釘形水泥土雙向攪拌樁在深層軟基處理中的設計應用

廣州市城市規劃勘測設計研究院 廣東廣州 51000

摘要：釘形水泥土雙向攪拌樁技術已在鐵路、高速公路、港口、碼頭、市政道路等多個領域百余項工程中得到應用，目前最大處理深度已達28m，最大樁徑已達到1.3m；該技術的科學性、先進性和經濟性已在工程中得到證明。本文主要介紹廣州市番禺區化龍鎮某市政工程軟基處理方案。

關鍵詞：軟基處理；釘形水泥土雙向攪拌樁；設計

一、工程概況

本次設計項目位于廣州市番禺區化龍鎮，為東西向市政道路。道路全長約775m，規劃為城市次干路，標準路幅寬度為30m，按雙向4車道布置，設計車速40 km/h。在K0+082.312處設置有一座梁橋，橋上部結構為2-13m預應力空心板梁，下部結構采用鉆孔灌注樁接蓋梁形式。

本項目場地范圍地質情況：

在勘探深度范圍內，沿線巖土層自上而下主要為第四系耕植土層（Qpd）、填土層（Qml），第四系全新沖積層（Qal）淤泥（淤泥質土）、淤泥質細砂（細砂）、淤泥質土（淤泥）、粉質粘土、礫砂、卵石等。

特點：①淤泥、淤泥質土等軟土普遍存在，而且厚度較大、受擾動后強度降低明顯，軟弱層厚度多在28m左右，最大深度超過30m，處理難度很大。②場區地下水主要賦存于第四系全新統砂層、碎石層中的孔隙水和賦存于基巖裂隙中的基巖裂隙水。主要接受大氣降水滲入補給，以側向徑流、地表蒸發為主要排泄方式。勘察期間，測量到的穩定地下水位埋深0.80～1.35m，水位標高5.33～6.24m。③場地軟土層沉積時間短，其厚度較大，固結程度低，地基承載力低，孔隙比大，壓縮性大，在附加應力作用下變形量大，滲透性低，固結處理強度增加緩慢，變形速率大且穩定時間長，靈敏度較高，具有觸變性及流變性大的特點。

二、軟基處理方案的選擇

常見的深層軟土處理方法主要分為排水固結和復合地基處理。排水固結效果好，造價低，但需要施工工期長，路基要有一定的時間進行預壓，鑒于本次工期緊張，設計推薦采用復合地基處理軟土。與常規的水泥攪拌樁相比較，釘形水泥土雙向攪拌樁在技術上有著諸多的優勢：

技術性比較簡表

樁形

項目常規

水泥土攪拌樁釘形

水泥土雙向攪拌樁

施工工藝單向單管旋轉；易形成攪拌不均勻，成千層餅狀；留有冒漿通道，產生冒漿現象；影響樁體的強度和質量雙向旋轉；攪拌均勻；阻斷冒漿通道，樁體的強度和質量有保證。

結構形式圓柱狀，結構單一圓柱狀、釘形等其它形式，改善了樁體的受力狀況，受力更合理。

均勻性攪拌不均勻，易成千層餅狀，導致樁身強度降低正反向旋轉，攪拌均勻

漿液上冒冒漿嚴重，施工環境差無冒漿現象，施工環境好

受力合理性受力不合理受力合理，符合應力的分布

擾動性對樁周土擾動性大，易引起鉆桿的左右搖動，對施工安全也不利對樁周土擾動性小，降低了鉆桿的搖動，利于安全施工

工藝流程采用四攪兩噴（或四攪三噴）的方法，流程復雜采用二攪一噴，流程簡單，便于質量控制

施工管理工藝流程復雜，人為影響較大，不利于施工管理。工藝流程簡單，利于施工管理。

樁徑及施工深度樁徑小，處理深度淺，一般在15m以內樁徑大，處理深度可達28米

共享性常用機械設備，廣泛使用。在常用機械設備的基礎上稍作改裝即可，大大加深處理深度，已大面積推廣使用

經濟效益 與常規樁相比雖然單價有所提高，但大大降低了處理每平方米的造價.其綜合經濟效益比常規水泥土攪拌樁節省投資15% ～ 35%，并且隨著處理軟土深度的增加，其經濟效益越發明顯。

