深層攪拌樁處理海相軟土技術(shù)

駱忠偉

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽(yáng) 618000)

水泥土攪拌樁利用水泥、石灰等固化劑，通過(guò)深層攪拌機(jī)械，就地將軟土和漿液狀或粉狀固化劑強(qiáng)制拌合，通過(guò)物理-化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成整體、穩(wěn)定和一定強(qiáng)度的改良地基土。深層攪拌樁通常指加固深度大于5 m。深層攪拌樁因造價(jià)低，施工速度快，無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲，不需泥漿護(hù)壁，不產(chǎn)生廢水污染等特點(diǎn)，在軟基處理中有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。軟土是第四紀(jì)后期形成的海相、泄湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的黏土沉積物或河流沖積物，也有軟土是新近淤積物。軟土具有近乎飽和狀態(tài)，天然含水量w>wL，天然孔隙比e>1。當(dāng)1.0wL時(shí)，稱為淤泥質(zhì)土，通過(guò)天然含水量和天然孔隙率指標(biāo)可以看出淤泥質(zhì)土工程性質(zhì)是承載力低、抗剪強(qiáng)度低、壓縮系數(shù)高、滲透系數(shù)小，在工程中會(huì)出現(xiàn)地基沉降變形大、易出現(xiàn)不均勻沉降，且沉降穩(wěn)定經(jīng)歷數(shù)年或數(shù)十年時(shí)間。郭曉茹等[1]從試樁和定位樁機(jī)設(shè)備等方面討論了在公路路基工程中深層攪拌樁施工工藝，彭瑞[2]研究了水泥深層攪拌樁的關(guān)鍵參數(shù)，確定最終影響水泥土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的是活化反應(yīng)，同時(shí)充分預(yù)攪拌是保證DCM成樁質(zhì)量的關(guān)鍵因素。姜鴻等[3]研究了水泥土攪拌樁在地基處理中有施工高效、造價(jià)合理方面的優(yōu)點(diǎn)。已有研究在施工工藝、經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)和適用范圍作了研究，但缺乏對(duì)軟土地基置換率、承載力提高、靜載荷試驗(yàn)等體系性研究。

1 工程概況

某熱軋車間位于遼寧營(yíng)口市某熱軋車間地基處理方案，基坑深度為3.5～15.0 m，建設(shè)場(chǎng)地原為海灘灘涂養(yǎng)殖田，后建設(shè)單位將場(chǎng)地填至黃海高程4.5 m。由于地層分布不連續(xù)，不同點(diǎn)位地基承載力差異較大，為提高設(shè)備基礎(chǔ)的地基承載力和有效控制地基沉降變形，采用深層攪拌樁對(duì)軟基進(jìn)行加固處理。根據(jù)JGJ79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[4]中第7.3.2條規(guī)定：水泥土攪拌樁用于處理泥炭土、有機(jī)質(zhì)土、pH值小于4的酸性土、塑性指數(shù)大于25的黏土，或在腐蝕環(huán)境中以及無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)使用時(shí)，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)確定。根據(jù)《規(guī)范》要求，施工現(xiàn)場(chǎng)提前作了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)。

1.1 設(shè)備基底地層分布情況

(1)粉質(zhì)黏土：灰色、黃褐色，含云母、氧化鐵礦物及少量有機(jī)質(zhì)，局部相變?yōu)榉弁粒忻鏌o(wú)光澤，干強(qiáng)度較低，韌性較差，為相對(duì)的硬殼層，無(wú)機(jī)鹽含量較多，一般軟塑狀態(tài)，局部軟可塑狀態(tài)，該層為新進(jìn)沉積土，高壓縮性，局部中等壓縮性。該層分布不連續(xù)，揭露平均層厚2 m，fak=50 kPa。

(2)淤泥：灰色，灰黑色，含較多有機(jī)質(zhì)、貝殼及粉細(xì)砂，有臭味，受到一定程度的擾動(dòng)，難于采取土樣，流塑狀態(tài)，為新進(jìn)沉積土，具高壓縮性，平均厚度為0.8 m。

(3)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：灰色，灰黑色，含較多有機(jī)質(zhì)及貝殼碎片，有機(jī)質(zhì)含量平均3.1%，有腥臭味，刀切面無(wú)光澤，干強(qiáng)度低，韌性低，無(wú)搖振反應(yīng)，呈流塑狀態(tài)，含較多粉砂薄層，局部相變?yōu)檐浰艿姆圪|(zhì)黏土或粉土，為新進(jìn)沉積土，具高壓縮性，局部中等壓縮性。該層分布基本連續(xù)，平均厚度為6.5 m。

