yōu)越性，但也暴露出其在應用上的一些弊端，主有表現(xiàn)在以下兩方面：

（1）原狀土體切割破碎不充分與黏糊葉片[8]

攪拌葉片之間充填著土體，在旋轉(zhuǎn)與上下移動過程中，沒有其它的葉片來切割和破碎這部分土體，使得攪拌葉片上仍存在大量的原狀土體；此外，攪拌葉片旋轉(zhuǎn)帶動土體沿葉片的旋轉(zhuǎn)方向一起運動，將土體向四周外擠壓，被擠壓的土體又向孔內(nèi)運動，葉片與土體之間沒有相對切割與破碎的過程，土體擠壓形成了土塊。攪拌葉片之間塞滿土體，攪拌軸和葉片均被黏性土包裹，無法有效破碎土體，攪拌葉片對孔外土體的擠壓和擾動非常明顯。

（2）固化劑漿液與土顆?；旌喜痪鶆?/p>

鉆桿進入土層后，上層土體因葉片切削作用變得松散，對下部約束作用減弱，水泥漿液在攪拌葉片螺旋升力、噴漿壓力、鉆桿鉆進壓力、土壓力及超空隙水壓力作用下，沿著鉆桿上行，甚至出現(xiàn)地面冒漿，造成樁長范圍內(nèi)水泥含量上下分布不均，影響成樁整體性及質(zhì)量[9-10]。傳統(tǒng)單軸攪拌樁機僅上提時底部噴漿，漿液在土塊之間及攪拌葉片外側流動，使得與土體的混合不充分，形成的樁體不均勻以及樁端缺漿等現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的單軸攪拌樁技術制成的樁體存在著樁身均勻性差、強度低且完整性較低的缺陷，限制其在淤泥質(zhì)地層使用的局面。為此，針對黏性土需要強制切割、破碎與充分混合固化劑才能形成均勻、完整攪拌樁體的要求，通過對單軸攪拌樁的攪拌葉片布置和噴漿方式的研究，研制了一種新型的多向切割單軸攪拌樁機具。

1 多向切割攪拌樁機的工作機理

1.1 多向切割破碎的技術原理

多向切割攪拌樁攪拌頭是在鉆桿上設置單向旋轉(zhuǎn)攪拌葉片并設置上、下噴漿口，同時在鉆桿外部嵌套一個可沿鉆桿周向自由轉(zhuǎn)動的三臂籠式鉆具，并在三臂籠式鉆具上設置攪拌葉片，其攪拌葉片與內(nèi)鉆桿攪拌葉片交錯排列的一種攪拌頭。多向切割攪拌樁是指攪拌頭工作時，三臂籠式鉆具嵌入土體中，不隨內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，兩組葉片形成相對逆向轉(zhuǎn)動，正、反方向多向切割攪拌土體和固化劑漿液形成的攪拌樁。

多向切割攪拌樁攪拌頭如圖1所示。多向切割攪拌樁的設備改造靈活簡單，只需將常規(guī)攪拌樁設備的攪拌頭替換為多向切割攪拌樁攪拌頭，同時在攪拌頭的內(nèi)鉆桿上設置上、下噴漿口，并且根據(jù)需求使用相應功率的動力頭，即可改造完成。多向切割攪拌頭的兩組攪拌葉片是交錯排列的，使土體破碎的更加充分；外部籠式鉆具不隨內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，兩組葉片形成相對逆向轉(zhuǎn)動，起到一定的壓漿作用，保證固化劑的摻入量，使成樁的質(zhì)量得到保證。

圖1 多向切割攪拌頭Fig. 1 Multidirectional cutting and mixing head

與傳統(tǒng)水泥土攪拌樁相比，多向切割攪拌樁的內(nèi)鉆桿攪拌葉片與外部三臂籠式鉆具攪拌葉片相對逆向轉(zhuǎn)動，對土體和固化劑漿液進行多向切割攪拌，具有以下優(yōu)點：

