某排澇站地基處理深層水泥攪拌樁施工工藝探討

張文擴(kuò)

(棗莊市勝利渠管理服務(wù)中心，山東 棗莊 277100)

不良地基處理效果，是決定建設(shè)工程安全穩(wěn)定的關(guān)鍵之一，與工程竣工后投入運(yùn)行情況息息相關(guān)。如果處理不當(dāng)，將會(huì)給建設(shè)工程帶來(lái)巨大安全隱患，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。當(dāng)前，深層水泥攪拌樁技術(shù)是不良地基處理常見(jiàn)技術(shù)手段之一，在建筑、市政、水利等工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，效果良好[1- 4]。結(jié)合某排澇站工程案例，主要介紹深層水泥攪拌樁施工工藝流程和質(zhì)量控制措施，可以增強(qiáng)不良地基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和整體性，以供類似地質(zhì)條件的軟基處理參考。

1 深層水泥土攪拌樁技術(shù)特點(diǎn)

深層水泥土攪拌法是使用水泥石灰等膠凝材料作為固化劑，使用專門(mén)的深層攪拌機(jī)械設(shè)備，在地基土體中一邊鉆進(jìn)，同時(shí)噴射水泥漿等固化劑，邊旋轉(zhuǎn)提升攪拌，使水泥漿等固化劑與土顆粒充分?jǐn)嚢杌旌希管浲劣步Y(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的水泥土或灰土樁柱體，在建筑物單一地基中形成復(fù)合地基，以達(dá)到加固不良地基的目的。深層水泥土攪拌樁主要用于建筑物的軟弱地基加固，在水利工程中，如泵站、堤防、水閘等水工建筑物中應(yīng)用廣泛。在實(shí)際施工應(yīng)用中，攪拌樁直徑常為0.5～0.8m，可加固地基深度為5～18m，可以提高到原地基承載力的1～2倍[5]。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，可把攪拌樁排列布置成正方形、三角形、條形、梅花形等諸多形式，并且不受復(fù)合地基置換率的限制。主要適合于加固淤泥質(zhì)土、淤泥和含水量較高而地基承載力小于140kPa的黏性土、粉土、粉質(zhì)黏土、砂土等軟土地基。

2 某排澇站工程概況

某排澇站工程設(shè)計(jì)流量為16.3m3/s，選用4臺(tái)立式軸流泵，配套4臺(tái)立式同步電機(jī)，單機(jī)配套功率為400kW，總裝機(jī)容量為1600kW。泵站采用堤后式布置，正向進(jìn)出水方式。主體工程進(jìn)水閘及其兩側(cè)翼墻、前池進(jìn)水池兩側(cè)邊墻、主泵房并壓力水箱、控制閘、穿堤涵、防洪閘及其出口兩側(cè)翼墻等建筑物基底位于③層砂壤土，需進(jìn)行地基處理。排澇站基礎(chǔ)以下約7～8m依次為砂壤土、輕粉質(zhì)壤土、中粉質(zhì)壤土及細(xì)砂。主要地基持力層的承載力標(biāo)準(zhǔn)值為90～115kPa，天然地基承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排澇站地基承載力的要求，各層土體主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

根據(jù)表1中各層土體主要物理力學(xué)指標(biāo)，該地質(zhì)情況屬于典型軟弱土基，符合深層水泥攪拌樁適用條件。在需要加固的排澇站基礎(chǔ)以下，計(jì)劃采用該方法加固不良地基，解決天然地基承載力偏低的難題。要求攪拌樁底分別穿透砂壤土、輕粉質(zhì)壤土，進(jìn)入⑤層中粉質(zhì)壤土，選擇中粉質(zhì)壤土作為攪拌樁的持力層。攪拌樁按梅花形布置，有效樁長(zhǎng)控制在5.5～6.0m之間，樁直徑選用0.5m，樁間距按0.95～1.10m控制，選擇等級(jí)42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，水泥摻和比不低于15%[6]。