(4)粉質(zhì)黏土：灰色，一般軟塑狀態(tài)，局部軟可塑狀態(tài)，局部夾粉土、粉砂薄層，干強(qiáng)度、韌性中等，無(wú)搖振反應(yīng)，切面稍有光澤，中等壓縮性，局部高壓縮性，該層局部鉆孔含多許貝殼薄層。該層分布連續(xù)，揭露層厚4.5 m。

(5)粉砂：灰色，石英、長(zhǎng)石質(zhì)，顆粒較均勻，磨圓度較好，含較多黏性土，多與黏性土互層分布。該層為新進(jìn)沉積土，飽和，局部稍密狀態(tài)，平均厚度為3.5 m，fak=350 kPa。

1.2 處理的范圍

深層攪拌樁的處理范圍為15 m×12 m的設(shè)備基礎(chǔ)內(nèi)，平均處理的深度為14.3 m，樁端進(jìn)入粉砂層0.5 m，在樁頂設(shè)置0.3 m砂褥墊層。

2 深層攪拌樁的設(shè)計(jì)

2.1 復(fù)合地基承載力特征值確定

根據(jù)設(shè)計(jì)文件提供的上部荷載、設(shè)備自重和基礎(chǔ)自重等荷載標(biāo)準(zhǔn)值F+G=3240 t，設(shè)計(jì)要求地基承載力特征值不低于180 kPa。

2.2 攪拌樁參數(shù)選定

按照《規(guī)范》規(guī)定，僅需要在基礎(chǔ)范圍內(nèi)作深層攪拌樁處理即可，選用直徑d=0.6 m，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁頂標(biāo)高處向下的土層參數(shù)

2.2.1 單樁承載力的確定

2.2.1.1 水泥漿液配制

在項(xiàng)目實(shí)施前，按照《規(guī)范》要求，對(duì)水泥品種、摻入比、水灰比、外加劑對(duì)水泥土強(qiáng)度影響，采用室內(nèi)和室外2種方式相互驗(yàn)證齡期與強(qiáng)度的關(guān)系，為施工工藝提供可靠的參數(shù)。選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、飲用淡水，專用灰漿攪拌機(jī)配制，《規(guī)范》要求增強(qiáng)體水泥摻量αw不應(yīng)小于12%，濕法的水泥漿水灰比控制在0.5～0.6，本項(xiàng)目取0.5，加入適量SVA混凝土防腐劑。試驗(yàn)確定水泥摻入比αw為12%、15%、18%、21%、24%、27%、30%、33%、35%和40%，在土層①～⑤中試驗(yàn)當(dāng)αw=18%時(shí)所得的fcu最小值為1.35 MPa。

水泥漿的密度為：

式中:n為水灰比，水泥的比重ρ2=3.0 t/m3。

2.2.1.2 單樁承載力確定

單樁承載力特征值根據(jù)《規(guī)范》[4]中式7.1.5-3和式7.3.3可知Ra值如式(1)、式(2)所示取小值。

3.14×0.6×(10×2+0+9×6.5+

20×4.5+0.5×48)+0.6×350×3.14×0.302=

362.67+59.34=422 kN

(1)

Ra=ηfcuAp=

0.25×1.35×103×3.14×0.302=95.4 kN

(2)

式中：Ra為單樁承載力特征值(kN)，up為樁的周長(zhǎng)(m)，qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值(kPa)，lpi為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度( m)，αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，qp為樁端端阻力特征值(kPa)，η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，濕法取0.25，fcu為與攪拌樁樁身混凝土配比相同的室內(nèi)加固土試塊，邊長(zhǎng)為70.7 mm的立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90天齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa)。取二者小值Ra=95.4 kN。

2.2.2 樁間距的確定

按照滿堂形式在基底布樁，設(shè)樁間距為sm，《規(guī)范》第7.1.5條第2款規(guī)定，對(duì)有粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基承載力設(shè)計(jì)值的計(jì)算為式(3)所示。

(3)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)1.0，m為面積置換率，Ra為單樁承載力特征值，Ap為單樁面積，β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)0.4。

面積置換率m為式(4)所示。

(4)

式中：n為處理范圍內(nèi)的攪拌樁的根數(shù)，Ap為單樁面積，A為設(shè)備基礎(chǔ)需要處理的面積。

由式(3)可變化為式(5)。

(5)

由式(4)、式(5)可知，n=304根，按照邊長(zhǎng)15 m的布19根、邊長(zhǎng)12 m的布16根，長(zhǎng)邊方向樁間距0.83 m、短邊方向樁間距0.8 m。

3 深層水泥土攪拌樁施工要點(diǎn)

