變徑水泥土攪拌樁加固軟基的造價分析

葛金平

傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁作為處理橋頭軟弱地基的常用方法，能提高路基(包括復(fù)合路基)承載力，減少和控制沉降量。經(jīng)過多年的試驗和理論研究，發(fā)現(xiàn)水泥土攪拌樁設(shè)計樁長超過一定長度(比如樁長大于10 m)單樁承載力不再增大，但中長樁沉降量較短樁小，使得設(shè)想減少樁長降低造價的努力變得難以實現(xiàn)。本工程實例采用變徑水泥土攪拌樁通過攪拌葉片的伸縮對上部樁體進行擴徑，形成擴大頭和下部樁段兩部分，在水泥摻入比、面積置換率幾乎不變的情形下，合理確定有效樁長和擴大頭高度，既可以獲得符合要求的單樁承載力，又能減少和控制沉降量，且能節(jié)約水泥，降低造價。

圖1 釘形水泥土雙向攪拌樁平面布置圖

1 等徑與變徑水泥土攪拌樁工料機消耗量分析

傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁采用“四攪二噴”的施工工藝，變徑水泥土攪拌樁變徑部分采用“四攪三噴”，其余樁體采用“兩攪一噴”的施工工藝。變徑水泥土攪拌樁是在成樁過程中，由動力系統(tǒng)帶動分別安裝在內(nèi)、外同心鉆桿上的兩組攪拌葉片，同時正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，通過攪拌葉片的伸縮，根據(jù)實際工程的需要，對水泥土攪拌樁的任意部位進行變徑。常見變徑水泥土攪拌樁分成上部擴大頭和下部樁段兩部分，形象地稱為“釘形”雙向水泥土攪拌樁。南京麒麟科技創(chuàng)新園光華東路運糧河橋北側(cè)橋頭軟基處理采用“釘形”雙向水泥土攪拌樁，選取K1+977～K2+007段進行實測，該段處理長度30 m，平均處理寬度55 m，正梅花形布置，樁中心距1.8 m，面積置換率m=0.302。單樁總長H=18 m，上部擴大頭高度h=4 m，擴大頭樁徑90 cm，下部14 m范圍樁徑50 cm(見圖1，圖2)，水泥摻入比αw=15%(42.5級普通硅酸鹽水泥)，采集典型軟弱層土樣，進行室內(nèi)配比試驗，確定最佳水灰比(設(shè)計水泥漿水灰比為1∶0.55)，設(shè)計要求28 d齡期樁身無側(cè)限抗壓強度1 MPa。

圖2 釘形水泥土雙向攪拌樁構(gòu)造圖

雙向攪拌樁機葉片寬度80 mm～100 mm;葉片厚度25 mm～40 mm;葉片傾角10°～20°。下沉速度0.5 m/min ～0.8 m/min;提升速度0.7 m/min～1.0 m/min;內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)速不小于50 r/min;外鉆桿轉(zhuǎn)速不小于70 r/min;下沉?xí)r噴漿壓力0.25 MPa～0.40 MPa。

單樁水泥土體積5.612 m3(上部計算長度按設(shè)計長度另加500 mm)，為確定工料機消耗量，對成樁時間進行測定，見表1。

1)機械臺班消耗量。攪拌樁機整體移機一次可以完成3根樁，由表1可以計算出，單樁平均成樁時間34 min。24 h施工記錄施工35根樁，每機械臺班(按8 h工作制計算)完成樁工程量為5.612×35/3=65.473 m3。參照計價表相同計算口徑計算機械臺班消耗量:a.單軸式深層攪拌機臺班消耗量1/65.473=0.015 3，機械幅度差1.33，單軸式深層攪拌機臺班消耗量0.015 3×1.33=0.020 5臺班。b.灰漿輸送泵輸送量3 m3/h臺班消耗量相應(yīng)為0.020 5臺班。c.灰漿拌和機200 L臺班消耗量相應(yīng)為0.041臺班。實際機械操作人員配備為:攪拌樁機主操作1名、協(xié)助工1名、灰漿拌和機放漿工1名、放漿協(xié)助工1名。經(jīng)比較，變徑水泥土攪拌樁機械消耗量約為傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁的25%。

