釘型水泥土雙向攪拌樁在穿堤泵站軟弱土地基處理中的應用

孟范兵,夏珊珊

(安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況和地質

九里西排澇站位于唐山保莊圩堤防樁號1+471，距東津渡大橋約0.51 km。10年一遇設計抽排流量為2.61 m3/s，裝機功率為300 kW，站涵結合自排和引水灌溉，設計自排流量為3.9 m3/s。位于2級唐山保莊圩堤防上，為堤后式穿堤排澇站，等別為Ⅳ等，堤頂高程為26.0 m，泵房及輸水涵洞底檻高程為15.8 m。

表1 九里西排澇站各土層指標建議值

2 地基處理方案選擇

站址的基建面位于②層淤泥質重粉質壤土中，泵房、壓力水箱、輸水涵洞、上游翼墻及下游U形槽基礎等部位基底應力均大于70 kPa，存在承載力不足和沉降變形問題，且建基面以下②層厚9 m左右，結合建建筑物防滲穩定要求，建議地基處理采用水泥土攪拌樁。

水泥土攪拌樁[1]通過機械將土與水泥強制拌和，土和水泥發生物理化學反應硬結成具有強度較高、水穩性和整體性的水泥土樁，與樁間軟弱土形成復合地基，因此，增大地基承載力，減少地基沉降和加強地基穩定性，適宜處理深15 m以內的軟土。根據水泥摻入狀態不同，分為濕法和干法兩種，一般認為濕法水泥劑量和攪拌均勻容易控制，成樁質量效果好[2]；而干法噴粉量和攪拌質量很難把控，相對濕法成樁質量較差，但干法施工，粉體能吸收軟土的水，適合含水量高的軟土地基[3]。

通過鉆桿旋轉反向，有雙向及單向水泥土攪拌樁兩種施工工藝[4]，單向水泥土攪拌樁有以下缺點：在水平和垂直方向很難把水泥土攪拌均勻；因噴漿壓力、土壓力、孔隙水壓力容易導致水泥漿沿鉆桿上行冒出地面，減少水泥漿摻入量和減弱復合地基承載力。為避免單向水泥土攪拌樁的缺點，研究一種新型釘型水泥土雙向攪拌樁，成樁機械的鉆桿改進為同心雙軸，即外鉆桿上安裝反向旋轉葉片，內鉆桿上安裝噴漿口和正向旋轉葉片，施工中正反向旋轉葉片一起雙向攪拌水泥土，再加上外桿上的葉片反向旋轉的壓漿作用，能避免水泥漿冒出地面，攪拌及水泥漿在樁體中均勻分布易控制，保證樁體質量。

釘形水泥土雙向攪拌樁[5]有下面優勢：樁和擴大頭施工1次完成，操作簡單；通過樁頂荷載和土拱作用，擴大頭能保證樁體和樁間土變形協調，復合地基效果更好；考慮附加應力向下減小特點，增大土體上部復合地基承載力；成樁形似“釘子”，上部擴大頭如承臺一樣，能對褥墊層的要求適當降低；擴大頭作用以及環形對稱邊載效應，利用環形對稱邊載荷擴大頭作用，能增大樁間距，降低投資[6]。

鑒于釘型水泥土雙向攪拌樁[7]在中等厚度軟弱土地基處理上的優勢，采用釘型水泥土雙向攪拌樁對九里西排澇站泵房、輸水涵洞及上下游翼墻進行地基加固處理。

3 水泥土雙向攪樁復合地基處理設計

3.1 攪拌樁布置技術要求

樁長和樁距應根據復合地基承載力和沉降變形滿足建筑物設計要求確定，宜穿過軟弱土層，進入強度相對較高硬土層不小于1.5 m；本工程水泥土攪拌樁水泥摻入比為18%，水泥采用普通硅酸鹽水泥、強度為42.5，水灰比為0.5，樁徑為0.5 m，其中釘型水泥土雙向攪拌樁上部擴大頭直徑為1 m、長度為4 m。

3.2 復合地基承載力確定

1)單樁豎向抗壓承載力特征值Ra

根據《釘形水泥土雙向攪拌樁復合地基技術規程》JG/T 024—2007，當有單樁荷載試驗時，為單樁豎向極限承載力的1/2，當無單樁荷載試驗資料時，按式(1～4)計算。

① 如果樁身強度滿足：

則單樁極限承載力應由下式確定：

(1)

② 如果樁身強度滿足：

則單樁極限承載力應由下式確定：

(2)

③ 如果樁身強度滿足：

則單樁極限承載力應由下式確定：

Ra3=η1fcu,kAp1

(3)

Ra=min{Ra1，Ra2，Ra3}

(4)

式中Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值，kN；fcuk為與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內加固土試塊的90 d齡期的無側限抗壓強度平均值[8]，kPa，本工程為1 800 kPa；η1為擴大頭部分樁身強度折減系數，η1可取0.6～0.8；η2為擴大頭以下部分樁身強度折減系數，η2可取0.5～0.65；qpa為變截面處地基土承載力特征值，kPa；qpb為樁端土地基承載力特征值，kPa；qsi為擴大頭深度范圍內第i層樁周土摩阻力特征值，kPa；qsj為下部樁體第j層樁周土摩阻力特征值，kPa；Ap1、Ap2為分別為擴大頭部分及下部樁體的樁截面積,m2；up1、up2為分別為擴大部分、及下部樁體的截面周長,m；hi、hj為分別為擴大頭深度范圍內第i層、及下部樁體第j層樁周土厚度,m；n1、n2為分別為擴大頭和下部樁體深度范圍內樁周土分層數；α1為變截面處天然地基土承載力折減系數，可取0.8～0.9；α2樁端天然地基土承載力折減系數，可取0.4～0.6。