本項目軟土深度較深，對于這種大規模軟土地基深層處理，在滿足規范要求和完工后沉降和穩定性的前提下，還應充分考慮工程造價和工期要求。針對這種情況，本次設計采用了先進的釘形水泥土雙向攪拌樁來處理軟基。

三、釘形水泥土雙向攪拌樁處理方案

1、基本原理

釘形攪拌樁是通過對現有的常規水泥土攪拌樁成樁機械進行簡單改造，配上專用的動力設備及多功能鉆頭，采用同心雙軸鉆桿，在內鉆桿上設置正向旋轉葉片并設置噴漿口，外鉆桿上安裝反向旋轉葉片。通過外桿上葉片反向旋轉過程中的壓漿作用和正反向旋轉葉片同時雙向攪拌水泥土的作用，阻斷水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻，確保成樁質量。同時將攪拌葉片設置成可伸縮葉片（注：該葉片可以在地面以下的任意深度處伸縮），以方便施工水泥土攪拌樁的上、下不同截面的樁身。釘形水泥土雙向攪拌樁即通過攪拌葉片的伸縮使樁身上部截面擴大而形成的類似釘子形狀的水泥土攪拌樁。

2、設計要點

①釘形攪拌樁設計

釘形攪拌樁樁徑：擴大頭樁徑110cm，下部樁徑70cm，擴大頭長5m，三角形布置，道路紅線范圍內的橋臺過渡段樁間距1.8m，道路紅線范圍內的一般路段樁間距2.0m，道路路基作用范圍（約紅線外3m）樁間距2.2m。為分擔樁體應力增加樁體間的橫向聯系，路堤基底全斷面鋪設一層50cm厚碎石墊層，墊層頂面鋪設一層雙向土工格柵，坡腳外的土工格柵要用土覆蓋，不能暴露在空氣中.筋帶的鋪設質量檢驗內容按<<公路土工合成材料應用技術規范>>的要求進行。

樁身設計無側限抗壓強度為R28=1.0Mpa，R90=2.0Mpa，復合地基承載力路基范圍≥120Kpa。

釘形水泥土雙向攪拌樁軟基處理剖面圖

②材料要求及水泥摻量的確定

A.材料要求

水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥，所購置的水泥應是國家的免檢產品，且在有效期內使用；嚴禁使用受潮、結塊、變質的劣質水泥。對非免檢廠生產的水泥，應分批提供有關標號、安定性等試驗報告。

水灰比一般采用0.4～0.55。

為了增加攪拌樁水泥漿液的和易性和穩定性，提高早期強度，并考慮到本段軟土的天然含水量較高，在制備水泥漿時可摻加減水劑，摻量由室內配合比試驗確定。

B.水泥摻量的確定

攪拌樁的水泥摻量根據土樣天然含水量、孔隙比的不同，水泥摻入量應相應變化，本項目參考水泥摻量為15%，實際摻量應由室內配合比試驗確定，確保樁體28天無側限抗壓強度≧1.2MPa。

C.土工格柵

土工格柵應采用雙向拉伸型，幅寬4.0m，橫縱向設計抗拉強度>40KN/m，延伸率≤10%。

3、施工工藝

平整地面→機具進場進行水泥攪拌樁施工→待水泥攪拌樁達到強度→檢測復合地基→合格后鋪設土工格柵→填筑路基至設計標高處。

①攪拌機械運至工地后，先安裝調試，待轉速、空氣壓力及計量設施正常后，再開始就位。

②攪拌機就位：攪拌機到指定樁位并對中；

③噴漿下沉：啟動攪拌機，使攪拌機沿導向架向下切土，同時開啟送漿泵向土體噴水泥漿，兩組葉片同時正反向旋轉切割、攪拌土體，攪拌機持續下沉，直到擴大頭設計深度；

④施工下部樁體：改變內、外鉆桿的旋轉方向，將攪拌樁葉片收縮到下部樁體直徑；噴漿切土下沉：兩組葉片同時正反向旋轉切割、攪拌土體，攪拌機持續下沉，直到設計深度，在樁端應就地持續噴漿攪拌10秒以上；

