水泥土攪拌樁施工排土的計(jì)量與應(yīng)用

吳爭(zhēng)光，羅明亮，翟翠文，劉一鳴

(1.深圳市建筑工務(wù)署文體工程管理中心,廣東 深圳 518000; 2.鐵科院(深圳)研究設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

水泥土攪拌樁是以水泥為主要固化劑在軟土地基中攪拌、混合,就地成樁的軟基處理方法,其廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、公路、鐵路等領(lǐng)域的軟基處理中。從水泥土攪拌樁成樁機(jī)理中可以看出,攪拌樁施工是在深層土層中就地?cái)嚢?會(huì)對(duì)樁周土產(chǎn)生一定的擾動(dòng)。目前各研究多針對(duì)水泥土攪拌樁施工產(chǎn)生擠土效應(yīng),導(dǎo)致周?chē)馏w的側(cè)向位移、地表隆起及其控制措施等[1-8],均未涉及攪拌樁施工排土量的研究。

針對(duì)像機(jī)場(chǎng)等大面積攪拌樁軟基處理工程,水泥土攪拌樁施工會(huì)產(chǎn)生大量的排土,圖1為深圳某機(jī)場(chǎng)軟基處理工程中攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)圖。對(duì)于像深圳等土方棄置困難的城市,排土引起的土方外棄會(huì)造成工程造價(jià)和工期的增加。因此,對(duì)于水泥土攪拌樁施工排土的準(zhǔn)確計(jì)量是很有必要的。本文基于深圳某機(jī)場(chǎng)軟基處理工程,采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究水泥土攪拌樁施工排土的計(jì)量和處理,對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考意義。

1 工程概況

工程位于深圳西部填海區(qū),場(chǎng)地有較深厚的海積淤泥層,平均厚度超7.0 m。場(chǎng)地主要地層及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。該工程設(shè)計(jì)水泥土攪拌樁復(fù)合地基處理面積近68萬(wàn)m2,攪拌樁施工總長(zhǎng)度達(dá)380萬(wàn)延米。

表1 主要地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

在深圳以往的軟基處理工程中,攪拌樁復(fù)合地基普遍采用直徑D550 mm或D600 mm的水泥土攪拌樁,受水泥摻入量和單軸施工機(jī)具等因素影響,攪拌樁施工質(zhì)量較難整體控制,特別在大面積軟基處理工程中,處理效果參差不齊。而本項(xiàng)目深圳機(jī)場(chǎng)軟基處理工程,處理面積大,處理標(biāo)準(zhǔn)高,攪拌樁復(fù)合地基選用大直徑D800 mm水泥土攪拌樁,并采用四攪四噴施工工藝,保證攪拌樁施工質(zhì)量。攪拌樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 水泥土攪拌樁施工排土的原因

水泥土攪拌樁施工時(shí),攪拌頭通過(guò)攪拌葉片強(qiáng)行切割、攪拌土體,破壞土體原有結(jié)構(gòu),對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生一定的擾動(dòng),進(jìn)而不可避免地會(huì)產(chǎn)生裂隙。另外,攪拌機(jī)施工一邊攪拌,一邊注入水泥漿,水泥漿注入時(shí)的壓力,也必然會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擾動(dòng),導(dǎo)致周?chē)馏w已有的裂隙進(jìn)一步擴(kuò)大,從而使水泥漿液的進(jìn)入更加容易。

因此,攪拌樁施工噴入的水泥漿液,難免有部分漿液會(huì)沿著周?chē)馏w的裂隙從樁頂?shù)孛媾懦?尤其在攪拌頭上提過(guò)程中,一邊噴漿一邊攪拌,在臨近地面時(shí),水泥漿液會(huì)更容易地通過(guò)周?chē)馏w的裂隙從樁頂?shù)孛媾懦?產(chǎn)生排土效應(yīng)。

在深圳以往的水泥土攪拌樁軟基處理工程中,一般采用直徑D550 mm或D600 mm的水泥土攪拌樁,攪拌樁施工對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生的擾動(dòng)范圍和影響程度均較大直徑D800 mm的水泥土攪拌樁小,所以排土效應(yīng)較小,排土量少。本工程采用大直徑D800 mm水泥土攪拌樁,且采用四攪四噴施工工藝,攪拌頭上提、下沉四次,均噴漿攪拌,攪拌樁施工排土量會(huì)大于以往的攪拌樁軟基處理工程。因此,對(duì)本工程水泥土攪拌樁施工排土量的準(zhǔn)確計(jì)量是很有必要的。

3 水泥土攪拌樁施工排土的計(jì)量

3.1 水泥土攪拌樁施工排土理論計(jì)算

水泥土攪拌樁是通過(guò)向地基深處注入水泥漿并將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌的一種工藝。從上述攪拌樁施工排土的原因分析看,攪拌樁施工排土量的最大理論值,即為向地基注入的水泥漿體積。本工程按表2中攪拌樁的設(shè)計(jì)參數(shù),分別計(jì)算單軸和三軸的每延米單根水泥土攪拌樁的水泥漿體積,最大理論排土量分別為0.142 m3和0.2 m3。

