堤防除險(xiǎn)加固工程三軸水泥土攪拌樁水灰比優(yōu)化

溫國棟，錢少璇，楊婷婷

（1.江蘇天源建設(shè)集團(tuán)有限公司，江蘇 淮安 211700；2.江蘇省盱眙縣水務(wù)局，江蘇 盱眙 211700）

三軸水泥土攪拌樁應(yīng)用于水利水電、建筑、交通等工程，主要目的是有效解決雙軸水泥土攪拌樁鄰樁搭接不完全、成樁垂直度無法保證等技術(shù)問題。但三軸水泥土攪拌樁在工程應(yīng)用中主要面臨攪拌樁材料用量、水灰比和成樁質(zhì)量控制等問題，現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)攪拌樁水灰比的規(guī)定并不統(tǒng)一，對(duì)攪拌樁強(qiáng)度的爭議也較大[1]。為此，本文依托具體的堤防除險(xiǎn)加固工程進(jìn)行成樁試驗(yàn)，探討三軸水泥土攪拌樁水灰比優(yōu)化及強(qiáng)度控制問題。

1 工程概況

盱眙縣淮河干流灘區(qū)城根灘堤防薄弱段應(yīng)急除險(xiǎn)加固工程施工2 標(biāo)（樁號(hào)9+000～16+440）包括堤防加固7.4km，堤防防滲處理7.44km，堤后填塘固基3.17×104m2，拆建大洲引水涵洞1 座，拆建壩拐排灌站出水池及穿堤涵洞，改造大洲排澇站出水口，配套工程管理與堤防巡查設(shè)施建設(shè)。設(shè)計(jì)防滲墻軸線沿城根灘圩堤現(xiàn)狀堤頂布置，樁頂高程16.5m，樁底高程9～10.5m，水泥攪拌樁設(shè)計(jì)樁徑0.5m，鉆孔間距0.4m，搭接厚度約0.3m。為增強(qiáng)加固效果，達(dá)到支護(hù)、防滲或承載的目的，決定采用三軸水泥土攪拌樁其施工工藝。

為保證施工質(zhì)量，必須在施工開始前通過成樁試驗(yàn)確定水泥漿水灰比、噴漿提升速度等施工參數(shù)取值及具體施工工藝。考慮到密封效果，水泥攪拌樁應(yīng)設(shè)置連續(xù)型斷面，并將相鄰樁套接為一孔施工，鄰樁搭接施工間歇控制在16h 以內(nèi)，若因不可避免的原因而延誤搭接施工，必須減緩攪拌速度，確保搭接質(zhì)量。三軸攪拌樁施工期間，還應(yīng)始終保持樁基底盤垂直于立柱導(dǎo)向架，并將立柱導(dǎo)向架垂直度偏差嚴(yán)格控制在1/250 以內(nèi)。

2 施工原理及試樁方案

2.1 施工原理

三軸水泥攪拌樁以水泥為固化劑，借助三軸螺旋鉆頭進(jìn)行地基土原位翻轉(zhuǎn)及強(qiáng)制攪拌，切削土體后在下沉及提升攪拌的同時(shí)噴漿，并施加高壓空氣，保證水泥土充分?jǐn)嚢琛Ｔ跀嚢柰廖赐耆袒氨戎鼗揪S持在1.5～1.6kg/cm3。三軸水泥攪拌樁施工工藝對(duì)環(huán)境影響小，施工過程中高壓空氣持續(xù)釋放壓力，可有效緩解施工對(duì)周圍土體的側(cè)向壓力。本工程采用Ф850 三軸攪拌樁設(shè)備套接一孔法兩噴兩攪施工，并保證樁體范圍內(nèi)水泥攪拌均勻，樁體垂直度誤差控制在1/200 以內(nèi)。施工使用42.5 普通硅酸鹽水泥，按照20%確定水泥摻量，水灰比按1.5 確定，墻體抗?jié)B系數(shù)10-6～10-7cm/s，樁體28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度至少為1.0MPa。

