多頭小直徑攪拌樁在某閘站工程防滲圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

支銘偉，盧 林

(1.江蘇為行環(huán)境科技有限公司，江蘇 靖江 214500；2.江蘇神禹建設(shè)有限公司，江蘇 靖江 214500)

1 概 述

水閘作為水利工程的樞紐型建筑物，其安全穩(wěn)定的運(yùn)行直接影響著水利工程安全性與使用效果[1]。基坑開(kāi)挖與支護(hù)直接決定了基礎(chǔ)工程的穩(wěn)定性，針對(duì)基坑開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家進(jìn)行了大量的研究[2-5]。基坑支護(hù)常面臨圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過(guò)低及監(jiān)測(cè)不及時(shí)而導(dǎo)致變形量過(guò)大的基坑坍塌事故[6]和圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗?jié)B性不足的基坑滲水等工程地質(zhì)問(wèn)題[7]，對(duì)基坑安全施工與工程質(zhì)量造成了較大的威脅。多頭小直徑攪拌樁因?yàn)槠涫┕し奖恪⒉牧辖?jīng)濟(jì)和處理效果良好，被廣泛的應(yīng)用于地基處理與基坑支護(hù)工程[8-9]。如何有效評(píng)價(jià)多頭小直徑的應(yīng)用效果，成為眾多研究人員關(guān)注的問(wèn)題。本文在分析多頭小直徑攪拌樁工藝流程的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)場(chǎng)水泥土攪拌樁為例，對(duì)多頭小直徑攪拌樁在防滲圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

2 施工工藝

2.1 工藝原理與工藝流程

多頭小直徑攪拌樁是指以水泥作為固化劑，借助特定的攪拌機(jī)械，邊鉆進(jìn)邊往軟土中噴射漿體或者霧狀粉末，通過(guò)鉆頭旋轉(zhuǎn)攪拌，使噴射出來(lái)的固化劑與軟土充分?jǐn)嚢杞Y(jié)合，此過(guò)程中固化劑與軟土發(fā)生一定的物理化學(xué)反應(yīng)而生成特有的水化物，水化物膠結(jié)并與周邊的土壤顆粒發(fā)生交換，因?yàn)榱；c凝結(jié)硬化作用而形成具有一定強(qiáng)度的樁柱體。通過(guò)一定的工藝手段，將這些具有一定強(qiáng)度的樁柱體相互咬合排成一列，形成一個(gè)條狀整體，以此達(dá)到提高地基防滲能力和地基承載力的效果。

多頭小直徑攪拌樁具體的施工工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 多頭小直徑攪拌樁工藝流程圖

2.2 具體工藝與注意事項(xiàng)

根據(jù)多頭小直徑攪拌樁的成樁原理與施工工藝，可以將多頭小直徑攪拌的施工步驟分為如下幾步，詳見(jiàn)表1，多頭小直徑攪拌樁造墻工藝見(jiàn)圖2。

表1 多頭小直徑攪拌施工步驟

圖2 多頭小直徑攪拌樁造墻過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施多頭小直徑攪拌樁造墻工藝時(shí)，需要從原材料生產(chǎn)到具體實(shí)施全過(guò)程進(jìn)行管控，注意事項(xiàng)如下：①施工前試樁：多頭小直徑攪拌樁受地質(zhì)條件影響大，應(yīng)該在現(xiàn)場(chǎng)施工前通過(guò)對(duì)施工區(qū)進(jìn)行試樁以確定合理的漿液配合比及單樁水泥漿用量。②漿體制作過(guò)程：此過(guò)程需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求，將滿足質(zhì)量要求的原材料放入攪拌機(jī)制漿，此階段漿體攪拌時(shí)間不小于3 min，以確保漿體的均勻性，漿體制作完成后放入專(zhuān)門(mén)的漿體儲(chǔ)存罐，存放時(shí)間不大于4 h，存放過(guò)程中要定時(shí)對(duì)漿體的稠度進(jìn)行檢查，確保漿體質(zhì)量滿足要求。③水泥漿攪拌過(guò)程：伴隨鉆機(jī)下鉆，水泥漿噴射攪拌過(guò)程盡量避免加水，如現(xiàn)場(chǎng)土層孔隙過(guò)大，水泥漿擴(kuò)散太遠(yuǎn)，影響樁體質(zhì)量和水泥漿用量時(shí)候，可以適當(dāng)加水助拌，多頭小直徑攪拌樁施工過(guò)程中注漿壓力不可太大，一般控制小于0.3 MPa。④樁身控制：樁機(jī)鉆桿垂直度直接決定墻體的垂直度，因此設(shè)備安裝完成之后要采用經(jīng)緯儀對(duì)鉆桿導(dǎo)向滑軌的垂直度進(jìn)行校核，確保墻體垂直度達(dá)標(biāo)。⑤樁徑控制：多頭小直徑攪拌樁施工過(guò)程中，每個(gè)單元施工過(guò)程中要至少測(cè)量2次鉆桿直徑，確保鉆桿直接變化在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，保證多頭小直徑攪拌樁造墻厚度均勻。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

