懸浮水泥攪拌樁在深厚軟土地基處理中的應用

呂全綱，柳宇凱

1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052

2.湖北省自然災害應急技術中心，湖北 武漢 430071

21世紀以來，我國交通事業愈發飛速發展，城市路網構建逐漸完善，尤其是東部沿海經濟發達地區深厚軟土地基上道路的建設蓬勃發展。目前，處理深厚軟土地基的方法主要有復合地基法和排水固結法。其中，復合地基法主要包括水泥攪拌樁、水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）以及預應力高強混凝土管樁（PHC）等；排水固結法主要有袋裝砂井和塑料排水板等。從施工工期、工程質量、造價等多方面考量，廣東省沿海地區市政道路通常使用水泥攪拌樁；然而實際施工卻受到施工工藝、機械等因素的限制，水泥攪拌樁加固深度超過15m后就難以保證樁體質量，因此建議其一般不宜超過12m；但是軟土深度往往超過20m，水泥攪拌樁很難穿透軟土層，由此懸浮水泥攪拌樁復合地基也就應運而生。懸浮水泥攪拌樁在多個路基填筑高度不大的工程成功使用后，路基的工后沉降和承載力均滿足規范要求，表明懸浮水泥攪拌樁行之有效。文章以佛山市順德區龍盤北路東延線工程為例，論述了低填路基懸浮水泥攪拌樁的應用。

1 項目概況

龍盤北路東延線工程道路全長約為2.541km，擬建道路沿線位于珠江三角洲沖積平原，屬于河口三角洲堆積地貌，場地現狀主要為魚塘、碎石路、拆遷區、施工工地以及河涌等。沿線路段主要的不良地質問題為雜填土、淤泥及淤泥質土。雜填土結構松散，稍濕，土質成分以黏性土為主，含礫、砂土等，土質不均勻，堆填時間小于5年，承載力基本容許值[fao]為70kPa。淤泥、淤泥質土，流塑，微具有腥臭味，含腐殖質，局部夾薄層粉砂，強度低、壓縮性高、靈敏度大，其工程性能差，承載力基本容許值[fao]為50kPa，埋深為15～42m，且大部分集中于20～30m。道路沿線的工程地質情況如表1所示。

表1 土工試驗主要物理力學參數表

文章以項目典型段落K3+880～K3+960為研究對象，該路段道路寬50m，路基填筑平均高度約為2.5m，設計采用水泥攪拌樁等載預壓，等邊三角形布置，直徑為0.5m、間距為1.3m、樁長為12.0m。水泥攪拌樁未穿透軟土層，形成懸浮水泥攪拌樁復合地基。

2 承載力的確定

（1）單樁承載力特征值。水泥攪拌樁單樁承載力特征值應根據現場荷載試驗確定，設計時可按式（1）估算，并且需要滿足式（2）的要求。

式中：Ra為水泥攪拌樁單樁承載力特征值；n為樁長范圍內所劃分的土層數；Upi為第i層土樁的周長；qsi為第i層土的側阻力特征值；li為樁身范圍內第i層土的厚度；α為樁端天然地基土的承載力折減系數；qp為樁端土未經修正的地基承載力特征值；Ap為樁的截面積。

式中：fcu為標準養護條件下90d齡期的水泥土立方體抗壓強度平均值；η為樁身強度折減系數。經計算，該路段水泥攪拌樁單樁承載為84kN。

（2）復合地基承載力特征值。復合地基承載力特征值應通過復合地基靜荷載試驗或采用單樁靜荷載試驗結果和其周邊土的承載力特征值結合經驗確定，設計時可按式（3）估算。

式中：fspk為復合地基承載力特征值；m為面積置換率；β為樁間土承載力折減系數；fsk為處理后樁間土承載力特征值。經計算，該路段水泥攪拌樁復合地基承載為120kPa。

（3）下臥層地基承載力。懸浮水泥攪拌樁地基存在軟臥下臥層，必須驗算軟弱下臥層的地基承載力：

式中：Pz為荷載效應標準組合時，軟弱下臥層頂面處的附加應力值；Pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值；faz為軟弱下臥層頂面處經深度修正后地基承載力特征值。經計算，Pz+Pcz=26.0+214.3=240.3kPa≤faz=274.3kPa。

