雙向水泥攪拌樁在工程中的應用以及處理效果分析

岑建豐

廣州市市政工程設計研究總院有限公司 廣東 廣州 510060

雙向水泥攪拌樁作為復合地基軟基處理方式中的一種，與水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、CFG樁等作用方式一樣，均通過樁土共同作用，達到提高地基承載力、降低沉降的目的。

結合工程實例，本文就雙向水泥攪拌樁處理方案的加固機理及處理效果進行分析與研究。

現有一工程實例：項目位于廣東省珠海市香洲區，為市政道路配套工程，道路等級為次干路。場地原始地貌單元為濱海堆積地貌～剝蝕殘丘地貌?，F狀地表為填筑土，填土層為褐黃、褐紅、灰黃等色，稍濕-飽和，松散，由粘性土混碎石組成，碎石約10%，平均厚度約3.2m。道路下臥層分布較厚的淤泥層及淤泥質黏土層，淤泥為灰黑色，飽和，流塑，具腥臭味，含少量的貝殼碎屑，土質較均勻，平均厚度為17.5m,有機質含量為2.26%,淤泥十字剪切板強度為20KPa；淤泥質黏土為深灰色，飽和，流塑-軟塑，具腥臭味，以粉粘粒為主，平均厚度為5m，有機質含量為2.28%。軟土層底主要分布粘土層、砂質粘性土層、中砂及粗砂層。黏土層為褐黃、褐紅色，飽和，可塑，成分以粘粒為主，含少量的石英質砂，平均厚度約4.8m；砂質粘性土為褐紅、褐黃色，系花崗巖殘積土，濕，硬塑狀態，含石英碎石，粘性一般，平均厚度5.9m；中砂為褐黃色，飽和，稍密，礫石成分主要為石英質，級配差，含少量的粘性土，平均厚度3.2m；粗砂為褐黃色，飽和，稍密-中密，礫石成分主要為石英質，級配一般，含10-30%的粘性土，平均厚度3.4m。各地層的工程特性指標建議值如下表。

表1 各地層的工程特性指標建議值

項目所在區域軟土深厚，周邊與道路同步開發，軟基處理方式上主要考慮復合地基處理方方式，結合本工程地質、地貌條件，同時從經濟、處理效果以及工期等方面綜合考慮，在軟土地基處理方案上選擇采用雙向水泥攪拌樁復合地基進行處理[1]。

1 加固機理

水泥攪拌樁通過機械攪拌作用將粉體（或水泥漿液）與土體混合后形成支撐樁體，樁體和樁間土共同形成復合地基。雙向攪拌樁在成樁過程中，由動力系統分別帶動安裝在同心鉆桿上的內、外兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉攪拌，增加水泥與土攪拌次數，使水泥與土混合均勻，提高攪拌樁成樁質量，加大攪拌樁處理深度。

根據《廣東省公路軟土地基設計與施工技術規定》（GDJTG/T E01--2011）4.4章節，單向水泥攪拌樁處理深度宜小于15m，雙向水泥攪拌樁處理深度宜小于24m。

圖1 現場施工照片

圖2 雙向水泥攪拌樁葉片正反轉動示意圖

2 方案設計

①水泥參量及無側限抗壓強度確定

根據以往項目經驗，水泥攪拌樁水泥參量在宜控制在15%～25%，攪拌樁才能成樁，強度滿足設計要求，本項目參照以往項目經驗，水泥參入量取55kg/m，摻合量為17.5%，為保證樁體成樁效果，樁頂6m范圍采用邊參量設計，水泥參入量取60kg/m。

②單樁承載力計算

利用樁身材料強度計算單樁承載力。根據規范推薦公式，Ra=η×fcu×Ap，Ra為單樁承載力特征值，η為樁身強度折減系數，取0.25；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配合比相同室內加固土試塊，邊長為70.7mm的立方體在標準養護條件下90d齡期的立方體抗壓強度平均值，取2MPa；Ap為攪拌樁截面積，水泥攪拌樁樁徑采用50cm，Ap為0.196㎡。