3.2 單軸水泥土攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)選取9塊總面積約8 000 m2典型地層場(chǎng)地進(jìn)行單軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),如圖2所示。為保證排土計(jì)量的準(zhǔn)確,采用兩家測(cè)量單位分別對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地前后地形獨(dú)立實(shí)測(cè)、計(jì)算。兩家測(cè)量單位對(duì)9塊試驗(yàn)場(chǎng)地排土量的計(jì)算偏差均小于3%,在誤差允許范圍內(nèi),兩家實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均可采用。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別得到單軸攪拌樁的每延米攪拌樁的排土量(m3/延米)、每平方米場(chǎng)地的排土量(m3/m2)以及排土量占注入水泥漿體積的百分比(%),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表3 單軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

3.3 三軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)選取總面積約4.1萬(wàn)m2典型地層場(chǎng)地進(jìn)行三軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),如圖3所示。同樣采用兩家測(cè)量單位獨(dú)立實(shí)測(cè)、計(jì)算的方式,兩家排土量的計(jì)算偏差小于3%,兩家實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均可采用。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù),可分別得到三軸攪拌樁的每延米單根攪拌樁的排土量(m3/延米)、每平方米場(chǎng)地的排土量(m3/m2)以及排土量占注入水泥漿體積的百分比(%),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表4。

3.4 水泥土攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

單軸水泥土攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下:

1)每延米單根攪拌樁的排土量為0.09 m3～0.12 m3,平均為0.1 m3。2)每平方米場(chǎng)地排土量0.30 m3～0.64 m3,平均為0.5 m3。3)攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為56.70%～87.69%,平均為71.23%。

三軸水泥土攪拌樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下:

1)每延米單根攪拌樁的排土量為0.16 m3。2)每平方米場(chǎng)地排土量為2.67 m3。3)攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為79.17%。

表4 三軸攪拌樁施工排土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

4 水泥土攪拌樁施工排土的應(yīng)用

從攪拌樁施工現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看,攪拌樁施工排土一般為摻有水泥漿且經(jīng)充分?jǐn)嚢韬蟮乃嗤?晾曬后強(qiáng)度較高。為研究攪拌樁施工排土的壓實(shí)效果,確定排土的應(yīng)用處理方式,采用現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證其作為路基填料的可行性。

現(xiàn)場(chǎng)選取3處場(chǎng)地分別進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn),試驗(yàn)場(chǎng)地面積共約340 m2。每處試驗(yàn)場(chǎng)地分兩層碾壓,每層虛鋪厚度0.3 m,填筑總厚度0.6 m。填土料選用場(chǎng)內(nèi)經(jīng)晾曬后的攪拌樁施工排土。碾壓采用22 t單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)光面碾壓8遍。填土碾壓后,進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè),且一天內(nèi)進(jìn)行小標(biāo)貫N10測(cè)試,測(cè)試每層填土的擊數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5,分析總結(jié)如下:

1)3處試驗(yàn)場(chǎng)地共進(jìn)行18點(diǎn)次的壓實(shí)度檢測(cè),壓實(shí)度88.0%～97.1%,最佳含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))25%～30%。壓實(shí)度普遍大于90%,僅個(gè)別檢測(cè)點(diǎn)小于90%,可能由于試驗(yàn)區(qū)局部排土存在板結(jié)成團(tuán),且碾壓施工前未經(jīng)充分破碎造成。建議攪拌樁施工排土經(jīng)晾曬、破碎、篩選后使用。

2)3處試驗(yàn)場(chǎng)地共進(jìn)行39點(diǎn)次的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N10檢測(cè),每10 cm厚度平均擊數(shù)為10擊～21擊。根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-31—2016建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定,攪拌樁施工排土承載力特征值達(dá)80 kPa以上。

表5 攪拌樁施工排土壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由上述攪拌樁施工排土壓實(shí)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析表明,水泥土攪拌樁施工排土經(jīng)晾曬、破碎、篩選后,可作為一般路基填料,壓實(shí)度大于90%,承載力特征值可達(dá)80 kPa以上。

5 結(jié)論

基于深圳某機(jī)場(chǎng)軟基處理工程,采用理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究水泥土攪拌樁施工排土的計(jì)量和處理,主要結(jié)論如下:

1)單軸水泥土攪拌樁:每延米單根攪拌樁的排土量為0.09 m3～0.12 m3,平均為0.1 m3;每平方米場(chǎng)地排土量為0.30 m3～0.64 m3,平均為0.5 m3;攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為56.70%～87.69%,平均為71.23%。

2)三軸水泥土攪拌樁:每延米單根攪拌樁的排土量為0.16 m3;每平方米場(chǎng)地排土量為2.67 m3;攪拌樁排土量占注入水泥漿體積的百分比為79.17%。

3)水泥土攪拌樁施工排土經(jīng)晾曬、破碎、篩選后,可作為一般路基填料,壓實(shí)度大于90%,承載力特征值可達(dá)80 kPa以上。

4)大面積水泥土攪拌樁軟基處理工程,建議在設(shè)計(jì)階段考慮一定的攪拌樁施工排土量,避免后續(xù)增加土方棄置費(fèi)用。