采用懸浮水泥攪拌樁處理后，單樁承載力、復合地基承載力及下臥層承載力驗算均達到設計標準，滿足要求。

3 沉降量的確定

水泥攪拌樁復合地基的沉降計算包含復合地基加固區的沉降S1計算和加固區下臥層的沉降S2計算。

（1）復合地基加固區的沉降S1可按式（5）和式（6）計算。

式中：Epsi為各分層的樁土復合壓縮模量；ΔPi為地基中各分層中點的附加應力；Δhi為地基中各分層的初始厚度；Ep為樁體壓縮模量；Esi為各分層的土體壓縮模量。

（2）加固區下臥層的沉降量S2可采用分層總和法計算，具體可參考《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）的有關規定。

經計算發現，該路段水泥攪拌樁處理后工后沉降為7cm，滿足規范一般路段工后沉降不大于30cm的要求。

4 水泥攪拌樁施工

（1）施工工藝（四噴四攪）。①水泥攪拌樁樁機運至工地后，先進行安裝調試，待內外鉆桿旋轉、漿泵及計量設施一切調試正常后，樁機移至樁位。攪拌樁樁位偏差小于5cm。②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。③深層攪拌機預攪下沉時，后臺拌制水泥漿液，待壓漿前將漿液放入集料斗中開啟灰漿泵，通過管路送漿至攪拌頭出漿口，邊噴漿攪拌邊預攪下沉。④下沉到達設計深度后，邊噴漿攪拌邊提升鉆桿，使漿液和土體充分拌和直至攪拌鉆頭提升至設計標高。⑤重復步驟③、④。⑥施工完一根樁后，清洗管路及攪拌頭，機具移位，進行下一根樁的作業。

（2）試樁。在進行大面積施工前必須通過現場工藝性試樁，以取得樁體滿足設計要求的各種技術參數和合適的施工方法。每個工點試驗樁根數不小于5根，建議根據不同的水灰比、水泥含量分別設置3組。通過試樁確定以下技術參數：①滿足設計噴入量的各種參數，如鉆進速度、提升速度、攪拌速度、噴漿壓力、單位時間噴入量、兩次噴漿量的分配；②確定攪拌的均勻性，驗證預定的工藝流程；③掌握下鉆和提升的阻力，采取相應的技術措施；④確定軟土含水量和噴漿量的關系，求得最佳噴漿量和漿液的水灰比；⑤一旦確定提升速度，水灰比、空壓機、灰罐和攪拌機不能隨意變動。（供參考的機械參數：鉆進速度v＜1.0m/min；提升速度為0.4～0.8m/min；攪拌轉數r為30～50r/min；鉆進、復攪、提升時管道壓力為0.3～0.4MPa；噴漿時管道壓力為0.50～0.60MPa。）

（3）成樁質量檢測。攪拌樁成樁后由專門的檢測單位進行檢測；攪拌樁在成樁后3d內進行樁身質量檢驗，采用輕便動力觸探方法。復合地基承載力檢驗應采用復合地基靜載試驗和單樁靜載試驗。為評價樁身抗壓強度、含灰量、堅硬程度、攪拌均勻性等指標，施工后需要進行抽芯試驗，一般應隨機抽取，且分布均勻。漿噴樁施工結束28d并經檢驗合格后，方可以填筑路基。

5 水泥攪拌樁處理效果

水泥攪拌樁施工完后，經佛山市質量檢驗監督站檢測顯示，水泥攪拌樁單樁承載力可達120kN、復合地基承載力約為160kPa，均能滿足設計要求。通車2年后的工后沉降約4.8cm，遠小于規范要求的30cm，道路運行狀況良好。

6 結論

（1）懸浮水泥攪拌樁用于深厚軟土填方較低路段，處理效果較好，既能滿足工程質量要求，又能節約部分工程費用，表明在某種程度上可推廣使用。（2）懸浮水泥攪拌未穿透軟土層，實際設計與施工時需要著重考慮軟弱下臥層的承載力及沉降是否滿足要求。