三軸水泥攪拌樁施工前必須全面探測(cè)施工區(qū)域地下生活垃圾、塊石等障礙物并清理，此后分層夯實(shí)。第一批樁施工數(shù)量至少為3 根，并保證漿液水灰比、水泥投放量、泵送時(shí)間、攪拌樁沉降時(shí)間、樁長、垂直度等施工參數(shù)完全符合設(shè)計(jì)要求。樁體施工過程必須連續(xù)，通過套接一孔法施工，保證建成的水泥土攪拌墻具備可靠的防滲性能。注漿施工過程若因故暫停，并在恢復(fù)壓漿前提升或下沉攪拌機(jī)0.5m，確保攪拌樁連續(xù)。鄰樁搭接時(shí)間控制在12h 以內(nèi)，若因特殊原因超出該時(shí)間，必須報(bào)經(jīng)監(jiān)理方及設(shè)計(jì)方同意后，在搭接處進(jìn)行攪拌樁補(bǔ)施工。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，三軸水泥土攪拌樁施工時(shí)必須二噴二攪，前后兩次噴漿的水泥用量分別控制在設(shè)計(jì)用量的70%和30%，待攪拌頭沉降至設(shè)計(jì)標(biāo)高后開啟壓漿泵，使?jié){液到達(dá)噴漿口，此后在攪拌且提升攪拌頭的同時(shí)噴漿，提升速度必須連續(xù)、勻速，待將攪拌頭提升至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上40cm 后將灰漿泵關(guān)閉，并將攪拌頭沉降至設(shè)計(jì)標(biāo)高。隨即開啟注漿泵，并實(shí)施二次噴漿、提升和攪拌。

2.2 試樁方案

試樁試驗(yàn)安排在該堤防工程場(chǎng)地東側(cè)，選擇采取套打連接方式的施工5 組Ф850@600 三軸水泥土攪拌樁，按照1.6 的水灰比和20%的水泥摻量、15m 的攪拌深度成樁。待達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行7d、14d、28d 動(dòng)力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、取芯強(qiáng)度試驗(yàn)、取漿強(qiáng)度試驗(yàn)[2]。試驗(yàn)布置具體見圖1。

圖1 試樁試驗(yàn)方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行該堤防除險(xiǎn)加固工程防滲三軸水泥土攪拌樁配合比確定及試樁。根據(jù)地勘資料，堤防加固段土密度取1.8t/m3，三軸攪拌樁設(shè)計(jì)長度為30m；為確保樁頂水泥土強(qiáng)度，必須按照設(shè)計(jì)高程+50cm 確定樁頂實(shí)際高程；壓漿期間避免出現(xiàn)斷漿、輸漿管堵塞。擬定基礎(chǔ)水灰比為1.5，則對(duì)應(yīng)的水泥制漿量1.82m3/t，單幅樁所需要的漿液量為29.884m3。試樁配合比具體見表1。

表1 單幅防滲三軸水泥土攪拌樁配合比

在三軸攪拌樁試樁期間，當(dāng)水灰比取1.5～1.6時(shí)，所對(duì)應(yīng)的廢漿量較大，現(xiàn)場(chǎng)所估算的廢漿量高達(dá)7m3/幅，通過進(jìn)一步考察該除險(xiǎn)加固工程堤防工況條件發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的原因主要是基坑內(nèi)地下水位較高，所實(shí)際測(cè)得的地下水高程為-0.5m；堤防防滲樁在高程約+8.0m 的堤頂向下開挖施工，內(nèi)外側(cè)水位標(biāo)高均值均達(dá)到+2.5m，堤身其余高度內(nèi)則無地下水位補(bǔ)給。

結(jié)合6d 齡期靜力觸探試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，所檢測(cè)得4 根三軸水泥攪拌樁均勻性比原狀土明顯改善，但是靜力觸探比貫入阻力曲線存在較大波動(dòng)，均勻性一般；6d 齡期三軸水泥攪拌樁強(qiáng)度也比原狀土有所提升，最大提升幅度為2.03 倍，堤防加固效果較為顯著。

3 水灰比優(yōu)化

按照設(shè)計(jì)，三軸水泥攪拌樁水泥摻量應(yīng)至少為20%，并將基于理論計(jì)算所得到的水泥漿液29.884m3均勻摻入樁體內(nèi)。但施工期間，水泥漿混合物返漿外溢現(xiàn)象較為明顯，溢漿主要通過導(dǎo)流槽導(dǎo)入儲(chǔ)漿坑，達(dá)到固化狀態(tài)后外運(yùn)棄置。這一情況會(huì)直接造成樁體水泥摻量達(dá)不到20%的要求，并會(huì)影響成樁質(zhì)量。

