雙向水泥攪拌樁的設(shè)計和施工質(zhì)量控制

程建英

（中譽設(shè)計有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，中國的城市化進程不斷加快，城市道路建設(shè)如火如荼。福建福州市地處沿海，城市道路設(shè)計過程中不可避免地會遇到大量軟土地基處理問題。根據(jù)《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ 194-2013）[1]，軟土地基處理方式主要有無機結(jié)合料淺層拌合、挖除換填、拋石擠淤、排水固結(jié)法、粒料樁、加固土樁、剛性樁等，其中無機結(jié)合料淺層拌合、挖除換填、拋石擠淤適用于不大于3m的淺層地基處理，排水固結(jié)法、粒料樁、加固土樁、剛性樁適用于深層地基處理。水泥攪拌樁作為加固土樁的一種，以其施工工期短、成本相對較低、施工機械化程度高、質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點，在城市道路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以福州市北環(huán)路為例，分析雙向水泥攪拌樁的作用機理、設(shè)計要點、施工質(zhì)量控制要點，從而為雙向水泥攪拌樁在濱海城市、深厚軟土地基中的應(yīng)用積累經(jīng)驗，為相關(guān)城市道路的設(shè)計提供一定的技術(shù)參考。

1 雙向水泥攪拌樁的作用機理

水泥攪拌樁是通過攪拌工具將水泥和軟土充分攪拌，通過發(fā)生水解、水化反應(yīng)以及水泥化合物與黏土顆粒之間的離子交換與團化作用、凝硬作用、碳酸化作用等，使軟土硬結(jié)成具有一定強度的地基基礎(chǔ)，從而滿足道路建設(shè)的需求。

1.1 水泥的水解、水化反應(yīng)

城市道路建設(shè)中采用的水泥主要為普通硅酸鹽水泥，其主要成分有C3S、C2S、C3A等。通過攪拌工具將水泥和軟土充分攪拌，水泥中的礦物與軟土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成各種化合物，凝結(jié)后形成水泥石的膠結(jié)強度。

1.2 黏土顆粒的作用

軟土地基中通常含有較多的活性黏土顆粒，當(dāng)水泥與軟土中的水通過水解、水化反應(yīng)生成化合物，其中一部分的水化物通過自身硬結(jié)，形成骨架；另外一部分的水化物則與活性黏土顆粒發(fā)生作用（主要有凝膠作用），形成新的礦物，進而形成水泥石的強度。

2 雙向水泥攪拌樁的設(shè)計要點

2.1 工程情況

福州市南通鎮(zhèn)北環(huán)路其路線由西向東走向，西起規(guī)劃的西環(huán)路，南至規(guī)劃的文山路，道路全長約2.878km。道路等級為城市主干道，雙向六車道，設(shè)計車速為50km/h，道路紅線寬度為40m。

2.2 勘察情況

根據(jù)地勘資料，北環(huán)路沿線存在3m~23m的軟弱淤泥層，本次研究截取淤泥深度最深的K2+735-K2+790段進行分析。根據(jù)地勘資料，該段地層由上至下分別為：

（1）②粉質(zhì)黏土（Q4al）：土層呈淺黃、黃褐色，多為可塑狀態(tài)，稍濕~濕。主要由黏性土組成，光澤反應(yīng)光滑，干強度、韌性中等，無搖震反應(yīng)，局部含少量Fe、Mn質(zhì)結(jié)核、砂礫等，厚度1.00m~2.80m。

（2）③淤泥（Q4m）：土層為深灰色，流塑狀態(tài)，飽和。主要由黏、粉粒組成，含有機質(zhì)（有機質(zhì)含量約5%）及腐植質(zhì)，偶見朽木、植物根系等，中下部局部含少量粉砂，具腥臭味、污手、干強度、韌性中等，光澤反應(yīng)較光滑，無搖震反應(yīng)，局部相變成淤泥質(zhì)土，厚度21.00m~23.00m。

（3）⑤-2粉質(zhì)黏土（Q4al）：灰黃、淺灰等色，多呈可塑狀態(tài)，濕。主要由黏性土組成，含中粗砂5%~20%，光澤反應(yīng)光滑~較光滑，干強度、韌性中等~較高，無搖震反應(yīng)，局部相變成粉土或黏土，厚度1.20m~2.10m。

（4）⑦殘積黏性土（Qel）：灰黃色，稍濕~濕，可塑狀態(tài)，局部硬塑。主要成分為高嶺土（局部相變?yōu)闅埛e砂質(zhì)黏性土）。黏性中等，韌性一般，干強度中等，無搖震反應(yīng)，光澤反應(yīng)稍光滑，厚度7.50m~8.10m。各土層主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層主要巖土層物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 設(shè)計要點

（1）持力層的選定。

根據(jù)地勘資料，淤泥層的下臥層為粉質(zhì)黏土層，其地基承載力基本容許值為190kPa，能夠滿足雙向水泥攪拌樁的持力要求，可以作為地基處理的持力層。

（2）設(shè)計方案的確定。

為保證路基整體的穩(wěn)定性，本段地基處理綜合考慮路基填方高度及軟土厚度，選用工程最不利斷面進行計算。該段路基平均填方高度約為1.45m，設(shè)計采用雙向水泥攪拌樁處理，樁直徑50cm，采用正三角形布置，樁距1.5m，樁體伸入粉質(zhì)黏土層不小于50cm，平均樁長約24m，見圖1。

圖1 雙向水泥攪拌樁地基處理橫斷面示意圖

（3）承載力驗算。

雙向水泥攪拌樁的單樁豎向承載力特征值以及復(fù)合地基的承載力特征值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗確定[2]。在設(shè)計階段，可根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》（JTG/T D31-02-2013）中的公式進行初步驗算，具體見公式1、公式2、公式3。

