旋噴樁在堿渣壩體加固中的應用

(唐山三友化工工程設計有限公司，河北 唐山 063305)

1 堿渣壩使用情況

唐山三友純堿公司采用氨堿法生產純堿，目前僅堿渣壩內灘曬區可供堿渣廢液排放。堿渣壩歷經多年加高，15 m壩高已達到設計標高，而庫區液位已近最高限位，因此現有堿渣壩已不能滿足純堿生產排放需要，影響著三友集團“兩堿一化”的循環經濟的可持續性。在新的堿渣堆場不具備投用前，有效的辦法是對堿渣壩進行加高。灘曬區位于渤海沿海灘涂，堿渣壩地基為十幾米厚度的粉質黏土軟基，承載力低，震動穩定性差。壩基初期僅2 m左右深度做了拋石處理(拋石沿著壩體縱向兩條，每200 m橫向連接)。在現有壩體頂面單純加高壩體，勢必造成深層滑弧面抗剪承載力不足而導致壩體失穩，因此壩體加固是壩體加高的前提。為滿足廢液正常排放，堿渣壩體穩定安全，同時能夠加高壩體的條件下，確定切實可行的壩體加固技術方案已成當務之急。

2 堿渣壩加固技術方案的選定

2.1 堿渣壩下游增加反壓平臺

現有壩體外坡腳已是征地紅線，限制了此方案的可行性。

2.2 堿渣壩壩基不加固，壩頂直接內延后修建子壩

子壩需向庫區內移50 m甚至更多，內延平臺土方工程量非常大，水中作業，施工困難，且嚴重消減了庫容。內延平臺及子壩均坐在非常軟弱的未固結堿渣膏(含水率高達150%～200%)上，據以往的施工經驗，向庫內中心方向土方工程豎向沉降量不斷加大，遠端預估達到1 m甚至更大，同時大量的堿渣膏被擠向庫內；為減少沉降，采用擾動較小的復合地基，可水泥堿渣樁國內又沒有成熟的技術、施工經驗。此技術方案不可取。

2.3 沿現有堿渣壩頂縱向布置多排樁

雖然可以減少內延子壩向庫內移動距離，但是為了防止壩體深層滑移，保證壩體的整體穩定，樁身需穿越整個堿渣壩體及壩基下的軟弱粉質黏土，進入相對較好的粉砂持力層，導致樁身較長，最少25 m，且大部分需穿越壩基下的拋石，施工困難，且現實條件要求保證庫區廢液正常排放的狀態下施工，而打樁的施工過程至樁體固結前是壩體被消弱、強度穩定性最差的時段，施工期間對軟基、壩體的頻繁擾動，極易造成壩基壩體失穩，類似事故國內已發生多例。因此該技術方案風險非常大，此技術方案不宜采用。

2.4 堿渣壩下游二級路平臺上打樁

樁身進入相對較好的粉砂持力層，僅需穿越二級路平臺及壩基下的軟弱粉質黏土，最大限度地避開壩基下的拋石，樁長較短18 m，可通過調整樁徑，增大抗剪能力，防止壩體深層滑移，且施工期間對主壩體的擾動較小，保證壩體的整體穩定，同時大大的減少了子壩體向庫內移動距離，可最大限度地保證有效庫容。此技術方案可行。

3 加固樁樁型的選定

3.1 不宜選用預制混凝土樁、鋼管樁，現場灌注樁，其他混凝土樁等剛性樁

3.1.1 受力特點

壩體在荷載作用下，由于剛性樁樁體相對周邊土體剛度非常大，荷載的作用效應絕大部分由樁體承擔，剛性樁先被剪斷后，突然退出承載，此時全部作用效應也只能由土體承擔，而土體抗剪承載力較低，造成壩體出現微小裂縫后會急劇開展。因此，剛性樁壩體滑弧面抗剪驗算只能計取剛性樁的抗剪強度，這種壩體整體發生滑弧位移往往是突發性的、后果是災難性的。

3.1.2 剛性樁施工特點

預制剛性樁施工采用錘擊會產生較大振動，而粉質黏土軟基強度對振動非常敏感，會有不同程度的下降；采用靜力壓樁，樁機重量非常笨重，二級路平臺寬度有限，且二級路平臺下壩基應力瞬間突然增加很多，容易產生局部不均沉降。現場灌注樁鉆機成孔、灌注混凝土至混凝土終凝對軟基壩基承載力是一個削弱過程，尤其是混凝土泵車或混凝土地泵的振動給軟基強度帶來不可忽略的不利影響，且置換出來的大量泥漿處理比較困難。

3.2 選擇水泥土樁及類似柔性樁，樁土形成復合地基

3.2.1 受力特點

這種壩體，樁體土體形成復合地基。雖然樁體抗剪承載力較剛性樁小，但是由于柔性樁樁體強度較剛性樁低，樁體與周邊土體能夠協同變形，柔性樁提高了原有軟基的抗剪承載力，樁體土體兩者共同承擔荷載的作用效應，抗剪能力仍較強。

根據現場堿渣壩體的實際測量及現場工程勘察報告，設計初步核算：灘曬區三面堿渣壩均需加固，共3400延長米，需在二級路面沿著壩體縱向布置水泥土樁，橫向5排，直徑D900，樁長18 m，其中下部11 m為有效樁長,上部7 m為引孔。總計水泥土樁約6 200根。

3.2.2 柔性樁的選擇

1)不宜選用振沖碎石樁、沉管砂石樁、水泥粉煤灰碎石樁。

振沖碎石樁振沖器施工、沉管砂石樁振動沉管、錘擊沉管或沖擊成孔等帶來的頻繁振動對使用中的堿渣壩軟基強度會產生不可忽視的不利影響，且這種復合地基提高豎向承載力、減少豎向沉降作用明顯，但對提高壩體深層弧滑的抗剪承載力不明顯。水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)輸送泵的頻繁振動同樣對壩體不利，且施工工藝的特點決定現場將出現大量的泥漿。

