淺談提高某水閘水泥攪拌樁成樁效果的方法

唐 芳

(嶺南水務(wù)集團(tuán)有限公司,北京 100071)

1 工程概況

江門市潭江河流治理工程(新會(huì)段)由銀洲湖海堤沿岸未閉口的16條支流整治工程組成,工程位于廣東省江門市新會(huì)區(qū),分別采用加固堤防和修建閉口水閘達(dá)到擋潮目的。其中5條支流加固堤防;其余的11條支流修建閉口水閘。其中上沙河水閘為本項(xiàng)目其中一個(gè)閉口水閘,位于新會(huì)區(qū)雙水鎮(zhèn)上沙河匯入潭江口約 50m。水閘中間布置2孔通航孔,每孔凈寬20m,每孔獨(dú)立采用整體式鋼筋混凝土底板結(jié)構(gòu);閘底高程為-4.5m,閘頂高程為4.0m;水閘上游布置混凝土鋪蓋和網(wǎng)袋防沖槽等,下游布置混凝土護(hù)坦和網(wǎng)袋防沖槽等。

2 工程地質(zhì)條件

上沙河水閘巖土層從上至下依次為:

①填土:稍濕,松散,該層分布于兩岸堤防。該層層厚為 1.0～2.5m,層底高程為 0.1～1.4m。

②-1 粉質(zhì)黏土:灰色,可塑,土質(zhì)較均勻,黏性一般。該層層厚為 1.5～2.7m,層底高程為-1.3～-1.4m。該層僅左右岸分布,分布不均勻,不宜做天然地基持力層。

②-2 淤泥:灰黑色,飽和,流塑,該層層厚為 6.6～13.1m,層底高程為-10.05～-14.4m。該層為軟弱土,壓縮性高,不能做天然地基持力層。

③-2 中粗砂層:飽和,稍密,層底高程為-12.8～-17.3m。該層剪切波速小于臨界等效剪切波速,為液化土層,不宜作復(fù)合地基持力層。

③-3 礫砂:飽和,中密,層厚為 6.5～6.9m,層底高程為-17.3～-19.0m。該層僅右岸呈透鏡狀分布,分布不均勻,不宜做樁基持力層。

④-2 黏土:可塑,該層層厚為 0.6～4.5m,層底高程為-15.8～-19.4m?？勺鳛閺?fù)合地基持力層,地基承載力建議值為 fak=160～180kPa。

3 上沙河水閘基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案

上沙河水閘地基為6.6～13.1m厚的②-2淤泥層,由于②-2淤泥層為高壓縮性土,土質(zhì)軟弱,為不良閘基土,地基處理設(shè)計(jì)方案采用水泥攪拌樁復(fù)合地基,以④-2為樁端持力層。水泥攪拌樁直徑Φ600mm,連體間距450mm,閘室及翼墻段樁長(zhǎng)12m;鋪蓋和護(hù)坦、防沖槽段樁長(zhǎng)8m。布置形式有散點(diǎn)布置、梅花布置、雙聯(lián)排布置和格構(gòu)布置等。水泥摻和量為120kg/m,水泥漿的水灰比選用0.45～0.55。攪拌樁的樁身強(qiáng)度(現(xiàn)場(chǎng)抽芯)其90d齡期單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度上部(10m以內(nèi))≥1.0MPa,下部(10m以下)≥0.8MPa,其28d齡期單軸無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)≥0.6MPa。復(fù)合地基承載力要求70kN/m2～245kN/m2,單樁承載力要求142kN/m2。

4 水泥攪拌樁的施工工藝

水泥攪拌樁施工工藝如下:

4.1 樁機(jī)定位

樁機(jī)設(shè)備安裝就位后,調(diào)好平整度及導(dǎo)向架的垂直度,并在鉆桿上測(cè)量好尺寸,做好標(biāo)志。以便掌握鉆桿鉆入深度、復(fù)攪深度,保證設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。

4.2 水泥漿液的制備

水泥漿液采用砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,水泥采用P.O.42.5R級(jí)海螺水泥,用量為120kg/m。每次攪拌應(yīng)對(duì)水泥、水重量進(jìn)行稱量,并對(duì)水泥漿液比重進(jìn)行檢查。每次材料的重量、攪拌時(shí)間等參數(shù)由專人記錄。制備的水泥漿液由帶有自拌裝置的儲(chǔ)蓄罐進(jìn)行儲(chǔ)存,不得離析,時(shí)間一般≤2h。

