深厚淤泥質(zhì)土條件下釘型水泥攪拌樁的適應(yīng)性分析

夏 偉 熊樂舉

（中國市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

淤泥質(zhì)土是指天然含水率大于液限、天然孔隙比在1.0~1.5 之間的黏性土，主要分布在我國東南沿海及內(nèi)陸湖泊、河流沿岸及周邊，具有含水率高、孔隙率大、有機(jī)質(zhì)含量高、壓縮性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)[1]。在工程中處理不善，易導(dǎo)致地基沉降大，造成建筑物墻體開裂，甚至建筑物傾覆。

為了減少淤泥質(zhì)土的工程危害，諸多學(xué)者對淤泥質(zhì)土進(jìn)行了大量的研究，對淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度、變形、電導(dǎo)率、滲透性等有了較為全面的認(rèn)識[2-4]。對淤泥質(zhì)土地基的處理方法主要可以分為淺層處理及深層處理兩類：一類是換填法及拋石擠淤法，主要用于淺層軟土地基處理；另一類是堆載預(yù)壓法、排水固結(jié)法、復(fù)合地基法，主要用于深層軟土路基的處理。研究表明，其中水泥攪拌樁復(fù)合地基法相較于其他幾種處理方法具有節(jié)約資源、控制成本、效果明顯等優(yōu)勢[5-6]，是處理淤泥質(zhì)軟弱地基的常用方法。而釘型水泥攪拌樁與普通水泥攪拌樁相比，工程造價(jià)大致可以節(jié)約20%，且樁體質(zhì)量更佳[7-8]。

本文對舟山市小干島地區(qū)超過20m 的深厚淤泥質(zhì)土層進(jìn)行釘型雙向水泥攪拌樁試驗(yàn)段施工，通過對試驗(yàn)段結(jié)果的分析和總結(jié)，對該地區(qū)采用釘型雙向水泥攪拌樁工藝處理深厚淤泥質(zhì)軟土地基提供參考。

1 理論計(jì)算方法

1.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算

釘形水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基承載力按下式計(jì)算：

式中：fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

fsk——處理后樁間土地基承載力特征值，kPa；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，宜按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取值，如無經(jīng)驗(yàn)時(shí)可取0.75～1.0；

m1——擴(kuò)大頭部分面積置換率；

Apl——擴(kuò)大頭部分面積，m2；

Rak——單樁承載力特征值，kN。

其中，單樁承載力按下列公式綜合確定：

（1）如果樁身強(qiáng)度滿足：

則單樁極限承載力應(yīng)由下式確定：

（2）如果樁身強(qiáng)度滿足：

則單樁極限承載力應(yīng)由下式確定：

（3）如果樁身強(qiáng)度滿足：

則單樁極限承載力應(yīng)由下式確定：

釘形水泥土雙向攪拌樁單樁承載力按下式計(jì)算

式中：Rak——單樁豎向承載力特征值，kN；

η1——擴(kuò)大頭部分樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.6~0.8；

η2——擴(kuò)大頭以下樁體強(qiáng)度折減系數(shù)，可取0.5~0.65；

fcu——水泥土攪拌樁90d 齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值；

qpa——變截面處地基土承載力特征值，kPa；

qpb——樁端地基土承載力特征值，kPa；

qsi——擴(kuò)大頭深度范圍內(nèi)第i層樁周土的摩阻力特征值，kPa；

qsj——下部樁體范圍內(nèi)第j層樁周土的摩阻力特征值，kPa；

hi、hj——擴(kuò)大頭深度范圍內(nèi)第i層，第j層樁周土厚度，m；

n1、n2——分別為擴(kuò)大頭和下部樁體深度范圍內(nèi)，樁周土體的分層數(shù)；

α1——變截面處天然地基土承載力折減系數(shù)，可取0.8~0.9；

α2——樁端天然地基土承載力折減系數(shù)，可取0.4~0.6。

1.2 復(fù)合地基沉降計(jì)算

根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第五版）復(fù)合地基變形包括擴(kuò)大頭復(fù)合土層的沉降s1、下部樁體復(fù)合土層的沉降s2和樁端下臥土層的沉降s3。

