公路工程路基加固施工中深層水泥攪拌樁施工技術(shù)分析

薛軍濤

（中鐵二十一局集團(tuán)路橋工程有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

公路工程中，路基加固是確保道路穩(wěn)定性和承載能力的重要環(huán)節(jié)。深層水泥攪拌樁作為一種常用的加固施工技術(shù)，在公路工程中得到了廣泛應(yīng)用。深層水泥攪拌樁通過在土體中注入水泥漿并進(jìn)行攪拌，形成縱向連續(xù)的水泥柱，從而提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該技術(shù)具有施工周期短、效果顯著、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是一種可行、經(jīng)濟(jì)的路基加固方法。因此，探討深層水泥攪拌樁的施工技術(shù)具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 深層水泥攪拌樁在公路路基加固中的價(jià)值

1.1 提升公路路基的承載能力

公路路基需要能夠承受車輛荷載以及自然環(huán)境的影響，但在部分地質(zhì)較差或自然環(huán)境惡劣的區(qū)域，常規(guī)路基難以直接承受車輛荷載。通過深層水泥攪拌樁技術(shù)，可以將土壤與水泥充分?jǐn)嚢杌旌希纬蓤?jiān)固的樁體，從而增加土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此種加固方式可減少路基的沉降和變形，提高路面的穩(wěn)定性和承載能力，確保道路長期安全使用。深層水泥攪拌樁通過創(chuàng)造更牢固的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來支撐路面和交通負(fù)荷。樁體的形成可以使土壤更緊密，并增加土體內(nèi)的摩擦力和抗剪強(qiáng)度，有效地提高了路基的承載能力。同時(shí)，深層水泥攪拌樁還能夠延伸到較深的土層，使路基在不穩(wěn)定土體上建立更牢固的支撐，提供了更可靠的結(jié)構(gòu)[1]。

1.2 改善公路路基的土質(zhì)條件

在公路建設(shè)中，常遇到土質(zhì)條件較差的情況，如軟弱地基、黏性土等。此類土壤會(huì)導(dǎo)致路基的沉降、變形和不穩(wěn)定等問題，影響道路的使用壽命和安全性。通過深層水泥攪拌樁技術(shù)，可以對(duì)土壤進(jìn)行有效的改良。攪拌樁的施工過程中，水泥與土壤充分混合，形成均勻的樁體，此種混合作用可以增加土壤的密實(shí)度、抗剪強(qiáng)度和排水性能，改善土壤的工程性質(zhì)。深層水泥攪拌樁還可以減少土壤的液塑性指標(biāo)，從而提高其可塑性和穩(wěn)定性。即使在軟弱的土壤條件下，也可構(gòu)建出具有足夠承載力和穩(wěn)定性的路基。

1.3 減少路基加固的施工時(shí)間和成本

傳統(tǒng)的路基加固方法往往需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，造成工期延長和成本增加。而深層水泥攪拌樁技術(shù)通過機(jī)械化施工，可高效地完成大面積的路基加固工程。由于深層水泥攪拌樁的施工速度較快，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成大規(guī)模的樁體形成，顯著減少施工周期，縮短工期，提高施工效率[2]。

2 公路工程路基加固中深層水泥攪拌樁的施工技術(shù)要點(diǎn)

