水泥攪拌樁在淤泥中加固機理及施工質量控制

詹振陽 張宇明

粉噴深層攪拌樁是利用水泥作為固化劑的主劑,通過特制的深層攪拌機械在地基深部就地將軟弱土和固化劑強制攪拌形成水泥土,利用水泥與軟土之間所產生的一系列物理、化學作用,使水泥土強度增長提高地基強度。這種方法適用于處理軟弱土層,處理后對提高軟土地基承載力效果顯著,且處理后能很快投入使用。根據近十年來珠海西區水利工程建設中采用粉噴深層攪拌樁對水閘閘基軟弱土層的加固工程成果證明,其加固效果良好,經濟效益十分明顯。

1 粉噴深層攪拌樁加固機理

1)水泥的水解、水化:水泥遇水后發生水解與水化,生成氫氧化鈣,含水鋁酸鈣,含水硅酸鈣等化合物;其中氫氧化鈣和含水鋁酸鈣溶解于水,隨著水解與水化的反應,溶液達到飽和之后,水與水泥繼續反應形成凝膠體。2)離子交換:土顆粒在天然狀態下表面帶有負電荷,反離子層為陽離子,呈膠體微粒狀,反離子層中的Na+,K+能同Ca(OH)2溶液中的Ca2+進行離子交換,使土粒水化膜變薄,土顆粒集合成大的團粒;此外,水泥水化后呈分散狀的凝膠顆粒,其比表面積約為原來的1 000倍,因而產生很大的表面能,有強烈的吸附活性,能使較大的土團粒進一步結合起來,形成水泥土的團粒結構,并封閉了各土顆粒之間的孔隙,在較為松散的土體內部形成了網絡狀膠結結構,具有牢固的連接,而宏觀上則表現為水泥土的強度大大提高。3)硬凝反應:水泥水化以后,溶液中析出的大量Ca2+,與Na+,K+進行離子交換,當Ca2+數量超過離子交換的需要量后,則在堿性環境中Ca2+可與土中游離的SiO2和Al2O3進行化學反應生成不溶于水的穩定結晶化合物,該結晶化合物在空氣中和水中逐漸硬化,增大了土體強度,而且由于其結構比較致密,水分不易侵入,從而使水泥土具有足夠的水穩定性。4)碳酸化作用:水泥水化后產生的游離氫氧化鈣和空氣及水中的CO2通過碳化反應生成不溶于水的碳酸鈣,也可以小幅度增加水泥土的強度,只是增長速度較為緩慢。

此外,從施工角度來看,水泥攪拌樁中不可避免會存在原狀土塊和水泥團塊,其粒徑大小與強制攪拌的程度密切相關;強制攪拌越充分,土塊被粉碎得越小,水泥分布到土中越均勻,水泥土結構強度的均一性就越好,即宏觀強度也就越高。

2 粉噴深層攪拌樁施工質量控制

2.1 施工質量控制

1)粉噴深層攪拌樁施工屬隱蔽工程,應指派專人負責,對攪拌樁的施工過程進行全程旁站,做到責任到人。2)施工采用的加固材料應在施工前送質量檢測機構檢驗,合格后方可使用。3)攪拌樁施工機械必須具備良好穩定的性能,所有樁機施工前均應由監理工程師檢查驗收合格后方可使用。4)攪拌樁施工之前,應用壓風機向整個管道中送風,檢查其是否有堵塞現象。5)施工前應在主機上懸掛一吊錘,通過控制吊錘,使之與鉆桿上、下、左、右距離相等來控制水泥攪拌樁樁體的垂直度。6)為了控制成樁均勻性及確保樁體每米的水泥摻合量,每臺機械均應配備電腦記錄儀。7)攪拌樁施工過程中,第一次下鉆時,為避免堵管打開氣閥門送氣下鉆,下鉆時可用快擋操作,提鉆時打開噴粉閥門送灰,提升速度應用慢擋操作,復攪時重復上述操作,施工過程中應保持壓風機壓力不少于0.5 MPa,罐壓不少于0.2 MPa,噴壓不少于0.19 MPa。8)為保證水泥攪拌樁樁端、樁頂及樁身質量,第一次提鉆噴灰時應在樁底部停留30 s,進行磨樁端,在提升至樁頂部位時亦需停留30 s,進行磨樁頭,樁身部位施工時應按要求均勻噴灰。9)每根樁開鉆后應連續作業,嚴格控制噴灰時間和停灰時間,且不得中斷噴灰,嚴禁在尚未噴灰的情況下進行鉆桿提升作業。10)施工中若發現噴灰量不足,應對整樁進行復攪,復噴的噴灰量不小于設計用量。11)如遇停電、機械故障原因,噴灰中斷時應及時記錄中斷深度,在12 h內采取補噴處理措施,補噴重疊段應大于500 cm,中斷時間超過12 h后應采取補樁措施。12)每根樁施工完畢后,現場施工人員均應及時認真填寫其施工原始記錄。

