水泥攪拌樁技術在河道整治工程中的應用

丁 乾， 李 益,*， 吳成駿， 龐愛磊， 任林麗

(1.南京市滁河河道管理處， 江蘇 南京 210044； 2.南京市水利投資有限公司， 江蘇 南京 210012)

在水利工程中，特別是河道整治工程建設中常常會遇到軟弱地基問題。水泥攪拌樁技術作為一種軟弱地基加固處理方法，具有工程造價低、對土體擾動小、工藝簡便、效果好等優點。了解、掌握水泥攪拌樁技術在水利工程建設中的工藝要求和應用情況，有利于更好地推進工程建設、推動行業高質量發展。

1 水泥攪拌樁技術

1.1 水泥攪拌樁技術發展

水泥攪拌樁技術是利用水泥作為固化劑，通過特定的攪拌機械將水泥漿和天然土體強制拌和，經過一系列物化反應后，使軟土具有一定強度和剛度，從而達到增強土體的整體性和穩定性的目的[1-2]。

我國的水泥攪拌樁法起步于20世紀70年代。1978年，我國研制出首臺雙軸攪拌機械(SJB-1型)。20世紀90年代，水泥攪拌樁技術進入快速發展期，全國有十幾個省、市、自治區開始應用。近年來，水泥攪拌樁技術在我國不斷擴大應用范圍，尤以長三角、天津、深圳等地城市應用最為廣泛。當前，國內的水泥攪拌樁技術成樁深度可達30 m以上，在工程建設中取得了顯著的經濟和社會效益。

1.2 水泥攪拌樁施工工藝

水泥攪拌樁按主要的施工做法可以分為單軸、雙軸和三軸攪拌樁。根據攪動和噴漿次數不同，又可分為兩攪一噴、四攪兩噴、四攪三噴等等。但無論攪動和噴漿次數多少，其基本的施工工藝流程(圖1)包括：測量定位、樁機就位、鉆進噴漿、提升攪拌、重復噴漿攪拌、重復提升攪拌、成樁完畢，簡述如下：

圖1 水泥攪拌樁施工工藝(四攪兩噴)

步驟1：放線定位：用GPS和圈尺測放工程軸線及樁位，經驗收合格后進行施工。

步驟2：樁機就位：根據設計圖紙的樁位布置，樁機就位對中，并再次復核樁位。施工結束后樁位偏差不大于50 mm，垂直度偏差不大于0.3%。

步驟3：制備灰漿：攪拌機下沉攪拌前，按事先確定的配合比制備灰漿，并在注漿前將水泥漿經過濾網片傾入集料斗中。

步驟4：噴漿下沉：樁機就位對中后，啟動主機使其正向轉動。選鉆頭向下推進擋，以均勻速度，邊下沉邊噴漿邊攪拌，使水泥和土充分攪拌，直至設計深度。

步驟5：攪拌提升：當攪拌機下沉至設計深度后，便以均勻速度提升攪拌，直到設計樁頂標高，即完成二次攪拌加固過程。

步驟6：根據具體攪拌、提升次數，重復步驟4和5。

步驟7：成樁完畢。

1.3 水泥攪拌樁施工質量控制要點

水泥攪拌樁技術對軟基進行處理屬于隱蔽工程，因而在其施工過程中必須抓好質量控制，避免返工。水泥攪拌樁施工的質量控制要點[3-4]主要有：

(1)水泥及水泥漿質量控制。必須使用合格的水泥，嚴格按照配合比制拌水泥漿，漿液供應滿足施工進度要求。保證每根樁所需的漿液1次單獨拌制完成，使用前過篩并在3 h內用完。水泥儲量不少于1根樁的用量，否則不得進行下1根樁的施工。施工前輸漿管路保持潮濕，以利于輸漿。

(2)水泥土攪拌樁垂直度控制。保證起吊設備的平整度和導向架的垂直度，控制水泥土攪拌樁的垂直度偏差不大于1%，樁位偏差不大于5 cm。

(3)噴漿深度及噴漿量控制。嚴格控制鉆機下鉆速度、漿噴深度及停漿面，確保噴漿深度和水泥漿液噴入量達到設計要求。如因意外原因導致噴漿中斷，必須在3 h以內補噴，重疊噴漿深度應在50 cm以上，超過3 h應按照規定重新打樁。確保全樁水泥用量不得少于試樁時確定的水泥用量，每米用漿量誤差不得大于5%。

