水泥攪拌樁在軟弱粉煤灰地基加固中的應用

■田力瓊，李 輝，冷曉暢■.江西省電力設計院，江西 南昌 0096；.武漢光谷建設投資有限公司，湖北 武漢 4005；.南昌大學 建筑工程學院，江西 南昌 00

水泥攪拌樁是一種用于處理軟土、粉土和含水量較高且地基承載力較低的粘性土等地基的有效方法。它是通過特制的深層攪拌機械，在地基深處就地將水泥漿和周圍土體強制攪拌，在一定時間內，通過水泥漿與周圍土體間的一系列物理化學反應，使軟土固結成具有一定整體性和一定強度的復合地基。與剛性樁相比，水泥攪拌樁的樁身強度可與樁的承載力相協調，樁身強度可充分發揮。同時，水泥攪拌樁還具有施工工期短、適用范圍廣、對周圍環境影響小等優點。

某電廠國產1×330MW循環流化床機組擴建工程位于發電廠原老廠房處，緊靠1×200MW循環流化床機組東面。擬建冷卻塔位于原老廠的灰庫區，灰庫區內的地層為新近沉積的粉煤灰灰渣，欠固結，地基承載力低，不能采用天然地基，需進行地基加固處理。從對常用鉆孔灌注樁、預制樁及水泥攪拌樁做經濟性、技術性比較分析，本工程首選水泥攪拌樁法對其進行地基處理，在該地區也是首次應用于此類深厚軟弱粉煤灰地層。

1 工程概況

1.1 試驗區工程地質條件

（1）粉煤灰（Q4ml）：灰黑色，濕，稍密，層厚 10.5米，天然重度r=14kN/m3，壓縮模量Es1-2=4.0MPa，承載力特征值fak=60kPa。

（2）粉質粘土（Qal4）：黃褐色、棕黃色，軟 -可塑，層厚7.8米，天然重度r=19.0kN/m3，凝聚力c=22kPa，內摩擦角 φ=12°，壓縮模量 Es1-2=6.0MPa，承載力特征值 fak=150kPa。

（3）中粗砂混粘性土（Qal+pl3）：棕黃，很濕，稍密-中密，混20～30%粘性土，混少量礫卵石，層厚2.0米，天然重度 r=19.5kN/m3，內摩擦角 φ=28°，承載力特征值 fak=180kPa。

1.2 水文地質條件

擬擴建冷卻塔地處袁河階地，受烏龜山地形及電廠工業排水、大氣降水等影響，其地下水主要有上層滯水及孔隙潛水二層，上層滯水存在于（1）粉煤灰中，其下粉質粘土層為相對隔水層。該水補給來源為工業廢水及大氣降水，排泄于地表及低洼養魚塘。地下水初見水位8.5米，地下水穩定水位7.2米。

1.3 工程設計要求

設計要求攪拌樁復合地基承載力需滿足180kPa、粉煤灰水泥土強度滿足1.8MPa、單樁承載力特征值滿足200kN以上等條件。

2 粉煤灰對水泥土加固機理的影響

水泥攪拌樁的加固機理是將水泥和軟土拌合，使軟土硬化成水泥土，以達到地基加固的目的。水泥土強度主要來源于兩個方面：水泥本身的水化產物的膠結作用；水泥水化時產生的Ca（OH）2與土中活性物質之間的硬凝反應所產生的水化物的膠結作用。

周圍的土介質對水泥本身的硬化過程是有影響的，從而影響水泥土的強度增長。土質會對OH-，CaO，Ca2+產生吸收作用，導致水泥土孔隙水中Ca（OH）2是不飽和的，降低了CSH生成量，致使水泥土強度降低，并且不同土質對這些離子的吸收量不同，導致水泥土強度不同。

粉煤灰作為改性的摻合料在水泥土中應用較為廣泛，相關理論表明，水泥土強度提高原因在于粉煤灰的二次水化反應和CaO，MgO等成分在水化過程中產生的膨脹擠密作用，摻入粉煤灰的水泥土強度提高1.0倍以上。

在本工程中，運用水泥攪拌樁對粉煤灰地基進行加固，在設計過程中充分考慮了粉煤灰對水泥土加固效果的影響，采用水泥攪拌樁復合地基，取得了較好的經濟效益和加固效果。

3 配合比試驗

3.1 室內配合比試驗

樁體強度取決于被加固土體的密實度、含水量和水泥的滲入量，保證樁體水泥土的強度是深層攪拌樁成敗的關鍵因素。根據規范［3］，在攪拌樁施工前現場取樣，對粉煤灰進行了室內配合比試驗。試驗結果表明，水泥的摻入量達14%時，水泥土28天的無側限抗壓強度達1.8MPa，其強度可滿足設計要求，其中水泥滲入比是根據室內配合比試驗中粉煤灰干容重為950kg/m3來配制的。