4.3 鉆進(jìn)攪拌、提升噴漿

攪拌頭鉆進(jìn)下沉前,先將噴頭及輸漿管道沖洗干凈,并保持管路濕潤(rùn)。根據(jù)鉆桿上的深度標(biāo)記控制下沉速度,下沉攪拌頭應(yīng)均勻下沉。當(dāng)鉆進(jìn)下沉至樁頂停漿面的深度后,開啟輸漿泵,進(jìn)行輸漿。攪拌頭到達(dá)樁底時(shí),應(yīng)持續(xù)噴漿攪拌30s左右,使水泥漿在樁端充分?jǐn)嚢韬?才開始提升攪拌頭,邊提升邊攪拌邊噴漿,提升攪拌頭應(yīng)均勻提升,中途不得換擋。

4.4 復(fù)攪復(fù)噴

為了保證水泥漿液與土體攪拌均勻,采用 “四攪四噴”工藝。重復(fù)鉆進(jìn)攪拌、提升噴漿一次,工藝按4.3控制。最后關(guān)閉輸漿泵,將鉆頭提出孔外,回填樁頂并養(yǎng)護(hù)。清洗輸漿管路及噴漿口,移機(jī)進(jìn)行下一根樁的施工。

5 試樁過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

上沙河水閘前后進(jìn)行了3次試樁,并增加了每次試樁的根數(shù)。前兩次試樁均不合格,經(jīng)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)以下3類問(wèn)題:

5.1 取芯呈流塑態(tài)或樁身完整性差

試樁時(shí)發(fā)現(xiàn)水泥攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)取芯芯樣大多不均勻,普遍存在上部分芯樣為流塑態(tài)、松散、不成形,下部分芯樣略好于上部分的現(xiàn)象。盡管樁身均勻性為差的樁不對(duì)樁身強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià),但實(shí)際情況并不能滿足工程使用要求,故作不合格處理。

5.2 樁頭極易破壞

在進(jìn)行單樁和復(fù)合地基靜載試驗(yàn)時(shí),樁頭常常因強(qiáng)度較低直接破壞,造成靜載荷試驗(yàn)的失敗。

5.3 承載力不滿足設(shè)計(jì)要求

上沙河水閘復(fù)合地基承載力試驗(yàn)采用復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)均根據(jù)規(guī)范按承載力特征值的2.0倍進(jìn)行加載,但少數(shù)單樁靜載荷試驗(yàn)的豎向抗壓承載力特征值僅為設(shè)計(jì)值的一半,不能滿足設(shè)計(jì)要求[1]。

6 影響水泥攪拌樁成樁效果的原因

通過(guò)對(duì)前兩次試樁成果進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn),影響上沙河水閘水泥攪拌樁成樁效果的原因有每米水泥用量控制、工藝參數(shù)、土層、齡期、樁頭質(zhì)量、試驗(yàn)方法等,然后從質(zhì)量控制措施和工藝優(yōu)化著手,逐一將上述因素對(duì)成樁效果的影響降低到最小,最終有效地解決了上述問(wèn)題。

6.1 水泥用量和水灰比

水泥攪拌樁的成樁效果和每米水泥用量、水灰比密切相關(guān);水泥攪拌樁每米的水泥用量與水泥攪拌樁的工藝參數(shù)密切聯(lián)系。

試樁時(shí)發(fā)現(xiàn),操作人員在水泥漿配置過(guò)程中,并未嚴(yán)格按照水泥和水稱重來(lái)控制配比,而是借助一種叫波比計(jì)的儀器測(cè)定水泥漿容重,以此來(lái)確定水灰比。例如某操作工人用波比計(jì)測(cè)出的密度是1.84g/cm3時(shí),則認(rèn)為對(duì)應(yīng)的水灰比應(yīng)為0.48左右,符合設(shè)計(jì)要求。但通過(guò)復(fù)核發(fā)現(xiàn),波比計(jì)僅在容重為1.0g/cm3左右時(shí)才接近準(zhǔn)確值,漿液容重越大波比計(jì)越不準(zhǔn)確。上述漿液實(shí)際水泥漿的水灰比已達(dá)到0.625,嚴(yán)重超出規(guī)范規(guī)定。偏大的水灰比不僅影響水泥土硬化時(shí)間,還大大降低了水泥摻量,導(dǎo)致強(qiáng)度偏低。當(dāng)土層含水量較大時(shí),將造成極大危害。繼續(xù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)使用波比計(jì)檢測(cè)水灰比的案例比比皆是,需引起重視。