單樁豎向承載力特征值：

復(fù)合地基的承載力特征值：

式中：

Ra——單樁豎向承載力特征值，kN；

up——樁的周長，m；

n——樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

qsi——樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；

li——樁周第i層土的厚度，m；

α——樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取0.55；

qp——樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa；

Ap——樁的截面積，m2；

η——樁身強度折減系數(shù)，取0.3；

fcu——與加固土樁樁身水泥土配合比相同的室內(nèi)加固土試塊（邊長70.7mm或50mm的立方體）在標(biāo)準養(yǎng)護條件下90d齡期的抗壓強度平均值（kPa），根據(jù)試驗取1522kPa；

fspk——復(fù)合地基的承載力特征值；

m——樁土面積置換率；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，取0.35；

fsk——處理后樁間土承載力特征值，kPa。

通過計算，本項目單樁豎向承載力特征值為168.1kN，復(fù)合地基的承載力特征值146.2kPa，能夠滿足路基承載力的要求。

（4）沉降驗算。

采用理正巖土計算軟件進行工后沉降驗算，本工程工后沉降為0.264m，能夠滿足一般路段容許工后沉降≤0.30m的要求。

3 雙向水泥攪拌樁的施工質(zhì)量控制要點

3.1 準備工作

應(yīng)事先對場地進行整平，清除石塊、樹根和垃圾等，軟基段應(yīng)先進行處理后再回填素土，進行適當(dāng)碾壓，保證地基承載力滿足施工機械的施工需求，之后對樁坐標(biāo)進行精準放樣。

3.2 機械要求

雙向水泥攪拌樁的鉆頭應(yīng)設(shè)置兩層葉片，每層兩片，配電腦記錄并打印噴漿量。其可以使用常規(guī)水泥攪拌樁機械，但是需要配備特有鉆頭，如圖2所示。

圖2 雙向水泥攪拌樁鉆頭示意圖

3.3 施工工藝

雙向攪拌樁的主要工藝流程為“一噴兩攪”，即在下鉆時將設(shè)計用量的水泥一次性均勻噴完，同時，在下鉆噴粉（漿）及提升的過程中應(yīng)分別進行正、反兩個方向的攪拌。施工工藝步驟如圖3所示。

圖3 雙向水泥攪拌樁施工工藝流程圖

雙向水泥攪拌樁施工前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進行成樁試驗，取得各種機械參數(shù)，以確保大面積施工質(zhì)量。

3.4 質(zhì)量檢測

根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則》（JTG/T D31-02-2013）的要求，成樁7d后，應(yīng)觀測樁體成型情況及攪拌均勻程度，檢查個數(shù)為總樁數(shù)的2%（最少不得少于2根），采用的方法為開挖檢查；成樁28d后應(yīng)檢測樁身無側(cè)限抗壓強度試驗，檢查個數(shù)為總樁數(shù)的5%（每個段落不小于2根），采用的方法為應(yīng)鉆孔取芯[3]。具體要求如下：

（1）允許偏差值：水泥用量、攪拌樁的垂直度、樁位偏差、攪拌機下沉或提升的時間等相關(guān)指標(biāo)均應(yīng)滿足技術(shù)規(guī)范的要求；

（2）成樁質(zhì)量檢測采用荷載試驗，當(dāng)水泥攪拌樁齡期達到28d時，可進行單樁或復(fù)合地基載荷試驗。

3.5 監(jiān)測要求

為了控制施工過程中的路堤變形和穩(wěn)定性，以及為了了解道路運行后路堤的長期特性，應(yīng)對路基進行變形觀測。變形觀測內(nèi)容主要包括軟土地基的沉降與位移、路堤對臺背的水平土壓力和對土基的垂直土壓力分布特征以及路面工后沉降等相關(guān)方面：

（1）在路中心、路肩、坡腳等處埋設(shè)沉降板，觀測地表沉降；

（2）在道路表面設(shè)置沉降釘，觀測工后沉降；

（3）在軟基路段的路堤坡腳處埋設(shè)測斜管，觀測深層土側(cè)向位移；

（4）在軟基路段、高邊坡路段的坡腳設(shè)置位移觀測邊樁，觀測路基穩(wěn)定性；

（5）檢測要求：連續(xù)三個月沉降≤6mm／月時，可進行路面結(jié)構(gòu)鋪筑。

4 結(jié)束語

本文以福州市南通鎮(zhèn)北環(huán)路為例，分析雙向水泥攪拌樁的作用機理，梳理雙向水泥攪拌樁的設(shè)計要點、施工質(zhì)量控制要點，從而為雙向水泥攪拌樁在濱海城市、深厚軟土地基中的應(yīng)用積累經(jīng)驗，為相關(guān)城市道路的設(shè)計提供一定的技術(shù)參考。通過分析，主要結(jié)論如下：

（1）雙向水泥攪拌樁主要依據(jù)水泥的水解、水化反應(yīng)以及水泥化合物與黏土顆粒之間的離子交換與團化作用、膠凝作用、碳酸化作用等形成強度。其具有施工工期短、成本相對較低、施工機械化程度高、質(zhì)量安全可靠等優(yōu)點，從而在城市道路建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）雙向水泥攪拌樁設(shè)計時應(yīng)根據(jù)地勘資料，合理選定樁端持力層，從而確定樁體長度，其直徑、間距應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定、沉降計算確定。

（3）雙向水泥攪拌樁施工時應(yīng)采用特有的機械設(shè)備、施工工藝；施工前應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進行成樁試驗，取得各種機械參數(shù)；施工后應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求對樁的各項參數(shù)進行檢測，以保證施工質(zhì)量；工后應(yīng)對路基各項變形進行檢測，以觀察路基處理的實際效果。