3.2 施工配合比試驗

根據室內配合比試驗結果進行施工水泥配合計算，水泥滲入比是根據室內配合比試驗中粉煤灰干容重為950kg/m3來配制的。

但在對第一組攪拌樁進行抽芯檢測時，發現較多樁體存在水泥漿與粉煤灰膠結較差等情況，綜合分析為水泥摻入量過低是其原因之一（粉煤灰層存在上層滯水，粉煤灰含水量較大），故決定在第二組攪拌樁施工時，調整水泥用量，采用的水泥滲入比是根據施工經驗按粉煤灰濕容重為1400kg/m3來配制的。

4 施工工藝

4.1 樁參數及布置形式

本次試驗共完成40根攪拌樁，樁徑均為0.7m。其中第一組25根攪拌樁樁長為18.2m，樁端持力層為（3）中粗砂混粘性土；第二組15根攪拌樁樁長為15m，樁端持力層為（2）粉質粘土層。

試驗區水泥攪拌樁布置按正方形布置，試驗分為S1.1和S1.2兩個區，S1.1區為樁間距1.1m，S1.2區1.2m。

4.2 施工工藝及控制措施

（1）成樁工藝。試驗樁施工采用單軸攪拌樁，成樁采用兩次噴漿、四次攪拌工藝。即首次下沉全噴漿攪拌-首次提升全噴漿攪拌-二次下沉全攪拌-二次提升全攪拌。

（2）水泥滲入量的控制。考慮到粉煤灰與軟土性質不同，其水泥土的強度初期增長較快，故本次工程采用齡期為28天的水泥土強度作為設計控制強度要求，根據室內配合比試驗報告，其水泥的摻入量達14%時，其水泥土無側限抗壓強度達1.8MPa，其強度可滿足設計要求。考慮到現場施工和室內配制有一定的差別，在第一組試驗樁水泥摻入量采用16%，經過抽芯檢驗后發現水泥漿與粉煤灰膠結較差，故增加了第二組試驗樁。

（3）樁長的施工控制。根據設計要求水泥攪拌樁的樁端應進入設計規定持力層，施工樁長主要按勘測資料并結合電流所顯示電流值來綜合確定，一般情況下，攪拌樁下沉時電流表顯示電流大于43A時（在粉煤灰段電流值為20～30A），可認為達到持力層，然后根據設計要求進入持力層一定深度。

（4）樁身攪拌均勻性的控制。水泥攪拌樁樁身質量的均勻性于攪拌機攪拌速率、提升速度和噴漿壓力有很大的影響；第一組試驗樁施工的噴漿壓力為（0.1～0.4）MPa，第二組試驗樁施工的噴漿壓力為（0.2～0.5）MPa。

5 質量檢測及工程效果

按照國家規范進行了水泥攪拌樁的試驗工作，內容包括靜載荷試驗、鉆孔抽芯和輕便動力初探試驗。

5.1 質量檢測

（1）靜載荷試驗。本次冷卻塔試驗區攪拌樁靜載試驗水泥攪拌樁靜載荷試驗在成樁28天后進行，共做了3根攪拌樁單樁靜載試驗（樁1-1、2-1、2-4）、S1.1區三點復合地基靜載試驗（樁 4-1、4-3、4-4）、S1.2區三點復合地基靜載試驗（樁 6-1、7-1、8-1）。

各試驗點在最大荷載作用下樁頂（或載荷板）的最大沉降、卸載殘余沉降和回彈率見表1～2。

表1 攪拌樁單樁荷載試驗成果表

表2 攪拌樁復合地基荷載試驗成果分析總表

由上述各表可知，1-1、2-1、2-4攪拌樁有效樁長17.2m，樁徑0.7m，樁端持力層為（3）中粗砂混粘性土，入持力層深度0.7m。最大加荷分別為650kN、600kN、550kN，樁頂最大沉降量均小于5.0mm；卸載后，三根樁的平均回彈率為65.9%，殘余變形很小。

兩個復合地基載荷試驗得到數據表明有效樁長、承載力特征值以及載荷板回彈量均達到了設計要求。

（2）輕便動力觸探試驗。本工程采用輕便動力觸探試驗及雙橋靜力觸探試驗，按規范對攪拌樁隨機抽查，共檢測10根樁，7天齡期攪拌樁的擊數為50～70擊，大于原灰渣地基的擊數的1倍以上，樁身強度滿足設計要求。

（3）抽芯試驗。在對第一組攪拌樁25根樁進行了5根樁的抽芯檢測，發現粉煤灰段樁體大都存在水泥土強度不均勻，見圖1，強度差異很大，在攪拌樁淺部（從樁頂至5米左右）水泥土質量較好見圖2，芯樣表面光滑，質密，強度較高，28天無側限抗壓強度均達2MPa以上，絕大多數在7～12MPa之間，但在粉煤灰中段樁體強度低，水泥土基本呈粉煤灰狀，未膠結，很少見水泥漿石，在粉煤灰下段樁體強度也較好，局部芯樣表面粗糙、麻面等現象，無側限抗壓強度也均在1.5MPa以上。