上沙河水閘攪拌樁立即對(duì)水灰比的配置方法進(jìn)行了調(diào)整,采用水泥和水稱重的方式來(lái)配置漿液,并嚴(yán)格按照試樁參數(shù)進(jìn)行控制:攪拌頭轉(zhuǎn)速按中高檔控制,提升速度≤0.8m/min,通過(guò)樁機(jī)上深度刻度盤觀察每米提升時(shí)間是否達(dá)到75S;同時(shí)鉆進(jìn)速度≤1.2m/min。水灰比選用0.45～0.55,通過(guò)控制流量泵的壓力控制輸漿速度,壓力表的出口壓力值盡量保持在0.4～0.6MPa,并應(yīng)使攪拌下沉、提升速度與輸漿速度同步。表1所示是水泥摻和量為120kg/m、樁徑600mm的水泥攪拌樁在不同水灰比下的每米用漿量和總漿液用量,在施工中可隨時(shí)通過(guò)查看電子記錄儀來(lái)確保攪拌的均勻性和水泥摻量。

表1 上沙河水閘水泥攪拌樁水灰比及漿液用量

6.2 不同土層間的工藝參數(shù)調(diào)整

水泥攪拌樁樁體強(qiáng)度與原土密切相關(guān),增強(qiáng)體強(qiáng)度隨著地基土層的變化而變化,一般來(lái)說(shuō),水泥與含砂地層的土體結(jié)合較好,成樁效果也較好。故當(dāng)基礎(chǔ)土質(zhì)出現(xiàn)明顯變化時(shí),一般需要根據(jù)土層進(jìn)行固化劑變摻量設(shè)計(jì)。實(shí)際施工過(guò)程中,因地質(zhì)勘測(cè)資料不盡詳細(xì),往往做不到變摻量設(shè)計(jì)的深度,故只能在施工過(guò)程中對(duì)工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

上沙河水閘地基淺層均為淤泥層,樁基平臺(tái)5米以下出現(xiàn)砂層,根據(jù)試樁取芯芯樣可以看出,芯樣上部分膠結(jié)一般,松散,攪拌不均勻,連續(xù)性差;芯樣下部分完整,堅(jiān)硬,攪拌均勻,呈柱狀,連續(xù)性好。根據(jù)抽芯強(qiáng)度數(shù)據(jù),下部分芯樣強(qiáng)度也遠(yuǎn)大于上部分,達(dá)到了10MPa以上,遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)量。通過(guò)對(duì)電子記錄儀觀察、分析得出:由于砂層原樣土質(zhì)較硬,在下降過(guò)程中鉆進(jìn)速度很難提高,漿用量加大;而工人在施工時(shí)對(duì)漿量總量控制,則本身與水泥結(jié)合性較差的淤泥層,漿用量反而更少,造成了強(qiáng)度分布極不均勻、水泥漿在砂層呈現(xiàn)浪費(fèi)的現(xiàn)象。

根據(jù)上述試樁經(jīng)驗(yàn),工程項(xiàng)目部對(duì)施工工藝進(jìn)行了調(diào)整,即對(duì)單根樁進(jìn)行總量控制,在淤泥層進(jìn)行四攪四噴,使水泥漿與淤泥質(zhì)土得到充分?jǐn)嚢韬徒Y(jié)合,促進(jìn)發(fā)生反映;砂層可以不進(jìn)行復(fù)攪,兩攪兩噴。工藝調(diào)整后,水泥攪拌樁樁身完整性大幅提高,淤泥層芯樣強(qiáng)度也因水泥含量的增加和攪拌更均勻而增加,取芯及承載力試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)要求。

6.3 齡期對(duì)水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響

上沙河水閘試樁時(shí),通過(guò)取芯檢測(cè)28d 齡期內(nèi)芯樣強(qiáng)度普遍較差,尤其是上半部分強(qiáng)度還不到0.5MPa,不能滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)分析,水泥和周圍土體發(fā)生的物理化學(xué)反映是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,水泥攪拌樁強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大,在28d齡期后強(qiáng)度有明顯增長(zhǎng),齡期超過(guò)90d后強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng),甚至半年以后水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)仍未終止。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),90d齡期強(qiáng)度約為28d齡期的1.43～1.8倍。

考慮到齡期對(duì)水泥攪拌樁強(qiáng)度的影響,二次試樁時(shí)增加了試樁根數(shù),在 90d齡期時(shí)再次對(duì)水泥攪拌樁進(jìn)行抽芯檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)樁身強(qiáng)度均顯著提升,滿足了設(shè)計(jì)要求。圖1所示為上沙河水閘水泥攪拌樁在不同齡期芯樣強(qiáng)度隨深度的變化關(guān)系。