靖江市新小橋港南起長(zhǎng)江，北至橫港，通過(guò)鹽靖河相連接。新小橋港閘站的建設(shè)可以充分發(fā)揮橫港的調(diào)度作用，與下六圩等其他通江河道及口門(mén)控制工程聯(lián)合運(yùn)行，增加鹽靖河南段區(qū)域外排入江能力，提高沿江工業(yè)園區(qū)的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)改善區(qū)域水環(huán)境。

項(xiàng)目擬建閘站位于新小橋港入江口，采用閘站結(jié)合方式，分為節(jié)制閘和泵站工程，節(jié)制閘為單孔，閘孔凈寬5.0 m，胸墻底高程3.00 m，閘頂高程7.2 m,底板面高程-1.0 m，閘門(mén)采用直升式平面鋼閘門(mén)配卷?yè)P(yáng)機(jī)。泵站共3孔，單寬為4.0 m，泵站設(shè)計(jì)流程為20 m3/s。控制閘門(mén)采用4.0×2.0 m直升式平面鋼閘門(mén)。擬建岸墻工程北起閘站工程下游側(cè)翼墻，共9節(jié)岸墻，均采用無(wú)錨板樁結(jié)構(gòu)，東側(cè)墻長(zhǎng)180.22 m，西側(cè)墻長(zhǎng)173.46 m，岸墻前沿設(shè)計(jì)頂高程為3.5 m，岸墻與堤頂?shù)缆凡捎?∶2.5混凝土護(hù)坡銜接堤頂?shù)缆罚访娓叱?.0 m。

現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，擬建工程地基土分布依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉土夾粉砂，平均厚度達(dá)9.95 m，土體工程性質(zhì)差，不適合作為建筑物持力層。因此，決定將基礎(chǔ)范圍內(nèi)土層開(kāi)挖，采用多頭小直徑攪拌樁對(duì)地基進(jìn)行加固，并采用直徑40 cm的水泥土攪拌樁作為防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)，樁底標(biāo)高-9.0 m，間距0.225 m，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中對(duì)攪拌樁進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

3.2 應(yīng)用效果分析

水泥土攪拌樁防護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施完成后，分別對(duì)樁身變形量、滲透系數(shù)及樁體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

通過(guò)在水泥土攪拌樁樁頂設(shè)置的多個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中樁頂水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基坑開(kāi)挖過(guò)程中水泥土攪拌樁樁頂水平位移檢測(cè)值

由表2得到基坑開(kāi)挖與回填期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 基坑開(kāi)挖與回填期圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移變化圖

由圖3可以得到，水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成以后，基坑開(kāi)挖過(guò)程中及基坑開(kāi)挖完成之后一段時(shí)間內(nèi)，水泥土攪拌樁樁頂位移隨著基坑開(kāi)挖深度逐漸增大，樁頂水平位移逐漸增大；當(dāng)基坑開(kāi)挖完成后，水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移處于穩(wěn)定階段；當(dāng)基坑開(kāi)始回填時(shí)，水泥土攪拌樁樁頂水平位移出現(xiàn)小幅度收縮，整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移最大偏移量為25.8 mm。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋娱_(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)受單側(cè)土壓力越來(lái)越大，導(dǎo)致水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平位移，當(dāng)基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后，水平土壓力也逐漸趨于穩(wěn)定，水泥土攪拌樁處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，水平位移不再繼續(xù)增大，基坑回填狀態(tài)，水泥土攪拌樁處于動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡狀態(tài)，兩側(cè)土壓力差值逐漸減小，使得水泥土攪拌樁水平位移減小。

