砂置換型水泥攪拌樁在大液河水閘工程中的應用

李劉雙

(廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710)

1 工程概況

大液河水閘位于海豐縣西南聯安鎮，工程為Ⅱ等大(2)型，船閘為Ⅶ(2)級。水閘共設9孔，單孔凈寬為12 m，水閘擋水總寬度為127 m，閘室結構采用整體式，中部閘孔采用1孔1聯，左右岸閘孔采用2孔1聯，共5聯，水閘設計流量為1 717 m3/s，船閘按50 t級設計，為單線單級船閘。水閘、兩岸翼墻、消能工及船閘基礎均設計為砂置換型水泥攪拌樁基礎。水閘總平面布置示意見圖1所示。

2 工程地質

閘址區范圍為大液河河床及一級堆積階地，地形較為平坦、開闊。水閘主體結構下部地質構造根據地

圖1 水閘總體布置示意

勘鉆孔揭露，上部為原水閘人工回填砂礫石墊層，中部為淤泥、淤泥質粘土、淤泥質中粗沙層、粉質粘土層和中砂層，下部為沙卵礫石層，基巖為侏羅紀凝灰巖。土層分布及主要物理力學指標如表1所示。

表1 土層分布及主要物理力學指標

該工程②-1層塑性指數為21.8，有機質含量為4.5%，天然含水量為44.0%～63.5%，地基承載力特征值為55～80 kPa；③-1層塑性指數為12.9，有機質含量幾乎為0，天然含水量為18.2%～28.3%，地基承載力特征值為60～80 kPa；③-3層地基承載力特征值為230～250 kPa；土體pH值為6.5～7.1，判定結果為無腐蝕～弱腐蝕。

3 砂置換型水泥攪拌樁的方案選擇

根據工程地質情況，若采取換填方式進行地基處理，應對全部②-1地層進行換填并對基礎下部的②-2、③-1、③-2層沉降及穩定復核；若采用復合地基施工，可采用高壓旋噴樁、水泥攪拌樁濕法或CFG樁，樁端持力層選用③-3砂卵礫石層作為持力層。

采用水泥攪拌樁加固地基，因②-1地層為流塑狀淤泥及淤泥質土，不宜作為攪拌樁施工地層，故可采用砂樁施工原理，通過在原樁位點施工不小于攪拌樁設計樁徑規格的砂樁，施工深度為穿透②-1層且進入下一地層0.5 m，使用中砂將樁身部位原本的淤泥、腐殖質置換掉，隨后再施工水泥攪拌樁，相當于水泥漿液直接與中砂結合，形成固結效果更好的水泥砂漿，大幅提升了成樁質量與復合地基承載力。

采用換填方式處理地基，開挖換填深度約為1.10～11.60 m，成本極大，而采用復核地基施工，高壓旋噴樁成本為339元/m，CFG樁成本為202元/m，均高于砂置換型水泥攪拌樁144元/m；并且砂置換型水泥攪拌樁既可以應用于聯排樁防滲墻，又可應用于單樁加固地基，滿足該工程對于防滲及復合地基承載力的需求，而CFG樁常用施工單樁，高壓旋噴樁常用施工聯排樁防滲墻，砂置換型水泥攪拌樁進行軟土地基處理兼顧兩者的優點，可以避免施工機械反復進場產生的費用。

4 砂置換型水泥攪拌樁的技術指標

1) 砂置換型水泥攪拌樁，采用樁徑為Φ600 mm的水泥攪拌樁+砂樁，布設于建筑物底板下，采用正方形格柵式布樁，樁的縱橫間距為1.2 m，先打Φ600 mm砂樁穿透淤泥層，再在砂樁位置大Φ600攪拌樁穿透淤泥層進入③-3層(或③-2層)1.0 m，平均樁長為7.5～15 m，在底板下設0.4 m厚砂碎石墊層。

2) 砂樁施工用砂為中砂，相對密度不小于0.7；砂樁樁徑為Φ600 mm，樁底須穿透淤泥層且進入下一地層50 cm；樁位偏差要求小于50 mm，垂直度允許偏差小于1%，樁徑、樁長不小于設計值。