2)水泥土雙向攪拌樁復合地基承載力fspk

釘形水泥土雙向攪拌樁復合地基承載力特征值，應通過現場復合地基載荷試驗確定，按式(5)估算。

(5)

復合地基置換率m影響復合地基承載力大小，調整樁間距，也相應改變復合地基承載力大小。泵房及壓力水箱底板下釘型水泥土雙向攪拌樁單樁豎向抗壓承載力和復合地基承載力特征值計算過程見表2，泵站各部位單樁豎向抗壓承載力和復合地基承載力特征值計算結果見表3。

表2 泵房及壓力水箱底板下攪拌樁單樁豎向抗壓承載力和復合地基承載力特征值詳細計算過程

表3 水泥土雙向攪拌樁設計成果

3.3 復合地基沉降計算

復合地基沉降由加固區復合土層壓縮變形量S1和樁端下未加固土層的壓縮變形量S2組成[9]，其中加固區復合土層壓縮變形量S1，由擴大頭深度范圍內復合土層壓縮變形量S11和下部樁體深度范圍內復合土層壓縮變形量S12組成，其中S11、S12均由公式(6)計算，S2分由式(7)計算：

(6)

(7)

第i層復合地基的壓縮模量可按下式計算：

Espi=miEp+(1-mi)Esi

(8)

式中P0為作用于底板底面的附加應力,kPa；zi、zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面距離,m；αi、αi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數；Espi、Esi為分別為第i層土復合地基壓縮模量、天然地基土壓縮模量,MPa；Ep為攪拌樁壓縮模量,MPa，可取(150～180)fcu，mi為第i層攪拌樁復合地基置換率；Ψs為復合地基加固區下臥土層壓縮變形量計算經驗系數。

泵站各部位最大沉降量見前文表2，沉降量滿足設計要求。且2020年4月建成至今，對建筑物沉降進行觀測，各部位沉降量為15～35 mm，沉降量及沉降差很小。

3.4 攪拌樁布置

在水泥土攪拌樁與底板之間設置褥墊層[10]，合理調整樁、土受力，保證樁和土共同受力形成復合地基，考慮水利建筑地基的防滲要求，采用摻入比8%的水泥土褥墊層。

根據水泥土雙向攪拌樁復合地基承載力和沉降計算，泵房、壓力水箱及輸水涵洞基礎采用釘型水泥土雙向攪拌樁，上部擴大頭直徑為1 m、下部樁徑為0.5 m，擴大頭長度為4 m，泵房及壓力水箱樁間距為2 m×2 m；輸水涵洞上覆土較厚、基底應力偏大，涵洞基礎攪拌樁采用格構墻布置，達到控制土體側向變形效果；上游翼墻及下游U形槽基礎采用樁徑為0.5 m的水泥土雙向攪拌樁，樁間距為1 m×1 m。各部位攪拌樁均穿過②層淤泥質重粉質壤土、進入強對相對較高的⑤粘土夾礫石層1.5 m。九里西排澇站水泥土雙向攪拌樁地基處理設計成果見前文表3，水泥土攪拌樁復合地基布置見圖1。

圖1 水泥土雙向攪拌樁復合地基布置示意(單位：mm)

4 地基加固的施工技術要求及質量控制

1)水泥采用普通硅酸鹽水泥42.5，質量應符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)國家標準，不得使用過期的和受潮結塊的水泥；設計建議值：水泥摻入比為18%，水灰比為0.5。

2)施工前應根據工藝性試樁情況，確定攪拌樁的施工工藝；水泥土攪拌樁樁位偏差≤50 mm，垂直度偏差≤1.0%。

3)樁底高程以打入基礎持力層不小于1.5 m，控制攪拌樁施工到設計樁頂以上500 mm，在基坑開挖時人工鑿除設計樁頂以上部分，不能損壞樁身[11]。

4)水泥土攪拌樁應在基坑開挖至各部位設計樁頂以上不小于1.5 m基坑面開始施工；當設計樁頂以上不足1.5 m覆蓋層時，應將地面加以平整，回填粘性土料并予以壓實。施工機械應安裝平穩、牢固。

5)水泥土雙向攪拌樁采用四攪兩噴施工工藝。施工過程為樁機定位—噴漿下沉—施工下部樁體—提升攪拌—伸展葉片—切土下沉—二次提升攪拌。

5 加固效果檢驗

攪拌樁施工完成后，經第三方進行了抽檢，水泥土樁身均勻、連續、完整，樁身上、中、下3個不同部位的水泥土無側限抗壓強度值為3.1～4.2 MPa，水泥土攪拌樁樁身在軟土中起到加固增強作用；單樁及復合地基承載力均滿足設計要求。

6 結語

結合工程實例，對釘型水泥土雙向攪拌樁的樁長及布置從復合地基承載力和沉降兩方面進行了理論計算；底板與樁之間設8%水泥土褥墊層以保證樁和土共同承擔上部荷載形成復合地基和站基防滲穩定；通過對地基加固質量檢測，攪拌樁樁身連續、完整及強度均能滿足設計要求，復合地基效果很好。釘型水泥土雙向攪拌樁復合地基處理方式可為中等厚度軟弱土層上的水利工程地基處理提供借鑒，應用推廣價值較好。