Ra=η×fcu×Ap=0.25×2×0.196=98KN。

利用樁周土及樁端土抗力提供的單樁承載力計算。據規范推薦公式，Ra=μp×∑qsi×li+α×Ap×qp，Ra為單樁承載力特征值，μp為樁的周長，為1.57；qsi為樁周第i 層土的側阻力特征值；li為樁長范圍內第i層土的厚度；α為樁端天然地基土的承載力折減系數，取0.6；Ap為攪拌樁截面積，水泥攪拌樁樁徑采用50cm，Ap為0.196㎡；qp樁端地基土未經修正的承載力特征值。

取最不利位置進行計算，樁端進入持力層50cm，持力層為粘土層。Ra=μp×∑qsi×li+α×Ap×qp=1.57×（3.19×10+15.9×6+0.5×16）+0.6×160×0.196=231.26KN。

取2者中小值作為單樁承載力，故單樁承載力為98KN，考慮檢測數據取整，單樁承載力取100KN。

③復合地基承載力計算及布樁間距確認

根據規范推薦公式，fspk=m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk，fspk為復合地基承載力特征值；m為樁土面積置換率；Ra為單樁承載力特征值，根據上面計算取100KN；Ap為攪拌樁截面積，水泥攪拌樁樁徑采用50cm，Ap為0.196㎡；β為樁間土承載力折減系數，本次取0.5；fsk為樁間土承載力特征值，取淤泥承載力50KPa；

本項目要求復合地基承載力大于100KPa，水泥攪拌樁擬按1.3m正三角形布置，fspk=m×Ra/Ap+β×(1-m)×fsk=0.134×100/0.196+0.5×(1-0.134)×50=101KPa,滿足要求，承載力計算與設計要求較吻合，樁間距按1.3m正三角形布置較經濟合理。

④方案確定

根據上述計算，雙向水泥攪拌樁的直徑d=50cm,按正三角形布置，樁間距車行道1.3m，考慮節省投資，人行道間距取1.5m。樁頂設置碎石墊層60cm及2層GSZ8080型雙向土工格柵,墊層寬出路基兩側坡腳各0.5m，碎石采用級配碎石，最大粒徑不大于20mm，含泥量不大于5%。樁體所用水泥為42.5級及以上的普通硅酸鹽水泥,水灰比宜為0.5～0.6,水泥摻合量為17.5%,其中樁頂6m范圍內設計水泥量不低于為60kg/m,其余部分設計水泥量不低于為55kg/m。

終孔原則,滿足以下其中一點要求即可終孔:(1)水泥土攪拌樁達到設計樁長并穿透軟土層并打入持力層50cm。(2)水泥土攪拌樁實體樁長已達24m。

施工工藝為四噴四攪,攪拌樁身強度28天齡期不得低于0.6MPa，90天無側限抗壓強度不低于1.0MPa。28天單樁承載力不少于60kN，90天單樁承載力不小于100kN。復合地基承載力不低于100KPa。

圖3 雙向水泥攪拌樁處理設計圖

本項目所處區域下臥軟土層較厚，雙向水泥攪拌樁設計樁長最大達24m。

3 處理效果分析

3.1 室內配合比強度

為驗證水泥攪拌在該地區是否適用以及樁身設計水泥參量能否滿足設計強度要求，施工前于現場取淤泥中部原狀土進行室內配合比實驗，得到室內標準試塊7天、14天、28天室內配合比強度，根據檢測報告，7d強度達到0.83MPa，14d強度達到0.95MPa，28d強度達到1.25MPa。室內配比強度滿足設計要求，證明攪拌樁適用于該區域。