其中，攪拌樁復(fù)合地基的沉降si按下式計(jì)算：

式中：pz、pzl——攪拌樁復(fù)合土層頂面、底面的附加壓力值，kPa；

Esp——攪拌樁復(fù)合地基壓縮模量，MPa；

Ep——攪拌樁的壓縮模量，MPa，可取（100~120）fcu；

Es——樁間土的壓縮模量，MPa；

m——樁土置換率，m=D2/de2，其中D為樁或擴(kuò)大頭的直徑，de=1.05S，S為樁間距。

樁端下未加固土層的沉降量按下式計(jì)算

式中：sj——樁端下未加固土層的變形，mm；

ψs——沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007）查表確定；

n1——加固區(qū)土層數(shù)；

n2——加固區(qū)以下的土層數(shù)；

Espi——加固區(qū)以下土的壓縮模量，MPa；

zi、zi-1——樁端下第i層土，第i-1層土底面距離，m。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

舟山市小干島某新建城市道路，紅線寬度26m，城市主干路。根據(jù)道路地勘報(bào)告，地層從上到下依次為②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②3-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②3-2淤泥質(zhì)黏土、③黏土、④1a粉質(zhì)黏土、④2黏土，其中淤泥質(zhì)土最大深度約為23.5m。土層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1所示。

表1 土層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)段方案

釘形水泥土雙向攪拌樁成樁質(zhì)量影響因素主要是水泥摻量、攪拌的均勻性以及加固土體本身的性質(zhì)。因此本次試驗(yàn)段方案對不同水泥摻量（18%和20%）、不同施工工藝（4 攪2 噴和2 攪2 噴）的檢測結(jié)果進(jìn)行對比，以確定最佳的施工工藝和水泥摻量。

本次試驗(yàn)段釘形水泥土雙向攪拌樁正三角形布置，間距2m，樁長20m，上部擴(kuò)大頭長5m，樁徑1m，下部樁長15m，樁徑0.5m。選用42.5R 普通硅酸鹽水泥，水灰比根據(jù)前期試樁結(jié)果采用0.5，水泥材料噴漿壓力不小于0.5MPa。28d鉆孔取芯的取芯率應(yīng)≥85%，28d樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.2MPa，單樁豎向承載力特征值不小于250kN，復(fù)合地基承載力110kPa。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)段方案，成樁28d檢測結(jié)果見表2、表3。

表2 28d后鉆孔取芯試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 28d后單樁豎向承載力特征值

由表2 可以看出，有效樁長均達(dá)不到設(shè)計(jì)樁長，能達(dá)到的有效最大樁長約15m。對于相同地質(zhì)、相同施工工藝，樁身水泥摻量越高，成樁質(zhì)量越好。對于相同地質(zhì)、相同水泥摻量，攪拌次數(shù)越高，水泥土越均勻，成樁質(zhì)量越好。

由表3可以看出，單樁豎向承載力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本次試驗(yàn)段單樁豎向承載力主要受樁身強(qiáng)度控制，水泥摻量越高，攪拌越充分，樁身質(zhì)量越高，單樁豎向承載力越高。

根據(jù)釘形水泥土雙向攪拌樁在該區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果，水泥摻量選用20%，采用4 攪2 噴的施工工藝成樁效果較好。單樁豎向承載力均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但有效樁長無法達(dá)到設(shè)計(jì)計(jì)算樁長。該工程為城市主干路，路基容許工后變形一般路段不超過30cm，橋臺與路堤相鄰處不超過10cm，經(jīng)計(jì)算釘形水泥土雙向攪拌樁進(jìn)行軟基處理后無法滿足路基沉降要求，建議采用其他工藝進(jìn)行路基處理。

3 結(jié)束語

本文通過對釘形水泥土雙向攪拌樁在舟山小干島區(qū)域深厚淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行試驗(yàn)段施工，發(fā)現(xiàn)針對地表以下15m 范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)軟土，采用20%水泥摻量，4攪2 噴的施工工藝成樁質(zhì)量較好。攪拌樁的單樁豎向承載力較高，對于受豎向承載力控制的建筑，可以選用該工藝進(jìn)行地基處理。對于地基變形要求較高的建筑物，淤泥質(zhì)土深度在15m 以下，可采用釘形水泥土雙向攪拌樁進(jìn)行地基處理；淤泥質(zhì)土超過15m 時(shí)，建議添加外摻劑進(jìn)行重新試驗(yàn)或更換其他地基處理工藝。