根據(jù)《規(guī)范》第7.3.5條要求，水泥土攪拌樁施工主要包括：

(1)攪拌機(jī)械就位、調(diào)平。

(2)攪拌下沉至設(shè)計(jì)要求的加固深度。

(3)邊噴漿邊攪拌提升至預(yù)定的停漿面，預(yù)定的停漿面為高于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高500 mm。

(4)重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)加固深度。

(5)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二次攪拌提升到預(yù)定的停漿面。

(6)關(guān)閉攪拌機(jī)，整個(gè)施工過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 深層攪拌樁施工步驟

3.1 噴漿攪拌次數(shù)與提升速度

如果水泥摻入比為αw，每1 min噴出的水泥的重量為γ1Q/(1+αc)(γ1為水泥漿的容重，Q為灰漿泵的排量0.05 m3/min，αc為水泥漿水灰比)，每1 min攪拌的原土重量為Apγv(其中Ap為樁體截面積，γ為原土的容重，v為攪拌頭噴漿提升速度，單位m/min)，根據(jù)水泥摻入比的概念見(jiàn)式(6)。

(6)

推導(dǎo)得到單次噴漿的提升速度為式(7)。

(7)

如果噴漿2次，則每次噴漿水泥摻入比減半，按照αw/2計(jì)算，在灰漿泵排量不變的情況下，則噴漿提升速度變?yōu)槭?8)。

(8)

3.2 施工要點(diǎn)

本項(xiàng)目選用國(guó)產(chǎn)型號(hào)為DSJ30單軸深層攪拌機(jī)，適用于軟土分布特別深厚的地區(qū)，深層攪拌樁達(dá)不到地基中的相對(duì)硬層，可采用單攪拌軸制成的單根攪拌樁。由于只有一根攪拌軸機(jī)時(shí)無(wú)中心輸漿管，因此單軸機(jī)的組成包括：電動(dòng)機(jī)、減速器、旋轉(zhuǎn)密封接頭、攪拌軸和攪拌頭等部件組成。DSJ30單軸深層攪拌機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2?；覞{泵是深層攪拌樁重要的配套機(jī)械，本項(xiàng)目采用柱塞泵HB6-3型，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 DSJ30國(guó)產(chǎn)單軸深層攪拌機(jī)技術(shù)參數(shù)[5]

(1)步驟1：樁機(jī)就位。用經(jīng)緯儀放出建筑物的軸線，樁位放定后，打入φ6 mm定位鋼筋，周邊撒白灰標(biāo)定。將攪拌樁機(jī)行至樁位，并將鉆頭與指定樁位對(duì)正。樁位對(duì)中誤差不應(yīng)大于10 mm；導(dǎo)向架與攪拌軸應(yīng)與地面垂直；垂直度偏斜不應(yīng)超過(guò)1.0%。

(2)步驟2：鉆進(jìn)噴漿成樁。開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)，鉆頭鉆進(jìn)攪拌土體，到比樁頂標(biāo)高高50 cm位置時(shí)，開(kāi)動(dòng)灰漿泵，鉆頭邊向下攪拌土體邊噴射水泥漿。鉆進(jìn)速度按照計(jì)算確定的v2控制，噴漿壓力控制在1.0～1.4 MPa，鉆進(jìn)噴漿至設(shè)計(jì)樁底后，原地噴漿0.5 min，再反轉(zhuǎn)勻速提升鉆頭，鉆進(jìn)深度誤差不超過(guò)50 mm。

(3)步驟3：提升攪拌。攪拌頭自樁底反轉(zhuǎn)勻速攪拌提升，直至預(yù)定的停漿面，為高于樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高500 mm。

(4)步驟4：重復(fù)攪拌。鉆頭攪拌下沉到設(shè)計(jì)加固深度至樁底。

(5)步驟5：重復(fù)提升攪拌，將攪拌頭攪拌提升至直至預(yù)定的停漿面。

(6)步驟6：重復(fù)步驟2。

(7)步驟7：重復(fù)步驟3。

(8)步驟8：成樁完畢。如噴漿量已達(dá)到實(shí)際要求還需要攪拌均勻，再次重復(fù)步驟4、步驟5，即可完成一根攪拌樁的作業(yè)。開(kāi)動(dòng)灰漿泵清洗管路中殘余的水泥漿，樁機(jī)移至下一個(gè)樁位，進(jìn)行下一個(gè)樁的施工。

表3 HB6-3型號(hào)灰漿泵技術(shù)參數(shù)[5]