3) 水泥攪拌樁樁徑為Φ600 mm，攪拌樁采用水泥強度等級為42.5及以上的普通硅酸鹽水泥，水泥摻合量不小于20%，攪拌樁采用濕法施工，“四攪四噴”施工工藝，攪拌樁鉆進速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。樁位偏差要求小于50 mm，垂直度允許偏差小于1%，樁徑、樁長不小于設計值。攪拌樁施工前應試樁，其目的是為現場的基礎處理尋求最佳的攪拌次數、確定水泥漿的水灰比，泵送間時、泵送壓力、攪拌機提升速度、下鉆速度以及復攪深度等參數[1]。

4) 水泥攪拌樁樁身完整性、均勻性、無側限抗壓強度應滿足設計要求。具體要求為：成樁7 d后，采用淺部開挖樁頭(深度宜超過停漿面下0.5 m)，目測檢查攪拌的均勻性，量測成樁直徑，檢查數量不少于總樁數的5%[2]。

5) 攪拌樁的樁身強度(現場取芯)其90 d齡期單軸無側限抗壓強度：5 m以內不小于1 000 kPa；5～10 m以內不小于800 kPa；10 m以上不小于600 kPa。其28 d齡期單軸無側限抗壓強度應不小于90 d凝期相應強度的80%。

6) 靜荷載試驗宜在成樁28 d后進行。水泥土攪拌樁復合地基承載力檢驗應采用復合地基靜荷載試驗，載荷試驗參照《粉體噴攪法加固軟弱土層技術新規范》附錄D[3]進行。水閘復合地基承載力標準值為135 kPa。

5 試樁及成果

5.1 施工設備選擇

根據設計要求的樁長及樁徑，砂樁施工選用DZ55KB型砂樁機。該砂樁機主卷揚拉力為8 t，副卷揚拉力為3 t，功率為90 kW，樁架形式為液壓步履式、圓管，提升和下沉速度為0.5～2 ms。水泥攪拌樁施工,選用武漢工程機械研究所制造的PH-5型攪拌樁機。該鉆機鉆速為27.0～80 r/min，提升速度為0.5～1.7 m/min，行走方式為液壓步履式，配備灰漿攪拌機、灰漿泵、壓力表、輸漿管等。

水泥攪拌樁機可連接泥漿流量記錄儀，電子測量鉆孔深度、鉆進和提升時間以及噴漿量等參數，避免人工測量和記錄誤差，提高了結果的準確性。

5.2 試樁過程

1) 選取9根試驗樁，分3組，每組水泥摻合量分別取22%(93.25 kg/m)、21%(89.02 kg/m)和20%(84.78 kg/m)，水泥攪拌樁試樁攪拌下沉、提升速度和重復攪拌下沉見表2。

表2 水泥攪拌樁試樁鉆進提升速度 m/min

2) 水灰比按0.55，采用四攪四噴施工工藝，在鉆進至樁底時，保持深度不變持續噴漿攪拌30 s磨樁頭，然后按試樁速度噴漿攪拌提升。

3) 試樁施工嚴格按試樁參數配置泥漿，控制鉆進速度，并結合泥漿流量記錄儀控制速率和噴漿量。

5.3 施工工藝流程

先進行砂樁施工，通過砂樁機的振錘將一定直徑的套管打入設計深度，套管口為活頁設計，提升時則打開，下沉則關閉。再將砂從料斗中灌入套管，按照計算灌砂量的1.4倍進行灌入(拔管過程中進行補砂)，提升套管，下部活頁口打開，中砂混合水從開口處滑出并振沖密實，待套管完全提上地面，砂樁施工完成,平整場地后再進行水泥攪拌樁施工[4]。

1) 樁位放樣

根據布樁圖，用全站儀確定施工范圍、樁位基線，布置樁點，控制樁位，以利于及時校核樁位。放好樁位后，按樁的施工順序移動攪拌樁機到達指定樁位，鉆頭對中。攪拌機定位應保持水平，攪拌軸應垂直，其傾斜度不得大于1%。

2) 漿液配置

按試樁設計參數配置漿液，單根樁所需的水泥漿盡量1次拌制完成。1次拌不完，根據總量分次拌制完成。深層攪拌樁預攪下沉的同時，后臺拌制水泥漿液，待壓漿前將漿液放入集料斗中[5]。