表1 各層土體主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 深層水泥土攪拌樁加固地基應(yīng)用分析

3.1 施工前攪拌樁組織籌備工作

在攪拌樁成樁施工前，地質(zhì)勘察單位應(yīng)該對(duì)各施工區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)勘察，提供準(zhǔn)確詳實(shí)的地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，施工單位在施工現(xiàn)場(chǎng)選擇具有一定代表性的土層和位置，按規(guī)范要求鉆孔取出一定數(shù)量的試驗(yàn)土樣，軟土要進(jìn)行必要的含水量、有機(jī)質(zhì)含量、物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和水泥土配合比強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證軟弱土基的物理力學(xué)性質(zhì)和原設(shè)計(jì)深層水泥土攪拌樁實(shí)際試驗(yàn)強(qiáng)度能否滿足設(shè)計(jì)要求[7- 11]。

正式施工前，施工單位應(yīng)遵照施工圖紙的規(guī)定，進(jìn)行成孔或成樁試驗(yàn)，以檢驗(yàn)施工參數(shù)和工藝合理性，確定固化劑漿液的輸漿量、輸漿的工作壓力、配比和與之相適用匹配的鉆頭提升、下沉速率，以及允許最大電流限值、鉆進(jìn)持力層時(shí)的孔底電流值、噴停漿時(shí)間等施工參數(shù)[12]。成樁試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，并應(yīng)將試驗(yàn)成果報(bào)送監(jiān)理單位。成樁工藝試驗(yàn)樁不宜小于5根。

3.2 攪拌樁施工工藝流程

本項(xiàng)目攪拌樁施工采用了單頭深層攪拌樁機(jī)，采用四次攪拌(下、上各兩次)二次噴漿成樁工藝。施工工藝基本流程為：攪拌樁機(jī)就位對(duì)準(zhǔn)→預(yù)攪下沉至設(shè)計(jì)孔底，噴水泥漿攪拌→攪拌噴漿提升至設(shè)計(jì)頂高程0.3m以上→下沉重復(fù)攪拌→提升噴漿重復(fù)攪拌至孔口→成樁完畢。

(1)攪拌樁機(jī)就位對(duì)準(zhǔn)。將攪拌樁機(jī)和配套支撐設(shè)備安裝到位，移動(dòng)校平機(jī)器，并使鉆頭與打樁孔的位置對(duì)齊。

(2)鉆進(jìn)攪拌。啟動(dòng)攪拌樁驅(qū)動(dòng)器，鉆頭正向向下旋轉(zhuǎn)，并執(zhí)行鉆孔操作。鉆孔至設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)或土層位置后，保持原有位置噴水泥漿半分鐘，然后鉆頭反向轉(zhuǎn)動(dòng)以均勻速度向上提升。

(3)攪拌噴漿提升。攪拌頭從設(shè)計(jì)樁底的底部反向旋轉(zhuǎn)，以均勻的速度攪拌并提至設(shè)計(jì)頂高程0.3m以上，并噴射水泥漿。

(4)重復(fù)鉆進(jìn)和攪拌至設(shè)計(jì)孔底。

(5)重復(fù)攪拌噴漿提升直至孔口。

(6)成樁完畢，樁機(jī)移位。樁制作成型后，將鉆頭提升至地面，啟動(dòng)注漿泵，將管道中剩余的水泥漿清洗干凈，然后將攪拌樁機(jī)移至另一個(gè)樁位置進(jìn)行施工。

3.3 攪拌樁施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)清理整平施工現(xiàn)場(chǎng)

深層攪拌法的施工現(xiàn)場(chǎng)首先應(yīng)清理整平，清除樁位上方和下方所有的障礙物(包括塊石、樹(shù)根、生活垃圾和雜物等)。當(dāng)施工場(chǎng)地較為低洼時(shí)，應(yīng)當(dāng)回填黏性土料，嚴(yán)禁回填雜填土。施工成樁機(jī)具和設(shè)備工作地面高程應(yīng)高出設(shè)計(jì)樁頂高程至少0.5m。

