兩重管高壓旋噴樁在泥炭土地基加固中的應(yīng)用

朱建勛

(昆明地鐵建設(shè)管理有限公司，云南 昆明 650000)

0 引言

受典型高原氣候及湖相沉積環(huán)境的影響，在昆明滇池附近及昆明市內(nèi)河流周邊分布著廣泛泥炭質(zhì)土[1]，其含水量(質(zhì)量分數(shù))可達300%，孔隙比達2.85，其物理力學(xué)性質(zhì)極差，不僅天然重度低、壓縮性大、抗剪強度低、有機質(zhì)含量高，還具有較高的靈敏度和較明顯的蠕變特性[2-3]。

目前，有機質(zhì)土的加固工程中較常規(guī)的方法是高壓旋噴樁及三軸攪拌樁兩種形式[4]，但是由于泥炭質(zhì)土有機質(zhì)含量高，腐殖質(zhì)中酸性官能團使土質(zhì)偏酸性的同時還能絡(luò)合高價陽離子形成復(fù)雜有機絡(luò)合物沉淀包裹于土顆粒表面使其具有較強的持水能力[5-6]。可見昆明滇池泥炭土的物理、力學(xué)特性有別于其他有機土，經(jīng)大量的室內(nèi)土工實驗證明，僅采用水泥固化的泥炭土樣膠結(jié)性差、強度低。因此在泥炭土加固中常采用以水泥為主要膠結(jié)劑，添加粉煤灰、石膏、石灰等外摻劑的方式來改良泥炭土的物理、力學(xué)特性。

不少研究者從事泥炭土加固方面的研究工作，并取得了一系列的研究成果。邵俐等[7]研究了水泥、粉煤灰摻入量對高有機質(zhì)土強度發(fā)展的影響，結(jié)果表明：當(dāng)粉煤灰摻入量為12%時，水泥-粉煤灰雙摻可有效地提高有機質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度。李琴等[8]研究了不同配比外摻劑固化泥炭土的效果，發(fā)現(xiàn)外摻劑的加入均會明顯提高固化土的強度。曹佃光等[9]以水泥為主要膠結(jié)材料對隧道洞口的泥炭土進行加固發(fā)現(xiàn)：當(dāng)水泥摻量為20%、石膏摻量為6%時固化泥炭土的抗壓強度得到明顯改善，在一定的抗壓強度需求下，外摻劑的加入能夠節(jié)省水泥用量，降低工程成本。鄭鵬飛等[10-11]對比了單摻水泥與水泥-廢石膏雙摻加固泥炭土的效果，發(fā)現(xiàn)水泥-廢石膏加固泥炭土地基時加固土強度比單摻水泥時明顯提高，能取得單摻水泥加固達不到的技術(shù)經(jīng)濟效果。可見，在泥炭土特性改良中，外摻劑的作用尤為重要，尤其是針對有機質(zhì)含量較高的泥炭土層。

鑒于此，本文以地鐵站基坑泥炭地基土為研究對象，通過現(xiàn)場試樁探討了三種方案固化泥炭土的效果，在考慮工程成本的前提下確定最佳加固方案，并將其運用到昆明軌道交通2號線二期工程廣福路站基坑底部泥炭土層加固。

1 工程概況及難點

昆明軌道交通2號線二期工程廣福路站基坑底部存在大量的泥炭質(zhì)土，如圖1所示，土的主要性質(zhì)為：灰黑色，可塑；其以黏性土為主，含有腐爛的朽木及有臭味，干強度及韌性較好；呈層狀分布，具有高壓縮性，大孔隙比，高含水率等特征。有42個鉆孔揭露該層：層厚1.0 m～8.2 m，平均厚度3.61 m，層面埋深9.5 m～66.0 m，經(jīng)動力觸探得承載力特征值fak=100 kPa，巖土施工工程等級為Ⅱ級，地質(zhì)條件差，地基承載力不足，基底大面積范圍待加固強化。此外，待加固區(qū)存在大量的CFG樁。

地鐵車站建成投入運營后，若由于地基承載力不足產(chǎn)生不均勻沉降，將對行車安全造成極大的危害，并且后期一旦處于運營期，維修加固極其不便。因此該工程的開展亟需克服兩大難點，一為采用何種方式改良泥炭質(zhì)土層使其能達到地基承載力要求的同時還能兼顧工程經(jīng)濟性；二為在不清除CFG樁的情況下如何選擇高效且便捷的加固方式。