根據對第一組攪拌樁取芯檢測情況，綜合分析認為：第一組攪拌樁施工質量存在上述問題的主要原因是施工參數采用不當，攪拌噴漿時壓力不夠（0.1～0.4MPa），在飽水粉煤灰段攪拌噴漿時提升過快等原因造成，另外根據室內配合比試驗所確定的水泥摻入量也較低，低于處理其它土質的水泥摻入量，水泥摻入量較低增加了成樁水泥土強度均勻性的難度。

在綜合分析了第一組攪拌樁施工質量原因之后，增加了第二組攪拌樁試驗，在施工中調整了施工工藝，攪拌噴漿壓力調整為0.2～0.5MPa，噴漿提升速度由0.7m/min改為0.5m/min，水泥用量改為按粉煤灰濕容重1400kg/m3的17%～20%來控制。待28天養護期后，對這批試驗攪拌樁進行了6根樁的抽芯檢測，從抽芯檢測來看，粉煤灰段水泥土芯樣表面光滑、質密，見圖3，取了2～3.5m范圍內的24組芯樣，6～8m、9～10m范圍內的芯樣組6組進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果見表 7，強度在 12.2MPa以上，強度較高且較均勻，整個粉煤灰段水泥土處理效果好。

圖3 第二組抽芯芯樣

通過對兩組攪拌樁的抽芯試驗，認為影響攪拌樁在軟弱粉煤灰地基中的質量的因素有以下兩個方面：①施工工藝。對于該類型粉煤灰地基，噴漿壓力與噴漿提升速度是關鍵因素。噴漿壓力不得低于0.2～0.5MPa；噴漿提升速度應該減小，特別是在在飽水粉煤灰段，第二組攪拌樁施工時噴漿提升速度為0.5m/min，噴漿壓力為0.2～0.5MPa，攪拌效果得到明顯改善；②水泥摻入量。現場施工與室內配制存在一定差異，為了保證成樁質量，應在室內試驗的基礎上適當提高水泥的摻入量，另外應考慮現場粉煤灰層含水量問題，在進行配合比計算時，需采用粉煤灰的濕容重；第二組攪拌樁進行配合比計算時采用粉煤灰濕容重1400kg/m3，水泥的摻入量用粉煤灰濕容重1400kg/m3的17%～20%來控制，攪拌樁在粉煤灰段水泥土芯樣表面光滑，質密，強度均勻且在12.2MPa以上。

5.2 工程效果

根據試驗結果，第二組攪拌樁強度均勻，單樁承載力與復合地基承載力均大于設計要求。故該工程采用第二組攪拌樁配合比及施工工藝參數，即樁間距1.1m的攪拌樁復合地基，樁長可調整為15米，樁端持力層為（2）粉質粘土層，入持力層深度3m以上。攪拌噴漿壓力為0.2～0.5MPa，噴漿提升速度為0.5m/min，水泥摻入量按粉煤灰濕容重為1400kg/m3的20%來控制，該工程于2006年下半年竣工，至今使用情況良好，未發現基礎有較大沉降，符合設計及施工規范要求。

工程實踐表明，采用水泥攪拌樁復合地基加固深厚軟弱灰渣地層，在提高地基土的承載力及減少地基變形上均能滿足設計及有關規范要求，達到了地基處理目的。造價方面，采用水泥攪拌樁復合地基與一般樁基相比節省約30%的基礎造價，工期縮短約20%。

6 結語

從本工程水泥攪拌樁在軟弱粉煤灰地基的應用可以得出如下結論：①在深厚粉煤灰基礎地區建造高層建筑時，采用水泥攪拌樁復合地基作基礎地基加固，可以充分發揮粉煤灰對水泥土強度的提高的作用，能夠取得較好的加固效果及經濟效果；②水泥攪拌樁設計施工前的室內試塊試驗相當必要，可為設計與施工提供摻入量的參考指標，但應考慮現場施工與室內配制存在一定差異，為了保證成樁質量，應在室內試驗的基礎上適當提高水泥的摻入量；③對比第一組攪拌樁與第二組攪拌樁的情況來看，對于粉煤灰地基，噴漿壓力與噴漿提升速度是關鍵因素。噴漿壓力不得低于0.2～0.5MPa；噴漿提升速度應該減小，特別是在在飽水粉煤灰段；④重視場地地下水位，并應考慮現場粉煤灰層含水量問題，在進行配合比計算時，需采用粉煤灰的濕容重。

［1］《地基處理手冊》編寫委員會.地基處理手冊（第二版）［M］.中國建筑工業出版社，2000.

［2］YBJ225-1991 軟土地基深層攪拌加固法技術規程［S］.

［3］DL/T5024-2002 建筑地基處理技術規范［S］.

［4］付全成.水泥攪拌樁復合地基加固軟基性狀的試驗研究［D］.河海大學，2006.