3.2 現場試樁情況

為驗證雙向水泥攪拌樁在該區域成樁情況及得到相關工藝參數，現場大面積施工前先進行試樁。根據室內配比報告，樁身設計水泥參量能滿足設計要求，現場采用設計水泥參量進行試樁，同時根據試樁情況得到雙向攪拌樁下沉及提升速度、噴漿壓力、水灰比等參數，水泥攪拌樁下沉及提升均按80cm/min進行控制，噴漿壓力為40MPa，水灰比采用0.5。試樁樁體達到28d齡期后進行單樁承載力、無側限抗壓強度及單樁復合地基承載力檢測。根據檢測報告，28d現場抽芯無側限抗壓強度可達0.72～5.74MPa，芯樣大部分完整，局部破碎，手感硬，水泥分布基本均勻。單樁承載力可達到65KN，復合地基承載力達到100KPa。試樁結果表明，雙向水泥攪拌樁適用于該地區，樁身水泥參量能滿足設計要求。

3.3 工程樁成樁情況

3.3.1 樁頭成樁情況

本項目雙向水泥攪拌樁按設計方案實施完成后，待齡期滿足28天后，將所有樁頭挖出，觀察成樁直徑及質量?，F場樁頭直徑大于50cm，樁頭較完整，強度較高。

3.3.2 檢測結果分析

①現場抽芯無側限抗壓強度

樁體齡期達到28d后，現場按0.5%檢測比例進行無側限抗壓強度檢測，采用雙管單動取樣器進行抽芯，根據檢測報告，該工程范圍雙向水泥攪拌樁強度達到0.91～6.69MPa，芯樣大部分完整，局部破碎，手感硬，部分軟，水泥分布基本均勻。滿足設計要求。

②單樁承載力

樁體齡期達到28d后，現場按0.5%檢測比例進行單樁承載力靜載試驗，單樁檢測荷載取設計值2倍進行，根據檢測報告，該工程范圍雙向水泥攪拌樁單樁承載力均大于60KN，滿足設計要求。

③單樁復合地基承載力

樁體齡期達到28d后，現場按0.5%檢測比例進行單樁復合地基承載力靜載試驗，復合地基檢測荷載取設計值2倍進行，根據檢測報告，該工程范圍雙向水泥攪拌樁復合地基承載力均大于100KPa，滿足設計要求。

3.4 處理效果分析

本項目雙向水泥攪拌樁打設長度達24m，根據室內配合比強度、現場試樁及工程樁檢測結果，雙向水泥攪拌樁在該區域成樁質量較好，各項指標均能滿足設計要求，處理效果達到預期。

4 工藝優勢

雙向水泥攪拌樁具有攪拌樁所有的特性，施工工藝與常規攪拌樁一致，都是通過水泥與原狀土攪拌混合，達到改善原狀土物理性能的目的，進而達到工程使用要求。

雙向水泥攪拌樁由于采用內、外兩組攪拌葉片同時正、反向旋轉攪拌，使得水泥與土充分攪拌混合，提高攪拌樁成樁質量，加大攪拌樁處理深度[2]。本項目軟土較深，若采用常規水泥攪拌樁則無法打穿淤泥層，攪拌樁處于懸浮狀態，后續工后沉降偏大。采用CFG等剛性樁，雖然也能打穿淤泥層，但由于現狀地表標高較高，樁頂土層較薄，道路運營期易路面出現“蘑菇狀”，且造價較高。雙向水泥攪拌樁為柔性樁，在本項目中能穿透軟土層，采用雙向水泥攪拌樁能較好解決工后沉降及路面“蘑菇狀”問題，且軟基處理費用較剛性樁低，具有明顯的優勢。

5 結束語

以工程實例作為研究對象，從雙向水泥攪拌樁加固機理、方案設計以及處理效果及工藝優勢等方面進行研究，研究結果表明：雙向水泥攪拌樁處理深厚軟土效果較好，處理深度較常規水泥攪拌樁大，成樁質量較常規水泥攪拌樁更好，更均勻。

雙向水泥攪拌樁作為復合地基一種，在深厚軟土地基處理中具有明顯的優勢，通過樁土共同作用，能夠明顯提高地基承載力、降低工后沉降，做為柔性樁，與樁間土沉降能協調，整體沉降均勻。