采用三軸攪拌樁構建止水帷幕中的質量控制分析

陳 鋒，胡福洪,胡翔宇

(1.武漢地質勘察基礎工程有限公司，湖北 武漢 430000; 2.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430023)

0 前 言

隨著我國工程建設的不斷加快，樁基工程中采用攪拌樁構建止水帷幕正得到越來越廣泛的應用，施工原理主要是利用攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌均勻，使水泥與土體發生一系列物理、化學反應，待穩定固結后提升土體強度，形成工程結構可以有效抵抗基坑周圍土體變形和地下水的滲入。三軸攪拌樁具有成樁效率高、成樁效果好的特點，相關研究顯示二軸攪拌樁成樁效率不到三軸攪拌樁的1/6，然而工程中所需要面對的復雜地質條件(尤其是水文地質條件)和施工工藝流程仍然是三軸攪拌樁施工中的難點，對施工質量進行有效控制顯得尤為迫切，這不僅關乎成樁質量，甚至可能決定整個樁基工程的成敗。

1 工程概況

武漢市永清片綜合發展項目B10地塊樁基及基坑支護工程是我司的重點工程，由武漢瑞安房地產發展有限公司開發。本項目由1棟高度為170 m的住宅、2～5層的商業裙樓和3層地下室組成。基坑開挖深度為13.3～14.6 m。四周采用地下連續墻的圍護結構，分兩個區域施工，中間采用隔斷樁并運用三軸攪拌樁止水帷幕。

2 成樁質量影響因素

三軸攪拌樁施工要經歷一系列復雜的工藝流程：首先在攪拌機進場前需要進行場地平整，使路基承載力滿足重型樁機平移進場和穩定工作的要求；然后按照提供的坐標基準點進行放樣定位和高程引測工作，并且做好永久及臨時性標志；接著按照基坑尺寸及工程要求，用挖土機開挖溝槽，若遇地下障礙物應該及時清理，開挖溝槽余土及時處理，避免造成施工障礙，給邊坡帶來安全隱患；最后進行三軸攪拌樁定孔定位及攪拌樁施工。施工中的每一個流程都將對成樁質量造成間接或直接的影響，筆者根據前人研究及工作經驗，結合自身在施工現場遇到的一些問題，經過多次與小組人員討論，集思廣益，從施工中的環境、人員、機具、材料和工藝這些方面出發，分析并提出了三大可能對成樁質量造成影響的因素。

1)軟土含水率及水泥使用。含水率、有機質含量和軟土土質作為土的重要參數對攪拌樁有不同程度的影響，含水率越大、黏土礦物及有機質含量越高，土質越軟、土工程強度越低。摻入水泥形成水泥土通常作為改善土體強度的有效方法，土的含水量多少直接關系到水泥的使用量。相關研究揭示了水泥土強度與軟土含水率以及水泥摻入量之間的關系(見圖1)[1]，當水泥摻入比(Cw)小于15%時，水泥土的無側限抗壓強度隨土中的含水率的增大而降低，由于水泥摻入比較小，水比水泥更容易進入土壤顆粒之間的空隙，從而導致水泥強度逐漸降低；當水泥摻入比大于15%時，水泥土的無側限抗壓強度隨含水率的增加先增大后減小，即土的含水率存在最優值，該最優值使水泥漿具有較好的流動性，易于進入土壤顆粒，使其強度增加；而一旦含水率超過最優值，含水率的進一步增加將使水泥中有效成分的濃度降低，影響水泥性能，從而使強度降低。不難看出，在現實施工過程中，土的含水率將在一個變化不大的范圍內波動，針對高含水率的土，為了增加其工程強度，增加水泥的摻入量依然為有效的方法，含水率極高的土，除了增加水泥摻入量，還可以調整水泥配合比，增加木鈣、生石膏粉及粉煤灰等添加劑使水泥土強度達到工程要求。

圖1 水泥土強度與軟土含水率及水泥摻入量之間的關系(圖中Cw表示水泥摻入量)

2)鉆進與提升速度。攪拌頭鉆進與提升速度直接影響水泥土拌和均勻程度和成樁質量。鉆進速度應適當提高并保持穩定，根據不同土層可以做出相應的調整。在攪拌樁鉆進的過程中，下鉆、復攪、提升速度均要比常規要求的快一些。如果鉆進速度過慢，可能導致施工過程中出現的成樁、翻淤和翻灰等工程問題，從而導致工程成本增加、工效降低、施工周期延長，甚至對工程質量產生影響。但是鉆進速度過快可能導致憋鉆，造成機具損壞。提升是鉆進的逆過程，提升速度過快可能導致攪拌體不均勻或出現無水泥漿拌的情況發生。在保持施工機械正常且穩定運行的情況下，應盡量提高攪拌機轉速，降低提升速度，邊攪拌邊勻速提升，確保單位時間內的注漿量基本相等，還可以采用一次噴漿幾次補漿或者重復攪拌的施工工藝。由此可知，提升速度的選擇異常關鍵，過快可能使工程質量出現問題，過慢則施工效率低下，根據目前國內攪拌樁的施工現狀，鉆頭提升速度以0.8～1.2 m/min為宜[2]。

3)注漿工藝。對注漿工藝來說，在攪拌樁注漿過程中應注意以下方面[3]：①出漿口位置不應選擇在攪拌軸上，這樣將使漿液多集中在噴漿口的樁軸附近，葉片外緣缺漿，使攪拌不均勻，因此出漿口位置宜設置在攪拌葉中部；②采用下沉注漿可能因土體不均勻引起漿液在土中的分配不合理，待首次下沉、土體完全被攪碎之后，應變下沉注漿為提升注漿，注漿速度要與鉆桿提升速度相匹配；③提升速度偏快、葉片數量偏少、攪拌軸上下循環次數不夠將導致水泥土攪拌不足、穩定性與結構強度不夠，為此可以采用增加注漿次數和循環提升注漿的方法，使土與水泥漿充分混合，以達到良好的效果。