（1）三臂籠式鉆具的攪拌葉片不隨內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)動，可以打斷固化劑漿液在壓力作用下的上升路徑，起到一定的壓漿作用，使固化劑漿液集中在內(nèi)鉆桿攪拌葉片和三臂籠式鉆具攪拌葉片間，保證固化劑漿液的摻入量。

（2）內(nèi)鉆桿攪拌葉片與三臂籠式鉆具攪拌葉片以交錯排列的方式分布，能互相切割攪拌葉片、籠臂和內(nèi)鉆桿的黏滯泥漿，大大減少了抱鉆的泥漿量，避免出現(xiàn)土漿跟轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，顯著提高了攪拌效果。

（3）由于多向切割攪拌樁攪拌頭的獨特結構，固化劑漿液控制在兩組攪拌葉片間，同時多向切割土體，土體被破碎得更小，固化劑漿液得以均勻地分布到土體中，使固化劑漿液和土體攪拌更加充分，保證樁體的均勻性，提高成樁質(zhì)量。

（4）由于是多向切割攪拌，“兩攪一噴”施工工藝便可保證攪拌樁成樁質(zhì)量，大大提高了施工效率。

1.2 攪拌樁機的土體破碎程度量化分析

在一般情況下，攪拌葉片破碎次數(shù)（BRN）的標準為不小于450次/m。破碎次數(shù)（BRN）通過以下公式計算得出：

式中：BRN為葉片的破碎次數(shù)，次/m；m為葉片總數(shù)；s為外側攪拌籠數(shù)量；Nu為提升時的葉片轉(zhuǎn)速，r/min；vu為提升速度，m/min；Nd為鉆入時的葉片轉(zhuǎn)速，r/min；vd為鉆入速度，m/min。

通過土體的破碎次數(shù)，取相應的影響系數(shù)來評價土體的破碎程度對攪拌樁強度的影響。當BRN大于1 200，取破碎切割影響系數(shù)kn=1；750～1 200之間，取破碎切割影響系數(shù)kn=0.75；小于750，取破碎切割影響系數(shù)kn=0.55。

1.3 攪拌樁機的攪拌均勻性分析

當固化劑漿液數(shù)量充足時，采用高低噴漿口的攪拌噴漿，在低噴漿口以上的攪拌葉片數(shù)量m1，在高噴漿口以下的攪拌葉片數(shù)量m2，攪拌樁機的攪拌均勻指標BRE按下式計算：

式中：BRE為攪拌均勻指標；m1為在低噴漿口以上的攪拌葉片數(shù)量；m2為在高噴漿口以下的攪拌葉片數(shù)量。

通過攪拌均勻指標值，取相應的影響系數(shù)來評價攪拌均勻程度對攪拌樁強度的影響。當BRE大于1 000，取攪拌均勻影響系數(shù)ke=1；750～1 000之間，取攪拌均勻影響系數(shù)ke=0.8；小于750，取攪拌均勻影響系數(shù)ke=0.6。

1.4 多向切割攪拌樁施工工藝

多向切割攪拌樁施工示意圖如圖2所示。

圖2 多向切割攪拌樁施工示意圖Fig. 2 Construction steps of multidirectional cutting and mixed column

其施工工藝步驟如下：

（1）平整場地，定位、放線；（2）鉆機定位：攪拌機對齊樁位點；（3）切土下沉：啟動攪拌機，使攪拌機沿導向架向下切土，下沉時不開啟送漿泵。外部三臂籠式鉆具不轉(zhuǎn)動，內(nèi)鉆桿順時針旋轉(zhuǎn)下沉，多向切割攪拌土體，直至設計深度；（4）復攪：當攪拌頭到達設計深度后，提鉆復攪至距樁底5 m處，開啟下噴漿口，噴漿下沉至樁底后，關閉下噴漿口，打開上噴漿口，在樁底持續(xù)噴漿攪拌不少于10 s；（5）噴漿上提：保持開啟上噴漿口，外部三臂籠式鉆具不轉(zhuǎn)動，內(nèi)鉆桿逆時針旋轉(zhuǎn)提升，多向切割攪拌土體和固化劑漿液，攪拌提升至樁頂標高以上0.5 m處；（6）清洗、移位。