2 試樁試驗方案設(shè)計

傳統(tǒng)的三軸攪拌樁在特殊土的加固工程中雖然能滿足要求，但是成本極高，且需要進行大面積清障；而兩重管高壓旋噴樁則是一管噴射高壓空氣沖切、擾動、破壞中密土層，使土顆粒從土層中剝離出來后再與另一管噴射的水泥漿液充分混合，雙重管共同作用加固軟土地基，既可以通過引孔解決清障的麻煩，又較三軸攪拌樁節(jié)省成本，又可達到加固地基或止水防滲的目的，鑒于此該工程擬采用兩重管高壓旋噴樁。

為解決地鐵站基坑地基承載力不足的問題，針對昆明滇池泥炭土的特殊性質(zhì)，提出了三種改良地基泥炭土層的方法，分別為：A組：黏土液改良后采用兩重管高壓旋噴加固；B組：水泥-石膏改良后采用兩重管高壓旋噴加固；C組：直接施作旋噴樁加固。A，B組均是先做一次加固以后再進行水泥漿二次加固，C組則只做了一次加固。試樁過程中，在保證水灰比(w/c=0.8)及其他條件不變的前提下，每種加固方案均采用5種水泥摻入量進行旋噴加固，試樁試驗方案如表1所示。

表1 泥炭土加固方案設(shè)計

現(xiàn)場試樁后對比分析三種加固方案的加固效果，確定最佳加固方案及最佳水泥摻入量，并將最佳的方案運用于實際工程泥炭土層地基加固工程中。

3 試樁試驗結(jié)果及分析

為確定本工程的地基土最佳加固方案，采用以上配比在工地現(xiàn)場進行試樁，經(jīng)兩重管高壓旋噴加固土體28 d后，進行現(xiàn)場觀察并鉆取試樁芯樣。具體任務(wù)是：通過鉆孔取芯，確定檢測樁長，描述所取芯樣的顏色、狀態(tài)及水泥含量、攪拌均勻性，并分段采取試樣，進行單軸飽和抗壓強度試驗。根據(jù)現(xiàn)場檢查排除了A1，A2，B1，B5，C1，C2六組方案后，對芯樣A3，A4，A5，B2，B3，B4，C3，C4，C5組進行抗壓檢測試驗并對結(jié)果進行整理、分析，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試樁結(jié)果

從表2中可知，鉆取到的B組芯樣大都完整呈柱狀，僅有極少處有局部碎塊，固化土較其他兩組獲得更多強度益。A組是采用黏土液改良后再進行旋噴樁加固泥炭土層，B組是采用水泥+石膏混合液改良之后再進行旋噴樁加固，C組則是直接采用旋噴樁噴射水泥漿液加固地基土，易知三組加固方案效果差異較大。

現(xiàn)場鉆探試樁芯樣如圖2所示，從圖2中可以看出直接施作旋噴樁芯樣碎塊多，水泥攪拌不均勻，芯樣水泥含量低；黏土液改良后施作旋噴樁的A組芯樣大部分呈碎塊狀，且水泥攪拌不均勻，說明A,C組固化土膠結(jié)性差，僅有部分水化反應(yīng)發(fā)生，水化膠凝產(chǎn)物少導(dǎo)致固化土樣多數(shù)呈碎塊狀且沒有完整的柱狀芯樣。圖3為A,B,C三組固化土樣隨水泥摻量的變化，從圖中可以看出采用水泥-石膏漿液改良后進行二次旋噴加固的B組土樣在兩水平水泥摻量下的抗壓強度均明顯大于另外兩組，是因為外摻劑石膏的加入能夠促進鈣礬石(AFt)的生成，且為鈣礬石的穩(wěn)定存在提供條件；改良液改良后腐殖酸對水化反應(yīng)的抑制作用得到控制，再采用水泥漿液旋噴加固，充分攪拌土體在一次改良的基礎(chǔ)上，水化反應(yīng)更加充分，膠凝物CSH,CAH將土顆粒及土粒團聚體膠結(jié)成一個整體，與鈣礬石棒狀生成物構(gòu)成骨架，并穿插于土粒孔隙中，使泥炭土的軟弱結(jié)構(gòu)得到改善。另外水化膠凝產(chǎn)物的形成均要消耗大量自由水，將其轉(zhuǎn)為結(jié)合水存儲于結(jié)晶礦物內(nèi)，這會使地基泥炭土的含水率明顯降低、密度增大，土體的物理特性得到明顯改善。