⑤提升攪拌：攪拌機提升、關閉送漿泵，兩組葉片同時正反向旋轉攪拌水泥土，直到擴大頭底面標高；

⑥伸展葉片：改變內外鉆桿的旋轉方向，將攪拌葉片伸展至擴大頭直徑；提升攪拌：提升鉆桿，兩組葉片同時正反向旋轉攪拌水泥土，直到地表或設計樁頂標高以上50cm；

⑦切土下沉：使攪拌機沿導向架向下切土，同時開啟送漿泵向土體噴水泥漿，兩組葉片同時正反向旋轉切割、攪拌土體，攪拌機持續下沉，直到擴大頭設計深度；

⑧提升攪拌：關閉送漿泵，兩組葉片同時正反向旋轉攪拌水泥土，直到地表或設計樁頂標高以上50cm，完成單樁施工。

4、施工期間質量控制措施

⑴項目經理部指派專人負責攪拌樁的施工，全過程旁站水泥攪拌樁的施工過程。所有施工機械均應編號，應將現場技術員、鉆機長、現場負責人、攪拌樁樁長、樁距等制成標牌懸掛于鉆機明顯處，確保人員到位，責任到人。

⑵攪拌樁開鉆之前，應用水清洗整個管道并檢驗管道中有無堵塞現象，待水排盡后方可下鉆。

⑶為保證攪拌樁樁體垂直度滿足規范要求，在主機上懸掛一吊錘，通過控制吊錘與鉆桿上、下、左、右距離相等來進行控制。

⑷對每根成型的攪拌樁質量檢查重點是水泥用量、水泥漿拌制的罐數、壓漿過程中是否有斷漿現象、噴漿攪拌提升時間以及復攪次數。

⑸為了確保樁體每米摻合量以及水泥漿用量達到設計要求，每臺機械均應配備電腦記錄儀。同時現場應配備水泥漿比重測定儀，以備監理工程師和項目經理部質檢人員隨時抽查檢驗水泥漿水灰比是否滿足設計要求。

⑹施工時應嚴格控制噴漿時間和停漿時間。每根樁開鉆后應連續作業，不得中斷噴漿。嚴禁在尚未噴漿的情況下進行鉆桿提升作業。儲漿罐內的儲漿應不小于一根樁的用量加50kg。若儲漿量小于上述重量時，不得進行下一根樁的施工。

⑺施工中發現噴漿量不足，應按監理工程師要求整樁復攪，復噴的噴漿量不小于設計用量。如遇停電、機械故障原因，噴漿中斷時應及時記錄中斷深度。在12小時內采取補噴處理措施，并將補噴情況填報于施工記錄內。補噴重疊段應大于100cm，超過12小時應采取補樁措施。

⑻現場施工人員認真填寫施工原始記錄，記錄內容應包括：1、施工樁號、施工日期、天氣情況；2、噴漿深度、停漿標高；3、灰漿泵壓力、管道壓力；4、鉆機轉速；5、鉆進速度、提升速度；6、漿液流量；7、每米噴漿量和外摻劑用量；8、復攪深度。

四、結語

與常規水泥土攪拌樁相比，釘形水泥土雙向攪拌樁同樣施工方便、操作簡單，機械在現有的水泥土攪拌樁機械上改造即可，設備投入少。并且有效解決了傳統水泥土攪拌樁由于施工過程中冒漿、攪拌不均勻引起的一系列樁身質量問題，保證水泥土攪拌樁樁體中的水泥摻入量，提高水泥漿分布的均勻性，樁身質量大大提高。從現有的工程實例看，其綜合經濟效益比常規水泥土攪拌樁節省投資約15% ～ 35%，并且隨著處理軟土深度的增加，其經濟效益和社會效益越發明顯。

參考文獻：

[1]《釘形水泥土雙向攪拌樁復合地基技術規程》（蘇JG/T024-2007）

[2]《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2002）

[3]許文斌，丁躍，袁和旭.釘形水泥土雙向攪拌樁在某工程軟基處理中的設計應用.地基與處理，2014.01-0096-03

[4]李仁民.釘形水泥土雙向攪拌樁施工技術及應用.地基基礎，2007.04-0230-03