2.1 加強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)劃

首先，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的土壤分類和地質(zhì)條件評(píng)估，包括土壤承載能力、滲透性、地下水位以及其他地質(zhì)特征。例如，通過鉆孔取樣和實(shí)驗(yàn)室測試，確定各地層的黏土、砂和巖石含量，這些數(shù)據(jù)對(duì)于設(shè)計(jì)樁的尺寸、混凝土配比以及攪拌參數(shù)至關(guān)重要。其次，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要依據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)來決定樁的布局和尺寸。樁的直徑、間距和布置模式必須根據(jù)地面載荷、交通流量預(yù)測以及路面設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行優(yōu)化。例如，重載交通區(qū)域的樁可能需要更大的直徑（可達(dá)1.5m）和更緊密的間距（1.8m），以承受較大的壓力。此外，施工參數(shù)的設(shè)計(jì)是確保DCM施工成功的關(guān)鍵，包括攪拌工藝的深度、速度和時(shí)間，以及所需水泥漿的黏度和流動(dòng)性。這些參數(shù)需要結(jié)合施工流程（圖1），進(jìn)行先導(dǎo)試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，確保既能實(shí)現(xiàn)足夠的樁體強(qiáng)度，又不會(huì)對(duì)周圍土壤造成不利影響。例如，高黏土含量的土壤可能需要降低攪拌速度和增加攪拌時(shí)間，以免產(chǎn)生過大的剪切力導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞。最后，風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃的制定也是設(shè)計(jì)規(guī)劃過程的重要組成部分。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)識(shí)別并評(píng)估潛在的風(fēng)險(xiǎn)，如施工期間的天氣情況、供應(yīng)鏈問題以及機(jī)械故障等，并制定相應(yīng)的備用方案。例如，在洪水易發(fā)區(qū)域，設(shè)計(jì)時(shí)需加入額外的排水設(shè)計(jì)參數(shù)，并準(zhǔn)備緊急排水設(shè)備和物資[3]。

圖1 施工流程

2.2 合理選擇材料

首先，黏土、砂土以及含有機(jī)質(zhì)土壤對(duì)水泥改性反應(yīng)各不相同。例如，黏土類土壤適合使用快硬型水泥，因?yàn)轲ね僚c水泥的化學(xué)反應(yīng)相對(duì)緩慢；而砂土則需要一定的黏結(jié)劑，因此，常添加具有黏結(jié)作用的粉煤灰或膠結(jié)材料。實(shí)踐中通常通過實(shí)驗(yàn)室測試確定最佳摻量，例如，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)可能顯示，對(duì)于某特定黏土，水泥摻量在20%~30%時(shí)能達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度增長。其次，根據(jù)目標(biāo)強(qiáng)度和耐久性需求挑選適宜的水泥品種。普通硅酸鹽水泥（OPC）廣泛應(yīng)用于多種土壤類型，但在苛刻環(huán)境下，如存在較高的硫酸鹽含量或酸性土壤中，需采用硫鋁酸鹽水泥（SAC）來提高抗硫酸鹽侵蝕能力，SAC 在酸性條件下的性能可以是OPC 的兩倍以上。此外，視工程所在區(qū)域的氣候條件選擇抗凍性或耐熱性材料。溫度變化會(huì)引起水泥土體裂縫，影響其整體性能。例如，在寒冷地區(qū)，冬季施工可能需要抗凍性能更好的水泥，或是添加適量抗凍劑。而在炎熱地區(qū)，快速水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量可能導(dǎo)致過早的水分流失，可選用低熱型水泥或添加適當(dāng)?shù)木從齽Ｔ俅危谶x擇水泥外，還需評(píng)估其他添加劑的必要性，如石灰、粉煤灰或礦物粉等。粉煤灰作為一種工業(yè)副產(chǎn)品，能有效減少水泥用量并提高復(fù)合土的工作性和后期強(qiáng)度。例如，將水泥與粉煤灰按1.0:1.5 比例混合，可使7d 齡期的抗壓強(qiáng)度相比單純水泥土提升20%以上。最后，材料質(zhì)量直接影響路基加固的成效，應(yīng)嚴(yán)格按照國家或地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)開展進(jìn)貨檢驗(yàn)是必不可少的步驟。每批水泥都應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性和一致性測試，確保其物理和化學(xué)性質(zhì)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范[4]。