水泥土攪拌樁滲透測(cè)試實(shí)驗(yàn)在抗?jié)B儀上進(jìn)行，滲透系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中：k為滲透系數(shù)，cm/s；ηγ為溫度修正系數(shù)；Q為斷面流量檢測(cè)值，cm3/s；A為試塊斷面面積，cm2；L為滲流路徑；△H為壓力水頭，cm。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 攪拌樁滲透系數(shù)

由現(xiàn)場(chǎng)滲透儀測(cè)試結(jié)果可以看出，水泥土攪拌樁上部滲透系數(shù)大于下部滲透系數(shù)，其中樁頂0.5 m范圍內(nèi)有樁身完整性較差，導(dǎo)致測(cè)量的滲透系數(shù)達(dá)到1.75×10-4。隨著水泥土攪拌樁深度增加，下部樁體密實(shí)度和養(yǎng)護(hù)條件較上部樁體有較為明顯的上升，表現(xiàn)為下部樁體滲透系數(shù)出現(xiàn)明顯下降，在樁身8.0～9.0 m處，水泥土攪拌樁滲透系數(shù)平均值為4.1×10-9cm/s。

水泥土攪拌樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，分別在攪拌樁不同深度取樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到水泥土攪拌樁抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)圖4。

圖4 攪拌樁強(qiáng)度與深度之間關(guān)系

由圖4可以得到，水泥土攪拌樁整體強(qiáng)度隨取樣深度的增大，呈現(xiàn)先增加后穩(wěn)定的趨勢(shì)。當(dāng)取樣深度為0.5～1.0 m時(shí)，水泥土攪拌樁強(qiáng)度為2.54 MPa，當(dāng)取樣深度大于等于2.5 m時(shí)，水泥土攪拌樁強(qiáng)度穩(wěn)定在3.2 MPa左右。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因?yàn)闃扼w下部密實(shí)度與養(yǎng)護(hù)條件較上部樁體更好，這一點(diǎn)驗(yàn)證了水泥土攪拌樁滲透系數(shù)的變化規(guī)律。

綜合水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移變形、樁體滲透系數(shù)及樁體強(qiáng)度變化，依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)規(guī)范，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 水泥土攪拌樁應(yīng)用效果對(duì)比

由表4可以得出，水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移最大為25.8 mm，小于規(guī)范要求30 mm；水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)范圍為1.0×10-7～-9，小于規(guī)范要求1.0×10-6；水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa，大于規(guī)范要求1.0 MPa，由此說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)多頭小直徑水泥土攪拌樁應(yīng)用效果較好。本文針對(duì)多頭小直徑水泥土攪拌圍護(hù)結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的研究可為類(lèi)似工程開(kāi)展提供參考。

4 結(jié) 論

多頭小直徑攪拌樁作為基坑處理和基坑支護(hù)常用的樁機(jī)類(lèi)型，具備經(jīng)濟(jì)成本低、適用性廣和處理效果明顯等特點(diǎn)，以靖江市新小橋港新建閘站為基礎(chǔ)，對(duì)多頭小直徑攪拌樁的施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

1) 分析了多頭小直徑攪拌樁施工工藝流程，得到了多頭小直徑攪拌樁施工過(guò)程中各道施工工藝的詳細(xì)做法，總結(jié)了多頭小直徑攪拌樁實(shí)施過(guò)程中工藝流程控制手段。

2) 水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移在基坑開(kāi)挖、穩(wěn)定與回填階段中，表現(xiàn)為先增加、后穩(wěn)定、再小幅度收縮現(xiàn)象；水泥土攪拌樁上部滲透系數(shù)大于下部滲透系數(shù)，抗壓強(qiáng)度規(guī)律與滲透系數(shù)相反，這與樁體密實(shí)度與養(yǎng)護(hù)條件直接相關(guān)。

3) 依據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106-2014)要求，水泥土攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂位移最大值、滲透系數(shù)與抗壓強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，說(shuō)明多頭小直徑水泥土攪拌樁應(yīng)用效果較好，可為類(lèi)似工程開(kāi)展提供參考。