2 攪拌樁樁體無側限抗壓強度與成樁質(zhì)量因素的相關性分析

考察攪拌樁成樁質(zhì)量的要素主要有：原狀土體的物理力學性能：γ,w,c,φ，土體被切割破碎的影響系數(shù)kn,固化劑的摻入量α和水灰比t,及攪拌均勻影響系數(shù)ke。

水泥土的強度均按28 d齡期的無側限抗壓強度取值。通過考察成樁質(zhì)量的主要影響因素，基于這些主要影響因素，先建立一個多因素函數(shù)，然后把這些因素的量綱代入，利用量綱分析法寫出這個函數(shù)乘法顯式，從而建立攪拌樁樁體無側限抗壓強度qu的相關經(jīng)驗函數(shù)：

式中：qu為樁體芯樣無側限抗壓強度，MPa；γ為原狀土的重度，kN/m3；w為原狀土的含水率，%；c為原狀土的黏聚力，kPa；φ為原狀土的內(nèi)摩擦角，°；kn為土體被切割破碎的影響系數(shù)；α為固化劑摻入量，%；t為固化劑水灰比；ke為攪拌均勻影響系數(shù)；a、b、d、f、g為相關性系數(shù)。其中，相關性系數(shù)a、b、d、f、g將根據(jù)表1試驗數(shù)據(jù)來確定。

表1 攪拌樁樁體無側限抗壓強度與成樁主要影響因素的試驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of the unconfined compressive strength of mixed column and the main influencing factors

通過MATLAB擬合得到：

a=1.235 5,b=-0.882 9,d=0.961 8,f=0.866 7,g=0.212 7,則R的相關經(jīng)驗函數(shù)為：

3 應用案例

3.1 原狀土的物理力性質(zhì)

實驗地點位于上海市嘉定區(qū)某一工程施工場地，該場地位于長江三角洲入海口東南前緣，屬于湖沼平原I2區(qū)地貌類型。土層自上而下分述如下：①層：素填土，松散，高等壓縮性，由粉質(zhì)黏土組成，含植物根莖、碎石和碎磚塊，土質(zhì)不均。②1層：粉質(zhì)黏土，軟-可塑狀，中等壓縮性。②2層：砂質(zhì)粉土，稍密，中等壓縮性。③層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土，流塑狀，高等壓縮性。④1層：粉質(zhì)黏土，硬塑狀，中等壓縮性。④2層：砂質(zhì)粉土，稍密-中密，中等壓縮性。④3層：粉質(zhì)黏土，軟塑狀，中等壓縮性。⑤層：砂質(zhì)粉土，密實，中等壓縮性。土層的主要物理力學指標如表2所示。

表2 土層的主要物理力學指標Table 2 Main physical and mechanical characteristics indexes of the soil layer

3.2 現(xiàn)場攪拌樁施工的主要參數(shù)

試驗用樁共6根，其中傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁（攪拌葉片與多向切割攪拌頭的內(nèi)鉆桿攪拌葉片一致，為斜槳式攪拌葉片）3根，多向切割水泥土攪拌樁3根，都采用2攪1噴工藝施工。試驗樁長均為18 m，樁徑為700 mm，固化劑摻入量為12 %，水灰比為0.8。提升時的葉片轉(zhuǎn)速Nu為32 r/min，提升速度vu為1 m/min；鉆入時的葉片轉(zhuǎn)速Nd為23 r/min，鉆入速度vd為2 m/min。

以下是多向切割水泥土攪拌樁的破碎切割影響系數(shù)和攪拌均勻影響系數(shù)的取值，其中

以下是傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁的破碎切割影響系數(shù)和攪拌均勻影響系數(shù)的取值，其中m=20,m2=18

3.3 試驗結果

室內(nèi)試驗選擇的是③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土層土，水灰比為0.8，固化劑摻量為12%，分別進行7 d和28 d無側限抗壓強度試驗，結果如表3所示。

表3 室內(nèi)無側限抗壓強度試驗結果Table 3 Lab test results of unconfined compressive strength

現(xiàn)場對傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁和多向切割水泥土攪拌樁進行了取芯試驗，齡期為28 d,芯樣加工后尺寸為Ф100 mm×100 mm。表4和表5分別為多向切割水泥土攪拌樁和傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁的取芯試驗結果。