3 成樁質量控制

由上文分析的成樁質量影響因素可知，在選用攪拌樁作為止水帷幕構建方法之前，應該先對工程地質條件進行研究，搞清地下土質及地層分布情況和水文地質特征。

施工場地屬于長江Ⅰ級階地地貌，地勢變化較小。本次勘察的野外鉆探、原位測試及室內土工試驗資料顯示，場地表層分布有建筑雜填土(Qml)，厚度約為0～1.2 m，持力層為K-E礫巖、泥質粉砂巖，深度為45～57 m，介于持力層和表層雜填土之間，由下往上依次分布Q4al+pl砂土夾黏性土(深度8～45 m)、Q4al一般黏性土(深度1.2～8 m)。勘察期間測得其上層滯水穩定水位埋深為0.90～3.60 m，相當于絕對標高為21.30～24.20 m，在本場地通過上部隔水和抽水試驗鉆孔觀測得承壓水穩定水位埋深為8.50～9.99 m，相當于絕對標高15.00～16.27 m，場地內未測得基巖裂隙水水位。

依據工程地質特征及基坑設計施工需要，設計三軸攪拌樁樁長20.3 m，樁徑為850 mm。由上文可知水泥摻入量應根據軟土含水率和樁體強度要求合理選擇，資料調研得知，武漢地區一級階地黏性土天然含水率為31.4%～45.6%，同時考慮施工經濟效益因素，設計水泥摻入量不少于20%，采用P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，在填土、淤泥質土等特別軟弱的土中以及在較硬的砂性土、礫砂土中，水泥用量宜適當提高。鉆頭鉆進與提升速度控制在1 m/min，遇軟弱地層適當降低抬升速率。注漿工藝按照成樁質量影響因素中所涉及的注漿工藝要求嚴格完成，尤其注意攪拌速度和水泥土拌和均勻性。

由于施工場地緊鄰長江，地下含水量豐富，一旦基坑開挖，易發生滲水、透水工程事故，因此本次三軸攪拌樁同時需要起到構建止水帷幕的作用，且甲方對止水帷幕要求嚴格，要求做到無漏水點。在前文所提及的三軸攪拌樁質量控制的基礎上，為了保證工程質量和完成甲方要求，對武漢類似地區多個采用三軸攪拌樁構建止水帷幕的施工工藝基坑技術資料進行了分析與搜集，這些項目的工程地質環境及攪拌樁施工技術參數與本次施工選取的類似，相關資料見表1。

表1 武漢類似地區采用三軸攪拌樁構建止水帷幕相關資料

從武漢類似地區采用三軸攪拌樁構建止水帷幕的相關資料中不難看出，相關工程均出現了不同程度的開叉和滲漏，表明這一地區工程地質條件苛刻，地下含水豐富，用攪拌樁構建止水帷幕具有一定難度，給本次止水帷幕構建造成了不小的挑戰。為了搞清導致三軸攪拌樁止水帷幕出現滲水和開叉等工程質量問題的原因，選取了開挖深度、接頭方式、帷幕樁長和樁徑大小這幾個可能的影響因素進行分析，從表1中不難看出，接頭方式和樁徑大小(相對于設計樁徑)對工程質量影響明顯。以開叉點和漏水點為判別指標，進一步分析這兩個主要因素分別對三軸攪拌樁止水帷幕的影響程度如何。將各個項目按接頭方式分為套接和搭接，把這兩種接頭方式所構成的止水帷幕中的開叉點和漏水點個數統計制成直方圖(見圖2)，從圖2中可以看出，采用套接方式構建止水帷幕的工程項目，開叉點和漏水點明顯少于采用搭接方式構建止水帷幕的項目。同樣的方法，將各個項目按樁徑大小分為正常和偏小，把這兩種樁徑所構成的止水帷幕中的開叉點和漏水點個數統計制成直方圖(見圖3)，從圖3中可以看出，樁徑正常的止水帷幕工程項目，開叉點和漏水點明顯少于樁徑較小的止水帷幕項目。因此在施工的過程中，要采用套接一孔的接頭方式，并嚴格控制攪拌樁樁徑復合設計標準，在含水較多的地段，遇含水豐富的層系，可適當增加施工樁徑。

圖2 接頭方式與開叉點與滲漏點之間的關系

圖3 止水帷幕樁徑大小與開叉點與滲漏點之間的關系

根據以上三軸攪拌樁質量控制因素與注意事項，經施工操作人員按章精心操作、管理人員認真督導指揮，此次三軸攪拌樁止水帷幕施工工程順利完成。基坑開挖后，項目部現場對三軸攪拌樁止水效果進行檢查。經檢查，本工程三軸攪拌樁未出現開裂現象，無滲水、漏水的現象(見圖4)。

圖4 此次三軸攪拌樁止水帷幕施工效果圖

相比現狀調查中各項目均存在的滲水及漏水現象，本項目止水效果優良顯著。優質的止水帷幕工程也為接下來的基坑作業提供可保障。

4 結 論

1)三軸攪拌樁可以作為構建止水帷幕的有效方法，在黏性土層中較為實用。

2)采用三軸攪拌樁施工過程中要重點關注：軟土含水率及水泥使用、鉆進與提升速度、注漿工藝，這幾個質量控制因素。

3)接頭方式和樁徑大小對三軸攪拌樁構建止水帷幕效果影響較為顯著，應使用套接并控制樁徑復合設計要求，這可為武漢市地區、長江一級階地三軸攪拌樁止水帷幕施工提供參考。

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