(2)樁位放樣

鉆孔前根據(jù)樁位設(shè)計(jì)平面圖準(zhǔn)確測(cè)放軸線和樁位，并用竹簽或木樁標(biāo)定，樁位布置與設(shè)計(jì)圖紙誤差不得大于5cm。嚴(yán)禁一邊施工一邊放樣。

(3)樁機(jī)定位、對(duì)中和調(diào)平

測(cè)放好攪拌樁位置后，將攪拌樁機(jī)移動(dòng)到指定的樁位置并居中。應(yīng)水平且牢固地安裝樁機(jī)，并且保證樁機(jī)底部平坦且?guī)в姓砟尽８叱炭刂凭€在打樁機(jī)上測(cè)量出來(lái)并用紅色油漆涂上，劃出深度刻線標(biāo)在機(jī)架上。用經(jīng)緯儀或線錘雙向控制導(dǎo)向架的垂直度，調(diào)整導(dǎo)向架的垂直度，確保設(shè)備水平并且導(dǎo)架垂直。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范要求，攪拌樁的豎向偏差不得超過(guò)1%，攪拌樁位置的偏差不得超過(guò)0.05m。經(jīng)質(zhì)量檢查符合要求后方可允許開(kāi)鉆。

(4)攪拌下沉

下鉆時(shí)，噴漿口到達(dá)地面線電腦時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，可以通過(guò)電流表的電流監(jiān)控來(lái)控制攪拌軸下沉?xí)r的速度，并且工作電流不能大于額定限制電流值。

嚴(yán)格控制下鉆深度，噴樁應(yīng)穿透軟弱土層進(jìn)入強(qiáng)度較高的持力土層，并且穿入持力土層0.5m。除參考地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)外，還應(yīng)根據(jù)鉆頭下降時(shí)電流表的讀數(shù)確定持力層的深度。電流表的電流讀數(shù)明顯上升，表明施鉆已進(jìn)入硬土層，如果持續(xù)長(zhǎng)度超過(guò)0.5m以上，則表明施鉆進(jìn)入了持力層。如果實(shí)際樁長(zhǎng)與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)不匹配，則應(yīng)該分以下情況進(jìn)行處置：

①如果實(shí)際樁長(zhǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)樁的長(zhǎng)度，但是軟弱土層尚未穿透，則應(yīng)繼續(xù)施鉆直至到達(dá)持力層深0.5m。

②如果實(shí)際樁長(zhǎng)未達(dá)到設(shè)計(jì)樁的長(zhǎng)度，并且表明已在硬土層中鉆孔，則應(yīng)繼續(xù)施鉆持力層至少0.5m處深。

③如果施工樁長(zhǎng)與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)不一致，施工單位應(yīng)分析原因并及時(shí)報(bào)告，并由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理確認(rèn)；如果出現(xiàn)施工樁長(zhǎng)與設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)大范圍不符，應(yīng)立刻暫停施工，報(bào)建設(shè)單位及設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

