水泥土攪拌樁施工排土的計量與應用

吳爭光，羅明亮，翟翠文，劉一鳴

(1.深圳市建筑工務署文體工程管理中心,廣東 深圳 518000; 2.鐵科院(深圳)研究設計院有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

水泥土攪拌樁是以水泥為主要固化劑在軟土地基中攪拌、混合,就地成樁的軟基處理方法,其廣泛應用于機場、公路、鐵路等領域的軟基處理中。從水泥土攪拌樁成樁機理中可以看出,攪拌樁施工是在深層土層中就地攪拌,會對樁周土產(chǎn)生一定的擾動。目前各研究多針對水泥土攪拌樁施工產(chǎn)生擠土效應,導致周圍土體的側向位移、地表隆起及其控制措施等[1-8],均未涉及攪拌樁施工排土量的研究。

針對像機場等大面積攪拌樁軟基處理工程,水泥土攪拌樁施工會產(chǎn)生大量的排土,圖1為深圳某機場軟基處理工程中攪拌樁施工排土現(xiàn)場圖。對于像深圳等土方棄置困難的城市,排土引起的土方外棄會造成工程造價和工期的增加。因此,對于水泥土攪拌樁施工排土的準確計量是很有必要的。本文基于深圳某機場軟基處理工程,采用理論計算、現(xiàn)場試驗的方法研究水泥土攪拌樁施工排土的計量和處理,對類似工程具有一定的參考意義。

1 工程概況

工程位于深圳西部填海區(qū),場地有較深厚的海積淤泥層,平均厚度超7.0 m。場地主要地層及其物理力學性質指標見表1。該工程設計水泥土攪拌樁復合地基處理面積近68萬m2,攪拌樁施工總長度達380萬延米。

表1 主要地層物理力學性質指標

在深圳以往的軟基處理工程中,攪拌樁復合地基普遍采用直徑D550 mm或D600 mm的水泥土攪拌樁,受水泥摻入量和單軸施工機具等因素影響,攪拌樁施工質量較難整體控制,特別在大面積軟基處理工程中,處理效果參差不齊。而本項目深圳機場軟基處理工程,處理面積大,處理標準高,攪拌樁復合地基選用大直徑D800 mm水泥土攪拌樁,并采用四攪四噴施工工藝,保證攪拌樁施工質量。攪拌樁主要設計參數(shù)見表2。

表2 水泥土攪拌樁設計參數(shù)表

2 水泥土攪拌樁施工排土的原因

水泥土攪拌樁施工時,攪拌頭通過攪拌葉片強行切割、攪拌土體,破壞土體原有結構,對周圍土體產(chǎn)生一定的擾動,進而不可避免地會產(chǎn)生裂隙。另外,攪拌機施工一邊攪拌,一邊注入水泥漿,水泥漿注入時的壓力,也必然會對周圍土體產(chǎn)生擾動,導致周圍土體已有的裂隙進一步擴大,從而使水泥漿液的進入更加容易。

因此,攪拌樁施工噴入的水泥漿液,難免有部分漿液會沿著周圍土體的裂隙從樁頂?shù)孛媾懦?尤其在攪拌頭上提過程中,一邊噴漿一邊攪拌,在臨近地面時,水泥漿液會更容易地通過周圍土體的裂隙從樁頂?shù)孛媾懦?產(chǎn)生排土效應。

在深圳以往的水泥土攪拌樁軟基處理工程中,一般采用直徑D550 mm或D600 mm的水泥土攪拌樁,攪拌樁施工對周圍土體產(chǎn)生的擾動范圍和影響程度均較大直徑D800 mm的水泥土攪拌樁小,所以排土效應較小,排土量少。本工程采用大直徑D800 mm水泥土攪拌樁,且采用四攪四噴施工工藝,攪拌頭上提、下沉四次,均噴漿攪拌,攪拌樁施工排土量會大于以往的攪拌樁軟基處理工程。因此,對本工程水泥土攪拌樁施工排土量的準確計量是很有必要的。

3 水泥土攪拌樁施工排土的計量

3.1 水泥土攪拌樁施工排土理論計算

水泥土攪拌樁是通過向地基深處注入水泥漿并將軟土和固化劑強制攪拌的一種工藝。從上述攪拌樁施工排土的原因分析看,攪拌樁施工排土量的最大理論值,即為向地基注入的水泥漿體積。本工程按表2中攪拌樁的設計參數(shù),分別計算單軸和三軸的每延米單根水泥土攪拌樁的水泥漿體積,最大理論排土量分別為0.142 m3和0.2 m3。