2.2 施工質量檢驗

1)攪拌樁施工過程中對每根攪拌樁質量檢查重點是通過樁機配備的電腦檢查樁身每米水泥用量、噴灰均勻度、噴灰攪拌提升速度以及復攪次數。2)攪拌樁成樁7 d后應采用輕便觸探法進行樁身質量檢驗,確定樁身強度是否滿足設計要求。3)必要時應采取鉆探取芯,以檢驗整樁的成樁均勻性及水泥土的抗壓強度。4)攪拌樁竣工后應對成樁的外觀進行鑒定,主要內容包括:樁體是否圓韻,有無縮頸或回陷現象,樁身是否均勻,凝體有無松散現象;群樁樁頂是否整齊,樁間距是否均勻等。5)攪拌樁竣工達齡期后,應采用載荷板試驗對單樁及復合地基承載力進行檢驗。

3 工程實例

3.1 工程概況

珠海西區防洪應急工程雞啼門下堤段水閘位于珠海西區雞啼門南岸,磨刀門水道旁,東鄰珠海大道;包括礦山閘、磚廠沖閘、紅西五圍閘、紅西六圍閘,其閘室均為平底開敞式輕型鋼筋混凝土結構。本工程采用粉噴深層水泥攪拌樁進行閘基處理,場地內上部主要地層有:

素填土:淺黃色,巖性以粉質黏土為主,很濕,可塑,局部呈松散狀,層厚0.5 m～3.3 m。淤泥:灰色,土質較均勻,具砂感,局部含腐殖質,飽和,軟塑,屬高壓縮性土,層厚2.9 m～9.1 m。粉砂層:灰色,主要成分為石英質粉砂,多與下臥淤泥質土層呈互層出現,飽和,松散,層厚3.9 m～22.7 m。

3.2 設計控制參數

1)粉噴樁樁徑0.5 m,樁間距1.0 m,樁端進入軟土層下部粉砂層不少于1.0 m,有效樁長約10 m;2)標準養護條件下水泥土90 d齡期強度不小于2.0 MPa,單樁豎向承載力特征值不小于75 k N,復合地基承載力特征值不小于 120 k Pa。

3.3 室內試驗及工程試樁

1)水泥加固土室內試驗。根據設計要求,于場地內淤泥層取土樣進行室內配合比試驗,標準養護條件下,不同摻入比水泥土各齡期強度見表1。

表1 不同配比水泥土在不同齡期的無側限抗壓強度值

2)現場工程試樁。為確保工程的順利實施,驗證室內試驗成果及確定現場施工工藝參數,本工程開工前兩個月進行現場工程試樁。根據現場試樁成果,本工程確定水泥摻入比為18%,無外摻劑,采用四噴四攪工藝,鉆桿提升速度不大于0.6 m/min。

3.4 軟土地基加固效果評價

本工程攪拌樁施工完成28 d后采用鉆孔取芯法對樁身完整性、樁土攪拌均勻程度及樁的施工長度進行檢驗,所取水泥土芯樣分別進行28 d齡期和90 d齡期的無側限抗壓強度試驗,合格率均達90%以上;成樁90 d后分別對水泥土攪拌樁單樁承載力和樁土復合地基承載力特征值進行載荷試驗,試驗結果均滿足設計要求。

4 結語

近年來,隨著施工技術和施工條件的發展,深層攪拌水泥土樁的應用范圍越來越廣泛,采用粉噴樁復合地基,造價相對較低。但因其處理軟土地基屬于隱蔽工程,如果施工質量不好,一旦被上部構筑物所覆蓋,便構成隱患,且難以檢查及補救。因此,緊抓施工環節,嚴格施工過程的管理非常重要,只有在施工過程中嚴格控制才能確保工程質量。

[1] YBJ 225-91,軟土地基深層攪拌法加固技術規程[S].

[2] 曹承東.粉噴攪拌樁加固沖積層的工程實例[J].勘察科學技術,1997(5):32-34.

[3] 龔志剛,朱曉龍.水泥攪拌樁處理地基現場試驗研究[J].山西建筑,2008,34(3):127.