2)主要材料消耗量。參照計價表數(shù)據(jù)，每立方米工程量水泥42.5 級消耗量 274.05 kg，高壓膠管 0.07 m，水 0.5 m3。

3)人工消耗量。測量放線人員2人，其中1人為施工員，另1人協(xié)助。參照計價表數(shù)據(jù)，每立方米工程量三類工0.94工日。

綜合分析表明:每立方米變徑與等徑水泥土攪拌樁相比，綜合單價約減少25%。

即:變徑水泥土綜合單價/等徑水泥土綜合單價≈75%。

表1 實例2號機位“釘形”水泥土攪拌樁單樁成樁時間記錄

2 等徑與變徑水泥土攪拌樁設(shè)計方案經(jīng)濟分析

為便于分析，設(shè)定在處理相等面積軟弱地基和相同的設(shè)計要求下，即兩者具有相等的水泥摻入比、面積置換率和總樁長。

傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁所需水泥量計算式為:變徑水泥土攪拌樁所需水泥量計算式為:

使用變徑水泥土攪拌樁處理軟基相對于傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁處理軟基水泥用量百分比為:

其中，m1為傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁復(fù)合地基的面積置換率;m2為變徑水泥土攪拌樁復(fù)合地基的面積置換率;H為水泥土攪拌樁處理深度，m;h為變徑水泥土攪拌樁擴大頭高度，m;αw為水泥摻入比，%;β為變徑水泥土攪拌樁的上、下樁徑比;γ為軟土容重，kN/m3;A為處理的軟土地基面積，m2。

本實例 m1=m2=0.302，H=18 m，h=4 m，β =1.8，αw=15%，γ 取定 17.5 kN/m3，A=1 650 m2。

經(jīng)計算 W1=2 354 468 kg，W2=1 088 416 kg，Δ =46.23%。需要指出，變徑水泥土攪拌樁與傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁設(shè)計面積置換率和總樁長相等的可能性較小，實際變徑與等徑水泥土攪拌樁設(shè)計方案相比水泥用量百分比約為75%;另外，在考慮工程計價時計算長度按設(shè)計長度另加500 mm及材料損耗的前提下，本實例定額水泥消耗量為1 204 010 kg。

考慮使用新技術(shù)所需付出的必要費用，等徑與變徑水泥土攪拌樁設(shè)計方案相比，在每立方米綜合單價相同的前提下，節(jié)約工程成本約在10%～20%，經(jīng)濟效益顯著。

3 合理控制造價前提下的樁長確定方法

在水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計階段，采用變徑水泥土攪拌樁可以降低造價，同時合理確定樁長對控制工程造價的作用也很明顯。

載荷試驗結(jié)果表明:當(dāng)?shù)鼗鶙l件一定時，單樁承載力隨著樁長的增加而增大，當(dāng)超過某一樁長后，增加樁長(比如樁長超過10 m)，而承載力不再增大，這一界限樁長就是水泥土攪拌樁的有效樁長。

對變徑水泥土攪拌樁而言，隨著擴大頭高度的增加，單樁承載力逐漸增大，但擴大頭高度超過8 m后，單樁承載力增加不明顯。

水泥土攪拌樁荷載與沉降關(guān)系曲線表明，在相等的樁頂荷載作用下，沉降量隨著樁長的增加而減少，當(dāng)超過某一樁長后，增加樁長，沉降量不再明顯減少。

存在有效樁長的原因在于水泥土攪拌樁是半剛性樁，樁身水泥土的抗壓強度比混凝土低得多，當(dāng)樁頂荷載比較大時，樁身首先破壞，此時，單樁承載力不是取決于地基土對樁的支撐能力，而是由水泥土攪拌樁的樁身抗壓強度控制。

為了控制造價，合理確定有效樁長和擴大頭高度，設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點:

1)打設(shè)水泥土攪拌樁只是為了提高復(fù)合地基承載力，按樁身強度控制原則確定有效樁長。

2)攪拌樁兼有控制沉降的功能時，則按軟土層厚度和埋藏深度確定樁長。

3)一般情況下，使用“釘形”雙向水泥土攪拌樁在迅速提高復(fù)合地基承載力的同時也能有效控制沉降，擴大頭高度一般為3 m～8 m。

4 結(jié)語

1)變徑水泥土攪拌樁所采用的新工藝，保證了樁體中的水泥摻入量，提高了水泥漿分布的均勻性，樁身質(zhì)量和強度均有較大提高，同時相較傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁工料機消耗量稍有減少。

2)變徑水泥土攪拌樁與等徑水泥土攪拌樁設(shè)計方案相比，在水泥摻入比、面積置換率相同的情形下，節(jié)約水泥，降低工程成本，經(jīng)濟效益顯著。

［1］ 向 瑋，劉松玉，朱志鐸，等.變徑水泥土攪拌樁加固橋頭軟基的試驗分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，10(5):56-57.

［2］ 徐 超，廖星樾，葉觀寶，等.利用載荷試驗研究水泥土攪拌樁的有效樁長［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005(3):68-69.