2.3 合理選擇設(shè)備

首先，應(yīng)選擇能夠適應(yīng)特定地質(zhì)條件（土壤類型、硬度和含水量）的攪拌設(shè)備。對(duì)于混合較硬或干燥土壤的場地，可選擇高扭矩的鉆桿和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)裝置。相反，軟土或泥巖地層需要較小的扭矩和提供更精細(xì)控制速度的設(shè)備。例如，當(dāng)土壤黏度大時(shí)，可以使用連續(xù)螺旋形攪拌頭來減少拔出阻力。其次，大型機(jī)械發(fā)動(dòng)機(jī)功率通常較大，可在復(fù)雜地質(zhì)情況下維持穩(wěn)定的工作性能。然而，對(duì)于空間受限的城市或現(xiàn)有交通網(wǎng)絡(luò)附近的工程，中小型設(shè)備因其良好的機(jī)動(dòng)性和較低的噪音級(jí)別而更加適用。至于操作效率，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模和預(yù)期工期來選擇設(shè)備，在滿足工期的前提下，盡可能提升生產(chǎn)率，例如，選用帶有自動(dòng)化攪拌深度控制系統(tǒng)的設(shè)備以提高作業(yè)精準(zhǔn)度。此外，不同類型的攪拌樁設(shè)備具有不同的工作范圍，例如，從較淺的地層改良到超過30m 深的構(gòu)造。因此，應(yīng)基于設(shè)計(jì)的深度要求，選擇相匹配的攪拌設(shè)備，確保深層攪拌過程能夠到達(dá)設(shè)計(jì)深度。再次，為實(shí)現(xiàn)均勻混合和準(zhǔn)確的樁位置，應(yīng)選用能夠進(jìn)行連續(xù)攪拌并配備高精度定位系統(tǒng)的設(shè)備。此類設(shè)備能夠通過GPS 定位或其他傳感器確保施工的精度，避免樁體位置偏移，從而提高整體路基的承載能力。最后，針對(duì)噪聲和排放管控嚴(yán)格的區(qū)域，應(yīng)挑選符合當(dāng)?shù)丨h(huán)境法規(guī)和排放標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備。低噪音、低排放的設(shè)備雖然初期投資較高，但長遠(yuǎn)來看可減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)降低潛在的環(huán)境責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2.4 控制攪拌工藝

首先，根據(jù)前期的土壤測試結(jié)果，計(jì)算得出最佳的水泥與土壤的質(zhì)量比，通常情況下，水泥用量占土壤重量的10%~30%。實(shí)時(shí)監(jiān)控水泥漿的密度、黏度以及流變性能，確保所有攪拌批次的均勻性和穩(wěn)定性。需要精確控制水泥漿的供應(yīng)系統(tǒng)，包括泵送壓力和流量，防止水泥漿因供應(yīng)不足或過量影響樁體強(qiáng)度和均勻性。其次，通過精確定位系統(tǒng)檢測攪拌頭的垂直位置，以確保按設(shè)計(jì)深度進(jìn)行攪拌，并且避免重復(fù)攪拌或遺漏未攪拌區(qū)域。若攪拌深度不足，將導(dǎo)致樁體底部承載力不足；反之，過深則會(huì)造成材料浪費(fèi)和不必要的成本增加。并采用適當(dāng)?shù)臄嚢桧樞颍鐔闻拧㈦p排或錯(cuò)列排列，這取決于設(shè)計(jì)上的承載力要求和土壤情況。在實(shí)際操作中，應(yīng)考慮到相鄰樁之間攪拌樁在施工中產(chǎn)生的作用力可能對(duì)已完成的樁體造成干擾，因此，需合理規(guī)劃攪拌順序，通常從工作面的兩端開始，逐步向施工區(qū)域的中心推進(jìn)。注漿方面可采用噴射注漿法，結(jié)合實(shí)際選擇單管、雙管、三管。噴射注漿法示意圖如圖2 所示。最后，樁體澆筑結(jié)束后，應(yīng)對(duì)完成的樁體進(jìn)行檢測和評(píng)估，以驗(yàn)證攪拌工藝的效果。通過取樣檢測樁體的不同深度處的強(qiáng)度，確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在特殊情況下，還可以采用無損檢測方法如超聲波測試，來評(píng)價(jià)樁體內(nèi)部的均勻性和完整性。