圖1 水泥攪拌樁在不同齡期芯樣強(qiáng)度隨深度的變化關(guān)系

因此,在現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件差、28d齡期取芯效果不佳的情況下,可盡量延長(zhǎng)檢測(cè)齡期,以提高檢測(cè)結(jié)果保證率。在進(jìn)度計(jì)劃編制時(shí)需提前考慮試樁及攪拌樁齡期檢測(cè)對(duì)工期的影響,以免造成工期延誤。

6.4 樁頭質(zhì)量

試驗(yàn)時(shí)樁頭的破壞并不等同于樁身本身存在問(wèn)題,經(jīng)分析可能由于樁頭質(zhì)量差、受壓時(shí)提前破壞造成位移傳感器直接到達(dá)警戒值的原因。

考慮樁頂攪拌不是十分密實(shí),經(jīng)過(guò)試樁后調(diào)整預(yù)定停漿面位置,停漿面的位置應(yīng)高出設(shè)計(jì)樁頂30～50cm。針對(duì)樁頂1～1.5m范圍內(nèi)應(yīng)增加一次攪噴,并適當(dāng)降低提升速度。到達(dá)樁頂標(biāo)高時(shí),應(yīng)停止提升、繼續(xù)攪噴10～20s。施工完成后還應(yīng)做好成品保護(hù)措施,避免施工機(jī)械或車輛碾壓破壞。這樣,在水泥攪拌樁靜載試驗(yàn)時(shí)才能保證樁頭質(zhì)量,使檢測(cè)能夠反映整根樁的真實(shí)情況。

6.5 試驗(yàn)方法

水泥攪拌樁復(fù)合地基不同于普通的樁基礎(chǔ)地基,現(xiàn)有規(guī)范暫無(wú)完整的水泥攪拌樁檢測(cè)方案,樁身質(zhì)量檢測(cè)手段也不成熟,普遍使用的是輕型動(dòng)力觸探、鉆孔取芯和單樁豎向靜載試驗(yàn)或復(fù)合地基平板載荷試驗(yàn)。輕型動(dòng)力觸探只能檢測(cè)淺層樁身;鉆孔取芯雖能直觀的反映樁身完整性和強(qiáng)度,但過(guò)大的擾動(dòng)芯樣會(huì)使檢驗(yàn)失真,且取芯只能代表一個(gè)點(diǎn)的位置,并不能反映整個(gè)截面。復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)和單樁靜載荷試驗(yàn)?zāi)芟鄬?duì)綜合的反映攪拌樁的加固效果,但也只能檢測(cè)淺部質(zhì)量,無(wú)法檢測(cè)深部。加上承載力檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、費(fèi)用高,造成檢測(cè)工作困難。

上沙河水閘水泥攪拌樁在采用鉆孔取芯檢測(cè)時(shí),取芯設(shè)置在樁中心靠外的位置,因?yàn)殂@桿在樁中心,成樁后中心部位芯樣強(qiáng)度受到影響,不能真實(shí)反映截面質(zhì)量。同時(shí)取芯采用雙管單動(dòng)設(shè)備,盡量減少了取芯對(duì)水泥土的影響。當(dāng)試驗(yàn)完成后,結(jié)合了多方面試驗(yàn)成果對(duì)復(fù)合地基的判斷和評(píng)價(jià),當(dāng)出現(xiàn)某一個(gè)指標(biāo)不合格時(shí),通過(guò)分析原因并輔助其他檢測(cè)手段相互驗(yàn)證,合理判定樁身類別。

7 結(jié) 語(yǔ)

綜上,水泥攪拌樁在施工過(guò)程中出現(xiàn)檢測(cè)不合格的現(xiàn)象是很正常的。當(dāng)水泥攪拌樁作為建筑物或構(gòu)筑物基礎(chǔ)時(shí),承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求對(duì)安全使用尤其重要。因此必須重視試樁過(guò)程,試樁不合格時(shí),需對(duì)每次試樁發(fā)生的不合格現(xiàn)象進(jìn)行分析,并結(jié)合地質(zhì)情況針對(duì)性的調(diào)整工藝參數(shù),使水泥漿和土體攪拌均勻、保證樁身完整。通過(guò)提升水泥含量和延長(zhǎng)檢測(cè)齡期來(lái)提高樁體強(qiáng)度和承載力,這樣才能保障工程質(zhì)量和使用安全,將水泥攪拌樁高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮,解決軟基地基處理問(wèn)題。