3.3 施工質(zhì)量控制

3.3.1 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

樁位控制要求實(shí)際樁的打設(shè)位置與設(shè)計(jì)誤差不超過(guò)2 cm，成樁后樁位偏差不超過(guò)5 cm。水泥漿質(zhì)量控制，攪拌樁使用的水泥漿必須嚴(yán)格按配合比配制，不得出現(xiàn)水泥漿離析、停放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在倒入集料槽前要保持制漿機(jī)不斷攪拌，對(duì)靜置大于2 h的水泥漿，按低一個(gè)等級(jí)處理使用。攪拌施工的均勻性控制，在施工步驟2中鉆機(jī)鉆頭鉆進(jìn)攪拌土體，應(yīng)該使土體得到充分?jǐn)嚢?，特殊情況下可以采用沖水下沉，按照設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制水泥漿噴出量和攪拌提升速度，不得超過(guò)設(shè)計(jì)要求的1.31 m/ min，重復(fù)攪拌和二次提升噴漿時(shí)，必須嚴(yán)格控制下沉和提升噴漿速度，確保加固深度內(nèi)都得到均勻攪拌。施工中斷的處理，一旦出現(xiàn)噴漿施工中斷，必須將攪拌頭下沉到停漿面50 cm以下，確保樁的連續(xù)性。施工記錄應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，深度記錄誤差不超過(guò)5 cm，時(shí)間記錄誤差不超過(guò)2 s，施工中出現(xiàn)地質(zhì)條件不符、水泥漿斷供、機(jī)械故障等原因造成的問(wèn)題和處理措施，都要如實(shí)詳細(xì)記錄，確保有據(jù)可查。

3.3.2 施工質(zhì)量檢驗(yàn)

在深層攪拌樁施工齡期28天后進(jìn)行復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和復(fù)合地基增強(qiáng)體單樁靜荷載試驗(yàn)2種試驗(yàn)方法。

3.3.2.1 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)

復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)的承壓板必須具備足夠的剛度，采用圓形，面積為1根樁承擔(dān)的處理面積為:

A=Ap/m=π×0.62/4/0.477=0.593 m2

N=2fspkA×1.2=2.4×180×0.593=256.2 kN

樁身強(qiáng)度1.35 MPa的深層攪拌樁取s/d=0.008對(duì)應(yīng)的加載荷載，同時(shí)考慮極限荷載的一半，取二者小值對(duì)應(yīng)的壓力值即為復(fù)合地基承載力特征值，試驗(yàn)所得的fspk=180.0 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3.2.2 復(fù)合地基增強(qiáng)體單樁靜荷載試驗(yàn)

試驗(yàn)中采取單根樁靜載荷試驗(yàn)，任意選取試驗(yàn)樁5根，試驗(yàn)反力裝置提供加載荷載為：

N=2×1.2×95.4=229 kN

根據(jù)加載情況作出荷載-沉降(Q-s)曲線，如果曲線呈陡降明顯時(shí)取陡降起點(diǎn)的荷載值作為單樁抗壓極限承載力，如果呈緩變型曲線，取樁頂總沉降40 mm所對(duì)應(yīng)的荷載值[6]。參與統(tǒng)計(jì)的5根試驗(yàn)樁，當(dāng)極差不超過(guò)平均值的30%，取平均值為單樁極限承載力，當(dāng)超過(guò)30%時(shí)，剔除最大值，重新計(jì)算平均值，還需滿足極差不超過(guò)30%的要求，此時(shí)取平均值為單樁極限承載力。復(fù)合地基增強(qiáng)體單樁靜荷載試驗(yàn)所得為Ra=95.4 kN滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

大型設(shè)備基礎(chǔ)在海相軟土地基上，由于地基承載力不足，采取深層水泥土攪拌樁加固措施，地基承載力達(dá)到180 kPa，本文比較詳細(xì)討論了深層攪拌樁設(shè)計(jì)、施工工藝和質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程，為類似工程提供了有益參考，建議和結(jié)論有:

(1)從水泥摻入比的物理意義出發(fā)，推導(dǎo)了攪拌機(jī)噴漿提升速度計(jì)算公式，從原理上解釋了提升速度與灰漿泵排量、水泥漿密度、水泥摻入比、增強(qiáng)體截面積和水灰比的關(guān)系。

(2)施工中要嚴(yán)格按照工藝流程、施工步驟操作，嚴(yán)格按照配比配制水泥漿加強(qiáng)質(zhì)量控制，加強(qiáng)對(duì)施工日志記錄管理，做到有據(jù)可查，還要確保施工中斷后處置方法和措施落實(shí)到位。

(3)對(duì)深層攪拌樁復(fù)合地基進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(cè)，采用復(fù)合地基靜載荷和單樁靜載荷試驗(yàn)，復(fù)核處理后的地基承載力情況，結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。