3.2 單軸水泥土攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場選取9塊總面積約8 000 m2典型地層場地進行單軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗,如圖2所示。為保證排土計量的準確,采用兩家測量單位分別對試驗場地前后地形獨立實測、計算。兩家測量單位對9塊試驗場地排土量的計算偏差均小于3%,在誤差允許范圍內(nèi),兩家實測數(shù)據(jù)均可采用。

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),分別得到單軸攪拌樁的每延米攪拌樁的排土量(m3/延米)、每平方米場地的排土量(m3/m2)以及排土量占注入水泥漿體積的百分比(%),現(xiàn)場試驗結果匯總見表3。

表3 單軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗結果匯總表

3.3 三軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場選取總面積約4.1萬m2典型地層場地進行三軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗,如圖3所示。同樣采用兩家測量單位獨立實測、計算的方式,兩家排土量的計算偏差小于3%,兩家實測數(shù)據(jù)均可采用。

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),可分別得到三軸攪拌樁的每延米單根攪拌樁的排土量(m3/延米)、每平方米場地的排土量(m3/m2)以及排土量占注入水泥漿體積的百分比(%),現(xiàn)場試驗結果匯總見表4。

3.4 水泥土攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗結果

單軸水泥土攪拌樁現(xiàn)場試驗結果總結如下:

1)每延米單根攪拌樁的排土量為0.09 m3～0.12 m3,平均為0.1 m3。2)每平方米場地排土量0.30 m3～0.64 m3,平均為0.5 m3。3)攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為56.70%～87.69%,平均為71.23%。

三軸水泥土攪拌樁現(xiàn)場試驗結果總結如下:

1)每延米單根攪拌樁的排土量為0.16 m3。2)每平方米場地排土量為2.67 m3。3)攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為79.17%。

表4 三軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場試驗結果匯總表

4 水泥土攪拌樁施工排土的應用

從攪拌樁施工現(xiàn)場來看,攪拌樁施工排土一般為摻有水泥漿且經(jīng)充分攪拌后的水泥土,晾曬后強度較高。為研究攪拌樁施工排土的壓實效果,確定排土的應用處理方式,采用現(xiàn)場壓實試驗驗證其作為路基填料的可行性。

現(xiàn)場選取3處場地分別進行壓實試驗,試驗場地面積共約340 m2。每處試驗場地分兩層碾壓,每層虛鋪厚度0.3 m,填筑總厚度0.6 m。填土料選用場內(nèi)經(jīng)晾曬后的攪拌樁施工排土。碾壓采用22 t單鋼輪振動壓路機光面碾壓8遍。填土碾壓后,進行壓實度檢測,且一天內(nèi)進行小標貫N10測試,測試每層填土的擊數(shù)。試驗結果見表5,分析總結如下:

1)3處試驗場地共進行18點次的壓實度檢測,壓實度88.0%～97.1%,最佳含水率(質量分數(shù))25%～30%。壓實度普遍大于90%,僅個別檢測點小于90%,可能由于試驗區(qū)局部排土存在板結成團,且碾壓施工前未經(jīng)充分破碎造成。建議攪拌樁施工排土經(jīng)晾曬、破碎、篩選后使用。

2)3處試驗場地共進行39點次的標準貫入試驗N10檢測,每10 cm厚度平均擊數(shù)為10擊～21擊。根據(jù)廣東省標準DBJ 15-31—2016建筑地基基礎設計規(guī)范相關規(guī)定,攪拌樁施工排土承載力特征值達80 kPa以上。

表5 攪拌樁施工排土壓實試驗結果

由上述攪拌樁施工排土壓實試驗檢測結果分析表明,水泥土攪拌樁施工排土經(jīng)晾曬、破碎、篩選后,可作為一般路基填料,壓實度大于90%,承載力特征值可達80 kPa以上。

5 結論

基于深圳某機場軟基處理工程,采用理論計算、現(xiàn)場試驗的方法研究水泥土攪拌樁施工排土的計量和處理,主要結論如下:

1)單軸水泥土攪拌樁:每延米單根攪拌樁的排土量為0.09 m3～0.12 m3,平均為0.1 m3;每平方米場地排土量為0.30 m3～0.64 m3,平均為0.5 m3;攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為56.70%～87.69%,平均為71.23%。

2)三軸水泥土攪拌樁:每延米單根攪拌樁的排土量為0.16 m3;每平方米場地排土量為2.67 m3;攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為79.17%。

3)水泥土攪拌樁施工排土經(jīng)晾曬、破碎、篩選后,可作為一般路基填料,壓實度大于90%,承載力特征值可達80 kPa以上。

4)大面積水泥土攪拌樁軟基處理工程,建議在設計階段考慮一定的攪拌樁施工排土量,避免后續(xù)增加土方棄置費用。