(5)漿液的制備與輸送

水泥攪拌配合比控制參數(shù):水灰比為0.45～0.55、水泥摻量為15%、每米摻灰量為58kg。

在深層攪拌機(jī)預(yù)攪和下沉過(guò)程中，水泥漿在后臺(tái)拌和制作，然后在壓漿之前將水泥漿放入收集料斗中。選擇使用425#普通硅酸水泥均勻攪拌制作水泥漿液，水灰比按照0.50控制。根據(jù)設(shè)計(jì)和規(guī)范要求制備水泥漿，尤其注意控制水泥漿的比重，對(duì)每盤(pán)水泥漿進(jìn)行隨機(jī)檢查，抽檢合格的水泥漿才允許泵送，泵送壓力按0.4～0.6MPa控制；水泥漿攪拌時(shí)間應(yīng)不低于3min，配制好的水泥漿不得出現(xiàn)離析或沉淀現(xiàn)象，水泥漿的儲(chǔ)存時(shí)間最多2h，否則應(yīng)丟棄重新制備。將制備好的水泥漿從攪拌機(jī)倒入儲(chǔ)備漿桶時(shí)，需要對(duì)漿液進(jìn)行過(guò)濾，防止?jié){液結(jié)塊，并清除碎屑雜物。選擇儲(chǔ)備漿桶的容量應(yīng)適當(dāng)，既不會(huì)造成儲(chǔ)備漿液太少而使樁斷，也要避免儲(chǔ)漿桶中殘留過(guò)多的漿液造成原材料浪費(fèi)。

(6)噴漿攪拌提升

攪拌鉆頭下沉攪拌到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，啟動(dòng)灰漿泵原地坐漿30s，將水泥漿壓入軟弱土層中，并以預(yù)先確定的速度(檔位)(0.3～0.5m /min)提起并攪拌均勻，在水泥和土體混合的同時(shí)，連續(xù)噴出水泥漿。為了確保水泥攪拌樁的樁底端、樁頂和樁身的施工質(zhì)量，第一次鉆孔和噴漿時(shí)應(yīng)在樁底端停留至少30s，并對(duì)樁底端進(jìn)行研磨；當(dāng)噴漿口被提升到樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，停止提升，攪拌數(shù)秒，以保證樁頭均勻密實(shí)，停漿面應(yīng)高出樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高0.3m，開(kāi)挖時(shí)再將超出樁頂標(biāo)高部分鑿除。施工期間，要嚴(yán)格控制噴漿起止時(shí)間。開(kāi)鉆后，每個(gè)樁都要連續(xù)性操作，不能中斷噴漿作業(yè)，嚴(yán)禁在不噴漿的情況下冒然抬起鉆桿。儲(chǔ)漿罐內(nèi)的儲(chǔ)漿量不得少于單根樁用量+50kg。如果泥漿儲(chǔ)存量低于上述儲(chǔ)漿量，則不得進(jìn)行下一個(gè)攪拌樁的施工。

(7)重復(fù)攪拌

為了保證軟土和水泥漿拌和得更均勻，有必要再次旋轉(zhuǎn)攪拌軸將攪拌鉆頭下沉到設(shè)計(jì)深度，然后再把攪拌鉆頭提升至地面，上下重復(fù)性攪拌和噴出漿液可以使得軟土層和水泥漿充分混合，使用相同的步驟進(jìn)行二次攪拌下沉、提升攪拌噴漿，施工方法和標(biāo)準(zhǔn)同第一次。當(dāng)攪拌頭提升至設(shè)計(jì)頂高程時(shí)，將灰漿泵關(guān)閉，剛好用完料斗中的水泥漿。

4 結(jié)語(yǔ)

該排澇站竣工投入運(yùn)行至今已有五年，各沉降觀測(cè)點(diǎn)結(jié)果顯示，各點(diǎn)沉降值均勻， 主體建筑物總體沉降量符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。由此可見(jiàn)，該項(xiàng)目水泥土攪拌樁施工工藝達(dá)到了預(yù)期效果，提高了地基的強(qiáng)度和承載能力，保證了主體建筑物的安全穩(wěn)定。水泥土攪拌樁施工成本低，受環(huán)境制約因素少，施工效率高，工期短，技術(shù)成熟，施工質(zhì)量便于控制[13]，該項(xiàng)目水泥土攪拌樁施工工藝可以供其他類似項(xiàng)目地基處理參考，但是水泥攪拌樁加固原理和荷載受力變化有待進(jìn)一步研究分析。在實(shí)踐應(yīng)用中要根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和需要而定，尤其要做好工程前期地質(zhì)勘察， 嚴(yán)格施工過(guò)程中的質(zhì)量管理，確保深層水泥攪拌樁加固效果。