3) 噴漿攪拌下沉

啟動深層攪拌樁機轉盤，待攪拌頭轉速正常后，方可使鉆桿沿導向架邊下沉邊攪拌，下沉速度可通過檔位調控，工作電流不應大于額定值。

4) 噴漿攪拌提升

下沉到達設計深度后，保持深度不變原地持續噴漿攪拌30 s后反轉勻速提升，使漿液和土體充分拌和。

5) 重復噴漿攪拌下沉和提升

攪拌鉆頭提升至樁頂以上500 mm高后，重復噴漿攪拌下沉、提升，下沉、提升速度按設計要求進行。保證樁身質量。

6) 清洗

施工完成后，提升鉆桿及鉆頭，進行低壓射水，清洗管路中的殘漿和樁頭軟土。

7) 移位

鉆機鉆頭提升出地面后，鉆機移位至下一樁位，按上述步驟進行下一根樁的施工。

6 試樁施工效果及出現問題的分析與解決

質量檢測單位采用鉆芯法對試驗樁進行質量檢查，發現樁身完整性存在問題，表3為試驗樁質量檢查結果。

表3 試驗樁質量檢查

6.1 出現質量問題原因分析

1) 淤泥層不合格原因分析為攪拌提升和下層速度過快，攪拌不均勻。

2) 粘土層土體塑性指數大，且為進行砂置換，水泥漿液和粘土攪拌不充分，結合性差，導致樁身完整性差。

3) 砂卵礫石層成樁效果差，多處未發現完整芯樣，分析為該地層地下水較豐富，水泥漿液在固結前被地下水稀釋，無法形成完整樁身。

6.2 解決方案

1) 控制水泥攪拌樁下沉和提升速度，攪拌樁鉆進速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。

2) 仍然采用四攪四噴施工工藝，但在粘土層加1次攪拌次數，采用如圖2示意的“六攪六噴”施工工藝。

圖2 六攪六噴施工工藝示意

3) 砂卵礫石層地下水較豐富，經再次試樁確定在水泥漿中添加水玻璃，加快水泥攪拌樁成樁速度，水玻璃摻量通過2次試樁確定。同時輔以輕型真空井點降水，降低地下水位。

6.3 第2次試樁

第2次試樁同樣進行9根試驗樁施工，分3組，每組3根，水泥參量、鉆進和提升速度按第1次試樁參數控制，水玻璃參量按3‰、4‰、4.5‰進行試驗，粘土層全部采用六攪六噴，其他施工工藝不做調整。

6.4 試樁成果

試樁施工28 d后，質量檢測單位對試驗樁進行鉆芯法檢測，根據檢測結果，選用工程樁施工參數為：水泥用量為93.25 kg/m，水灰比為0.55，水玻璃參量為4‰，采用四攪四噴施工工藝(粘土層采用“六攪六噴”施工工藝)，下鉆速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。圖3為試樁鉆芯法檢測芯樣。

圖3 試樁芯樣示意

7 工程施工效果及質量檢測情況

1) 鉆芯法檢測

根據試樁確定的攪拌樁施工工藝和施工參數進行工程樁基礎施工。按設計圖紙要求，攪拌樁成樁90 d后隨機現場抽取1%的水泥攪拌樁進行鉆芯法檢測。抽取不同部位檢測，工程樁樁身完整性及強度均滿足設計要求。鉆芯法檢測結果見表4。

表4 鉆芯法檢測結果

2) 復合地基載荷試驗檢測

按設計要求，現場同時對水閘、船閘攪拌樁復合地基進行復合地基靜載荷試驗，檢測攪拌樁的承載力[3]。試驗荷載按設計要求按公式(1)計算。

試驗荷載=承壓板面積×實驗部位復合地基承載力要求×2.5(安全系數)

(1)

經現場試驗檢測，水閘復合地基承載力特征值不小于135 kPa，船閘復合地基承載力特征值不小于180 kPa，滿足設計要求。圖4為現場樁基驗收照片。

8 結語

在水泥攪拌樁無成樁條件或成樁條件差的淤泥層中，先行施工規格不小于水泥攪拌樁設計樁徑的砂樁，使用中砂將地層中的淤泥、腐殖質、貝類碎片置換，以此改變水泥攪拌樁的施工條件，再于原樁位施工水泥攪拌樁，使水泥漿液與中砂結合成樁，兩者結合可以大幅提高成樁質量。

圖4 樁基礎驗收示意

通過施工砂置換型水泥攪拌樁施工方法處理該工程軟基，有效解決了淤泥層水泥攪拌樁施工質量差的難題，大幅提高了復合地基的承載力，節約了施工成本。對于類似軟土地基條件下施工水閘、堤防等建設工程，砂置換型水泥攪拌樁有顯著的應用價值。