結(jié)合調(diào)查，沉樁區(qū)域內(nèi)地下水位較高，使得配置好的水泥漿液無法徹底融入待加固土體內(nèi)，故應(yīng)降低水灰比，從而在保證水泥摻量20%的情況下提升漿液配置濃度，控制漿液體積。筆者調(diào)查到的現(xiàn)行規(guī)范中所規(guī)定的水灰比具體有3 種：①《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的三軸水泥土攪拌樁水灰比，具體見表2。②《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的固化劑應(yīng)選用強(qiáng)度等級(jí)至少32.5 的水泥，單軸及雙軸水泥土攪拌樁水泥摻量應(yīng)為13%～15%，三軸水泥土攪拌樁水泥摻量應(yīng)按照20%～22%控制；濕法水泥漿水灰比應(yīng)確定為0.45～0.70，以保證其可噴性和施工的方便性。③《型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程》中將三軸水泥土攪拌樁水灰比規(guī)定在1.2～2.0，具體見表3。

表2 JGJ311-2013 所規(guī)定的三軸水泥土攪拌樁水灰比

表3 JGJ/T199-2010 所規(guī)定的三軸水泥土攪拌樁水灰比

結(jié)合筆者調(diào)查，市場(chǎng)上現(xiàn)有的三軸攪拌樁機(jī)供漿系統(tǒng)工作水灰比基本按照1.5～2.0 設(shè)計(jì)，如果調(diào)整水灰比，必須更換機(jī)械供漿系統(tǒng)，勢(shì)必會(huì)增大工程造價(jià)。綜合考慮后該除險(xiǎn)加固工程決定采用《型鋼水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程》所推薦的水灰比下限，并將水灰比調(diào)整為1.2，據(jù)此計(jì)算，水泥制漿量達(dá)到1.52m3，單幅樁所需要的制漿量則降為24.959m3。調(diào)整后的配合比具體見表4。與原水灰比相比，在水泥摻量不變時(shí)，調(diào)整后的水灰比下總漿液量減少4.925m3，且每幅攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的廢漿量僅為2m3。三軸攪拌樁施工結(jié)束28d后成樁質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果顯示，樁身強(qiáng)度、取芯率等均滿足設(shè)計(jì)。

表4 調(diào)整后的單幅防滲三軸水泥土攪拌樁配合比

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》規(guī)定，必須基于試拌配合比展開混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)，并應(yīng)在該規(guī)程所規(guī)定的試拌配合比之外，至少采用兩種不同配合比，且這兩種配合比的水膠比應(yīng)在試拌配合比的基礎(chǔ)上±0.05，砂率±1%?；谝陨弦?guī)定，還可以進(jìn)行該堤防除險(xiǎn)加固工程三軸水泥土攪拌樁水灰比的進(jìn)一步優(yōu)化[3]。

此外，進(jìn)行待攪拌土層含水量原位測(cè)定，并將此部分含水量納入三軸攪拌水泥土水灰比計(jì)算。試樁過程中應(yīng)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定水灰比，基于此再將水灰比增加±0.5，水泥用量不變的情況下調(diào)整用水量。在確保地基處理所需樁體強(qiáng)度及滲透系數(shù)的情況下進(jìn)行水灰比試樁返漿量實(shí)測(cè)，并以返漿略微高出地面為準(zhǔn)確定最有水灰比。針對(duì)所確定出的最小水灰比調(diào)整水泥用量后展開沉樁試驗(yàn)，并進(jìn)行符合樁體強(qiáng)度與滲透系數(shù)的水泥用量確定，將合格保證率控制在95%及以上?；炷僚渲脧?qiáng)度按照下式確定：

式中：fcu,0—混凝土配置強(qiáng)度，N/mm2；fcu,k—混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，N/mm2；σ—混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，N/mm2。

4 結(jié)論

綜上所述，該堤防除險(xiǎn)加固工程三軸水泥土攪拌樁水灰比降低后，堤防防滲加固效果明顯提升，并使得水泥地基土充分水化，加固均勻性有保證，有效避免了原水灰比下用水量過多，漿液流失嚴(yán)重，前期固結(jié)速度慢等系列問題，漿液外溢及固體廢物污染也得到有效遏制。雖然水灰比降低會(huì)因三軸攪拌樁機(jī)供漿系統(tǒng)的更換而增加工程造價(jià)，但是與所產(chǎn)生的工程效益相比，微乎其微。按照本文所提供的思路，還可以進(jìn)行三軸水泥土攪拌樁水灰比的進(jìn)一步優(yōu)化，不斷推動(dòng)三軸水泥土攪拌樁施工工藝的發(fā)展和完善。