2)常用的水泥土攪拌樁直徑小，限制了在本工程中的應用。

水泥攪拌樁最大限度地利用了原狀土，攪拌時無振動、無噪音、無污染，對原壩體影響小，適用于二級路下粉質粘性土、粉砂壩基。D500及D600的該種樁在本地區有成功施工經驗，但是由于注漿壓力低，僅適宜15 m以下樁長，制成D900的不可能，設計前現場試樁失敗也證明了這一點。

3)最終選用了高壓旋噴樁。

高壓旋噴樁有：單管法——高壓水泥漿；雙管法——高壓水泥漿、壓縮空氣；三管法——高壓切削水、高壓水泥漿、壓縮空氣。機械設備較輕，施工占地少、振動小、噪音較低，相對污染小，能夠最大限度地利用了原狀土，能夠制成較大直徑的水泥土旋噴樁；上部7 m引孔僅為D200～D300,對壩體影響小。但是高壓旋噴樁施工時期高壓切削水、高壓水泥漿、壓縮空氣對壩體壩基有著不同程度的影響，施工期間需注意監測壩體的變形。

4 艱難的D900旋噴樁現場試樁，歷經八個月

4.1 第一次試樁

2017年11月第一次高壓旋噴樁試樁。采用三管法，D900，水泥摻量為18%、20%、25%、30%、35%。28天后取芯，結果出乎意料，有效樁長范圍內水泥土均未成樁。

分析：有效樁長范圍均在地下水位以下，粉質黏土含水率高，不適合帶高壓水的三管法工藝。

措施：改用兩管法。

4.2 第二次試樁

2018年5月，第二次高壓旋噴樁試樁。三家試樁單位采用兩管法，D900，水泥摻量為28%、30%、35%、40%、45%。7天后取芯結果，其中兩家有效樁長范圍樁身完整，芯樣強度遠高于設計強度，但樁徑僅達到D500。

分析：樁徑僅達到D500，但是試驗說明有效樁長范圍的粉質黏土、粉砂摻入水泥能夠形成水泥土樁。余下的關鍵工作是采取措施使成樁直徑達到D900的設計要求。

措施：對有效樁長、D900整個直徑范圍內的粉質黏土、粉砂加大切削拌和力度，加大復噴復攪次數，降低鉆桿提升速度，鉆桿通長。原則上不得提高水泥漿、壓縮空氣壓力，因二者過大對壩基極為不利。

4.3 第三次試樁

2018年6月，第三次高壓旋噴樁試樁。三家試樁單位采用旋攪+兩管法，即旋攪—高壓旋噴—復噴，D900，水泥摻量為28%、30%、35%、40%。7天后取芯結果，其中兩家有效樁長范圍的強度、樁身直徑滿足設計要求，樁身基本完整，但樁身頂面下11～13 m連續性較差，樁中心芯樣含泥量非常大。

分析：堿渣壩內庫區液位高，在上述11～13 m范圍內存在地下水滲流，導致部分水泥漿流失。

措施：調整外加劑、鉆桿提升速度、降低最后一次復噴水泥注漿壓力、壓縮空氣壓力。

4.4 第四次試樁

2018年7月，第四次高壓旋噴樁試樁。一家試樁單位，采用旋攪+兩管法，即旋攪—高壓旋噴—復噴,D900,水泥摻量為35%、45%，各3根。參照上次試樁的施工參數，調整了早強劑摻量及品種，促使上述11～13 m范圍內水泥土早凝，降低鉆桿提升速度，適當降低最后一次復噴水泥注漿、壓縮空氣壓力。7天后取芯結果，水泥摻量35%旋噴樁，3根樁身完整性、強度、直徑達到設計要求，但其中1根樁中心含泥量較大。另3根水泥摻量45%旋噴樁，樁身完整性、強度、直徑均達到設計要求，最后選用此應用于工程樁，現場試樁歷經8個月終于結束。

5 試樁失敗的主要原因

確定已建成大型壩體地基加固技術方案前，應按現行國家標準《巖土工程勘察規范》GB50021要求進行巖土工程詳細勘察外，還應查明擬處理地基土層的pH值、塑性指數、有機質含量、地下障礙物及軟弱土分布情況、地下水位及其運動規律等，此外還要實地考察，掌握現有壩體的日常運行管理情況。本工程中，有機質含量、壩基拋石、二級路下游坡腳的上清液溝、庫區內的高液位形成地下水液位差，尤其是壩基拋石層、飽和粉砂層地層中的帶壓水是多次試樁失敗的主要因素。

6 結 語

即使多方案對比、充分論證后優選的技術方案也必須經現場試驗方可用于工程上。如本工程旋噴樁施工工藝、施工參數具有很強的地區性，必須在工程樁對應的具體位置，根據現場試樁結果確定其適用程度。實際試樁耗時，遠遠超出了工程計劃，考慮堿渣壩體安全、工期的現實要求，最終設計選定D900，水泥摻量45%的高壓旋噴樁，將最后一次試樁的施工工藝、施工順序、施工操作參數、水泥品種及強度等級、外加劑摻量及品種作為固定標準，應用于工程樁的施工。

D900大直徑旋噴樁現場試驗成功及在灘曬區堿渣壩體加固中的成功應用，保證了堿渣廢液正常排放下堿渣壩體安全穩定，使壩體加高工程得以實施，延長了堿渣壩的使用壽命，保證了純堿生產連續穩定運行，為1#、2#、3#堿渣場的堿渣壩體加固加高提供了借鑒經驗，同時為籌建新的堿渣堆存場贏得了時間。