另外，A組采用黏土液改良后進行二次旋噴水泥漿加固土體，黏土的SiO2的含量較泥炭土高，且無有機質(zhì)的影響土粒團聚化不明顯，土粒孔隙小，含水率小，漿液灌穿于泥炭土大孔隙中，當(dāng)水泥漿液旋噴攪拌土體時水化反應(yīng)較C組得到加強，水化膠凝產(chǎn)物填充于土粒孔隙中膠結(jié)土體，且額外提供的SiO2能夠激發(fā)二次水化反應(yīng)，使固化土獲得強度增益，土粒結(jié)構(gòu)得到強化，故A組的芯樣抗壓強度較C組高。

不論是何種加固方案隨著水泥摻量增加土樣的強度都增加，這是因為足夠量的水泥水化后能夠為混合體系提供堿性環(huán)境，有利于水化膠凝產(chǎn)物的生成的同時釋放鈣離子與氫氧根離子，正循環(huán)促進火山灰反應(yīng)，優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)。易知A組中僅A5滿足設(shè)計要求的0.8 MPa，B組中B3～B5滿足設(shè)計要求，C組均不滿足要求。從成本方面考慮，A5組施工總費用為3 304.289 1萬元，B3組費用為3 287.509 4萬元，可見B3組更加經(jīng)濟。

綜上所述，經(jīng)過試樁分析后可知擬采用B3組加固方案既可以滿足設(shè)計要求又比其他幾組節(jié)省成本。

4 雙重管高壓旋噴樁加固地基

采用試樁確定的最佳方案B3對昆明軌道交通2號線二期工程廣福路站基坑底部泥炭土層進行雙重管高壓旋噴樁加固后，選取加固區(qū)的5處樁號進行鉆取芯樣檢查外觀并測其單軸飽和抗壓強度，結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。可以看出5個樁號處芯樣抗壓強度均大于設(shè)計強度0.8 MPa，且各樁號處芯樣連續(xù)、完整，膠結(jié)性好，樁身質(zhì)量都達標。

表3 各樁號芯樣檢測結(jié)果

另外采用輕型動力觸探儀貫入30 m處測48軸南6 m～53軸南2.4 m的地基承載力值，結(jié)果表明：所測范圍地基承載力平均值為161 kPa，最小值是145 kPa，均大于地基設(shè)計承載力130 kPa。綜上表明，采用B3組方案加固地基泥炭土層在最經(jīng)濟的情況下能達到設(shè)計強度及設(shè)計承載力要求。

5 結(jié)論與建議

結(jié)合該地鐵基坑工程特殊的地質(zhì)、環(huán)境條件，提出了基于雙重管高壓旋噴樁加固地基泥炭地層的三種方案，并對現(xiàn)場試樁的芯樣進行外觀檢查及單軸飽和抗壓強度試驗，確定最佳方案后將該方案運用到實際工程地基泥炭土加固中，分析得到以下結(jié)論：

1)兩重管高壓旋噴樁較三軸攪拌樁更具可操作性，更加適合中密地層土體加固，且可以通過引孔解決清障的麻煩，大大減少了工程成本。

2)通過試樁對比三種加固方案發(fā)現(xiàn)：采用水泥-石膏液改良后進行旋噴加固泥炭土層的效果最好，黏土液改良后加固的效果次之，直接旋噴加固的效果最差。可見二次加固方法比一次加固更適合泥炭地層軟土加固，且更加經(jīng)濟。

3)將試樁確定的最佳方案運用到實際工程基坑加固，檢測到加固區(qū)樁身質(zhì)量及地基承載力均滿足設(shè)計要求。

4)結(jié)合昆明市地鐵建設(shè)的相關(guān)工程及地質(zhì)條件，使用土體改良后施作二重管高壓旋噴樁進行二次地基加固的技術(shù)，在未來城市地鐵建設(shè)中有著良好的推廣前景。