表4 多向切割水泥土攪拌樁的芯樣無側限抗壓強度Table 4 Unconfined compressive strength of the core sample of the multidirectional cutting cement-soil mixed column

表5 傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁的芯樣無側限抗壓強度Table 5 Unconfined compressive strength of the core sample of the traditional uniaxial soil-cement mixed column

取芯強度低于室內(nèi)試驗強度，多向切割攪拌樁的芯樣強度折減系數(shù)為0.51～0.56，傳統(tǒng)單軸攪拌樁的芯樣強度折減系數(shù)為0.19～0.24。其主要原因為：施工攪拌過程中的浮漿和部分置換土體帶走漿液；取芯和試件加工過程對芯樣的擾動；攪拌的均勻性差異。

從表4中可以看出，多向切割水泥土攪拌樁芯樣無側限抗壓強度主要集中在1.20～1.70 MPa之間，由于④1層土的物理力學性質(zhì)與其它土層差異較大，所以該土層的芯樣無側限抗壓強度與其他土層的相差較大，而不是攪拌不均勻所導致。芯樣無側限抗壓強度實測值與計算值相差較小，由此可以看出，多向切割攪拌樁施工工藝可以保證固化劑漿液在樁體的分布，并且能攪拌均勻，可以保證攪拌樁的施工質(zhì)量；經(jīng)驗函數(shù)能較為準確地預測成樁質(zhì)量，并且在物理力學性質(zhì)相差較大的土層間也適用。

從表5中可以看出，傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁芯樣無側限抗壓強度在樁體較淺處較大，主要在1.90～2.85 MPa之間，而在樁體深處卻很小，主要在0.16～0.40 MPa之間，這是由于傳統(tǒng)單軸攪拌樁施工時，固化劑漿液在攪拌葉片的螺旋升力、噴漿壓力等外力作用下，沿著鉆桿上升，所以上部樁體固化劑含量偏大，下部樁體固化劑含量偏小，導致上部樁體芯樣無側限抗壓強度較高，下部樁體芯樣無側限抗壓強度較低。傳統(tǒng)單軸攪拌樁芯樣無側限抗壓強度實測值與計算值相差較大，這是由于傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁施工時溢漿和攪拌不均勻?qū)е碌摹?/p>

由于傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁的BRN值和BRE值均遠小于多向切割水泥土攪拌樁，故而多向切割水泥土攪拌樁芯樣的無側限抗壓強度計算值大于傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁芯樣無側限抗壓強度計算值，從成樁質(zhì)量也能反映出，多向切割水泥土攪拌樁對土體的破碎程度和攪拌均勻性優(yōu)于傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁。

多向切割攪拌樁的芯樣如圖3所示，芯樣多為表面光滑，攪拌紋理清晰，未見水泥粒塊，且手按無指硬。傳統(tǒng)單軸攪拌樁的芯樣如圖4所示，芯樣多為表面粗糙，攪拌紋理不連續(xù)，且夾水泥塊。

圖3 多向切割攪拌樁芯樣Fig. 3 Core samples of the multidirectional cutting mixed column

圖4 傳統(tǒng)單軸攪拌樁芯樣Fig. 4 Core samples of the traditional uniaxial soil-cement mixed column

結合試驗結果和芯樣狀態(tài)，表明多向切割水泥土攪拌樁的成樁質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁。

4 結 論

通過對土體破碎程度和攪拌均勻的量化分析，結合實驗結果，表明多向切割攪拌樁施工工藝能夠較好的破碎黏土，使固化劑與土體攪拌均勻，能夠滿足攪拌樁在軟土地區(qū)的施工質(zhì)量要求，其工程特性遠優(yōu)于傳統(tǒng)單軸水泥土攪拌樁。提出的成樁強度經(jīng)驗公式可以較好地預測成樁后樁體芯樣的無側限抗壓強度，這為攪拌樁成樁質(zhì)量的驗證提供了一定的參考。