圖2 噴射注漿法示意圖

2.5 加強(qiáng)質(zhì)量控制

首先，施工前應(yīng)對(duì)水泥、水和其他添加劑進(jìn)行嚴(yán)格測試，確保所選材料符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。例如，水泥應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其細(xì)度、設(shè)置時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)室測試來驗(yàn)證。其次，施工期間要監(jiān)控?cái)嚢枭疃取⑺俣群蜁r(shí)間，確保每一根樁都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通常，現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄設(shè)備參數(shù)，如樁深度傳感器記錄的樁達(dá)到的深度，以及攪拌機(jī)頭的轉(zhuǎn)速。也可在現(xiàn)場設(shè)備中安裝各類傳感器，如深度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)等，傳感器安裝位置如圖3 所示。此外，為確保攪拌均勻性，可以從不同深度和攪拌區(qū)域提取樣本，通過無損檢測技術(shù)如超聲波測試評(píng)估樁身內(nèi)部均質(zhì)性和完整性。結(jié)構(gòu)完整性的評(píng)估通常需要對(duì)超聲波檢測數(shù)據(jù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）中樁位置進(jìn)行分析，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。完成樁體硬化后，通過鉆芯取樣和實(shí)驗(yàn)室測試來評(píng)價(jià)樁的強(qiáng)度和持久性，包括抗壓強(qiáng)度、韌性和抗蝕性。例如，28d 齡期的水泥攪拌樁應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的95%。最后，建立起全面的質(zhì)量管理體系，確保從材料供應(yīng)到施工完成的每個(gè)步驟都有文檔記錄和質(zhì)量追溯。這個(gè)體系應(yīng)包括標(biāo)準(zhǔn)操作程序、質(zhì)量檢查表以及改正和預(yù)防措施。

圖3 傳感器安裝位置

2.6 加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)

首先，施工前期應(yīng)評(píng)估預(yù)計(jì)的環(huán)境影響，并制定相應(yīng)的緩解措施。地下水位測量是必不可少的步驟，因?yàn)镈CM 施工過程中可能會(huì)引起地下水污染。若預(yù)測到有潛在的污染風(fēng)險(xiǎn)，則需采用隔離措施，例如，設(shè)立防滲膜或水平防水層來保護(hù)地下水。其次，選擇適當(dāng)?shù)氖┕C(jī)械也是降低環(huán)境影響的關(guān)鍵。應(yīng)選用符合當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)的機(jī)械，以此減少施工過程中的廢氣排放。此外，還需確保機(jī)械處于良好的運(yùn)行狀態(tài)以減少噪音和振動(dòng)。例如，使用電動(dòng)攪拌機(jī)代替柴油機(jī)攪拌機(jī)可顯著減少噪聲和空氣污染。在材料的使用上，嚴(yán)格控制水泥和添加劑的配比，以減少對(duì)土壤和水質(zhì)的潛在危害。特別是使用環(huán)保型添加劑（如粉煤灰）不僅能提高混凝土性能，而且能減少水泥使用量，從而減少二氧化碳的排放。粉煤灰作為一種副產(chǎn)品，不僅利用了工業(yè)廢料，而且減少了填埋空間的需求。最后，對(duì)完成的樁體附近的土壤和地下水進(jìn)行檢測，確保未超出污染閾值。根據(jù)需要，還應(yīng)實(shí)施長期監(jiān)測計(jì)劃，以評(píng)估施工活動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的長期影響。

3 結(jié)語

綜上所述，通過研究深層水泥攪拌樁施工技術(shù)，可以進(jìn)一步完善和優(yōu)化該技術(shù)，提高公路工程的質(zhì)量和效益。在未來的研究中，需要進(jìn)一步探索土體與水泥漿的充分混合、攪拌樁質(zhì)量的控制以及施工效率的提升等關(guān)鍵問題。同時(shí)，還可以結(jié)合新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，探索更加可持續(xù)和環(huán)保的施工方案。通過不斷改進(jìn)和創(chuàng)新深層水泥攪拌樁施工技術(shù)，將進(jìn)一步提高道路的安全性、舒適性和可靠性。