(4)頂層控制。雙向水泥土攪拌樁在地面以下1 m范圍內應進行2次噴漿攪拌。

(5)施工機械控制。對輸漿管經常檢查，不得泄漏或堵塞，管道長度不得大于60 m。定期檢查鉆頭，保持鉆頭直徑誤差在 -1～3 cm之間。

(6)施工信息化控制。通過全過程監控設備，對不同土層噴漿量、電流等及時進行分析，及時調整下沉、復攪速度以及復攪遍數等參數。

2 實例分析

2.1 工程概況

南京市城東地區某重要通江河道，總長21.65 km。為發揮區域防洪、排澇整體效益，適應地方經濟社會發展，對該河道部分區域進行治理。工程分上、下游2段(上游段J4+675-J6+215，下游段J8+735-J12+240)，主要建設內容為：河道拓浚、堤防加固和配套建筑物拆、改建。河道規劃斷面為梯形斷面(圖2)，地勘資料顯示：工程范圍內普遍分布淤泥質重粉質壤土、重粉質砂壤土、淤泥和重粉質壤土層，土層物理力學指標如表1所示，抗沖刷能力低，易引起河道邊坡沖蝕、坍塌，對河道邊坡穩定不利。

圖2 河道規劃標準斷面圖(單位：m)

表1 主要土層物理力學參數

表2 邊坡穩定計算工況

在進行邊坡穩定性復核時，選取常水位降落期、施工期低水位等2種工況(表2)進行計算。計算結果(表3)表明：在施工期和常水位降落期抗滑安全系數均不滿足要求。結合地勘成果，分析認為工程范圍內普遍分布的淤泥質重粉質壤土是河道邊坡穩定的最不利因素。因此，為解決水位降落期及施工期的邊坡穩定，需要對淤泥質重粉質壤土進行加固處理。

2.2 水泥攪拌樁加固方案及效果

2.2.1 加固方案

加固方案選擇主要從加固改良軟土(滑動面土體)的思路以及設置抗滑措施的角度出發。對于深厚軟土堤基，常用的加固方法有水泥土深層攪拌法、高壓噴射灌漿法、抗滑樁法等。因工程范圍內普遍分布深厚軟土，抗滑樁處理效果不佳，且工程造價高；深攪樁施工機械大，工期較長，但對深厚軟土處理效果好，且工程造價較低。綜合考慮施工工藝和造價，根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2012)，選用水泥土攪拌樁技術加固軟土地基。具體加固方案如表4所示。

表3 堤防邊坡穩定計算結果

表4 軟土地基加固方案

2.2.2 加固斷面穩定性復核

根據《地基處理手冊》[5]相關內容，水泥土的抗剪強度隨其無側限抗壓強度增大而增大，其黏聚力C與無側限抗壓強度qu的比值為0.2～0.3，其內摩擦角變化范圍在20°～30°。加固區的土體參數可按公式(1)、(2)計算。根據室內試驗數據取攪拌樁的黏聚力100 kPa，內摩擦角取25°。由表1原狀土的黏聚力標準值、內摩擦角標準值可計算得出水泥攪拌樁加固后的復核地基的黏聚力標準值以及內摩擦角標準值。

tanφsp=mtanφp+(1-m)tanφs

(1)

csp=(1-m)cs+mcp

(2)

式中：φsp為復合土層內摩擦角標準值(°)；csp為復合土層粘聚力標準值(kPa)；m為面積置換率；φp為樁體材料內摩擦角標準值(°)；cp為樁體材料黏聚力標準值(kPa)；φs為樁間土內摩擦角標準值(°)；cs為樁間土黏聚力標準值(kPa)。

采用加固處理方案后，各工況下堤防邊坡穩定計算結果如表5所示。結果顯示：在施工期和常水位降落期抗滑安全系數均滿足要求。經過水泥土攪拌樁加固后，土體的物理力學指標得到了明顯提高，邊坡的穩定抗滑系數明顯增大，滿足了規范的要求。說明采用水泥土攪拌樁技術加固地基是切實可行的，效果顯著。

表5 加固處理后堤防邊坡穩定計算結果

2.2.3 實施效果

根據加固處理方案，設計單位給出的主要技術指標為：攪拌樁全樁長范圍樁身強度應均勻，28 d無側限抗壓強度標準值不小于0.8 MPa。

施工單位依據方案進行施工，28 d抗壓強度檢測結果如表6所示。

表6 28 d抗壓強度結果

從表6可知：

(1)4種方案中，方案1的抗壓強度最小(0.93 MPa)、方案4的抗壓強度最大(1.39 MPa)，但各方案的水泥攪拌樁的成樁質量均滿足設計要求。

(2)在未添加減水劑的情況下，水泥含量從16%增加到18%時，成樁抗壓強度提高了7.5%，說明水泥含量增加有利于提高成樁質量。

(3)水泥含量為16%時，添加減水劑，成樁抗壓

強度提高了9.7%；水泥含量為18%時，添加減水劑，成樁抗壓強度提高了39%。說明添加減水劑對提高成樁質量有顯著效果。

3 結 語

軟弱地基處理是工程建設中必須予以高度重視的問題之一。特別是軟基上的岸坡無法滿足抗滑穩定要求時，水泥攪拌樁技術是一種經濟又高效的加固方法。水泥攪拌樁技術具有污染小、費用低、施工快、施組便捷等優勢，目前已在公路、鐵路、港口碼頭、市政工程、工業與民用建筑等軟土地基加固中廣泛應用。在水利工程中推廣應用水泥攪拌樁技術，有利于降低工程建設成本、提高工程建設效率，具有重要的現實意義。