雙向水泥攪拌樁在杭嘉湖平原軟基處理中的應用研究

魏自富，劉燦 （中交水利水電建設有限公司，浙江 寧波 315200）

1 引言

浙江省軟土主要分布在浙北、浙東平原區，軟土質層具有高含水率、弱透水性、大孔隙比、低抗剪強度等工程特性，不能滿足市政道路等工程建設需要，需采取加固處理措施。路基的穩定性是市政道路工程建設的關鍵，如果軟基處理不當，會嚴重影響施工過程中的質量和安全，造成邊坡失穩滑塌、道路不均勻沉降等危害，增加市政道路使用過程中的安全隱患及后期運營維護成本。目前軟基處理方法主要包括換填法、排水固結法、就地固化法、水泥攪拌樁法、高壓噴射注漿法、剛性樁法、輕質路堤法等，這些處理方法有各自的優勢和適用特點，能實現軟基處理效果，滿足工程建設需要。其中水泥攪拌樁法是應用較為廣泛、施工難度低、經濟實用性較高的處理措施，根據軟土含水率的不同，分為噴粉、噴漿兩種工藝，分別采用干噴法、濕噴法施工。本文以濕噴法水泥攪拌樁為例，對比分析現有施工技術，采用調整雙向水泥攪拌樁施工技術參數等措施，解決了穿越粉土、黏土及粉質黏土等夾層下水泥攪拌樁施工的技術難題，較好地解決了攪拌樁成樁質量問題，提高了攪拌樁施工質量一次合格率。

2 水泥攪拌樁現有技術分析

2.1 加固機理及特點

水泥攪拌樁在軟基處理和加固中是以水泥、水的配制液作為主要固化劑，也可采用多種固化材料的混合物，以及根據工程需要和土質條件摻加減水劑、早強劑等外摻劑，采用水泥攪拌樁施工機械，把已經拌制好的水泥漿噴入軟土地基并進行強制攪拌混合，使得基土和水泥漿等固化劑之間發生充分的物理化學反應，改變原有土體構造，降低軟土地基的壓縮性和塑性，黏結形成較高強度的柱狀等水泥加固土，與樁間土共同承擔上部荷載，使得軟土的地基轉變成為具有整體性、水穩性和一定強度的復合型地基，從而達到提高地基承載力、減小地基沉降量或者防止土體側向滑動的目的。

水泥攪拌樁復合地基樁土之間形成的增強體起到加筋作用，同時還對周圍土體產生一定程度的擠密和排水固結作用，增強土體抗剪強度，結合基礎及土工格柵碎石墊層等水平加筋墊層的調節能力，使樁土共同起到承載作用。相關研究表明，影響水泥攪拌樁復合地基承載力的主要因素有面積置換率、地基土性、樁長和面周比，適當的增加面積置換率、樁長可有效提高水泥攪拌樁復合地基承載力，較小面周比的攪拌樁具有較高的單樁承載力特征值；在同一地基土性條件下，面積置換率、樁長相同時，面周比較小的單軸攪拌樁的單樁承載力特征值高于雙軸攪拌樁。

2.2 現有施工技術對比分析

水泥攪拌樁根據單次施工加固范圍不同可分為單軸、雙軸、三軸及以上，根據單次鉆進成樁數量的不同可分為單樁、雙樁（非咬合樁），根據鉆頭攪拌葉片旋轉方向的不同可分為單向、雙向、多向攪拌，根據鉆頭結構不同主要分為單鉆桿＋葉片結構、內外同心鉆桿＋葉片結構、單鉆桿＋齒輪系＋葉片結構，其中雙向水泥土攪拌樁機根據驅動裝置的不同可分為單電機、雙電機驅動；按照鉆桿外截面形狀可分為圓形鉆桿、方形鉆桿，采用圓形鉆桿的攪拌樁返漿量小于方形鉆桿的攪拌樁，前者有效摻灰量大?，F有施工技術對比分析如表1所示。

表1 現有施工技術對比分析

3 工程概況

南太湖某路網項目地貌分區屬浙北平原區堆積地貌沖湖海積平原，地勢平坦。根據浙江省軟土分區，屬于杭嘉湖平原軟土分布區，勘察期間場地主要為農田、池塘、荒地、河道、村莊等，本工程道路市政工程重要性等級為二級，場地復雜程度等級二級，巖土條件復雜程度等級為二級，道路等級為城市支路，設計時速為30km/h，標準路幅寬度25m。試驗段場地勘察報告揭示的地質土層自上而下情況如表2所示。

表2 地質土層情況及特性

4 軟基處理設計

結合地勘資料、道路等級、填方高度、設計荷載等，并結合當地軟基處理經驗及本項目軟土層特點，本次設計對道路軟基路段采用單軸雙向水泥攪拌樁進行處理，試驗段軟基處理攪拌樁持力層主要位于第④層粉土層。水泥攪拌樁的樁徑為0.5m，一般路段有效樁長10m，橋頭30m 范圍樁心距采用1.1m，一般路段樁心距采用1.5m，橋頭路段與一般路段之間設置30m 過渡段，樁心距1.3m，樁位在平面上呈等邊三角形布置。樁體設計摻灰量55kg/m，水泥采用42.5MPa 普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為0.45～0.55。

圖1 水泥攪拌樁平面布置圖

為了增加攪拌樁水泥漿液的和易性和穩定性，提高早期強度，在軟土的天然含水量較高段，在有條件的情況下制備水泥漿時可以考慮摻加高效減水劑或早強劑（設計不做強制要求），摻量由室內配合比試驗確定。

樁體施工工藝采用2 噴4 攪（見圖2），每個作業點施工前必須先打不少于5 根的工藝試驗樁，以檢驗機具性能及施工工藝中的各項技術參數。成樁28天后對樁體取芯，進行室內無側限抗壓強度測試，樁體28 天無側限抗壓強度＞1.0MPa，采取復合地基靜載試驗對雙向水泥土攪拌樁進行復合地基承載力檢驗，處理后的符合地基承載力要求不小于100kPa，復合地基承載力檢測頻率為總樁數1.0%，取芯0.5%，并不得少于3根。

圖2 “2噴4攪”工藝流程

圖3 一般路段水泥攪拌樁立面圖

路基填筑須在攪拌樁施工完養護1個月后進行，水泥攪拌樁樁頂鋪設30cm 級配碎石墊層，中間鋪土工格柵，級配碎石最大粒徑不大于31.5mm，壓實度不小于97%，土工格柵縱、橫向抗拉強度大于80kN/m，延伸率不大于3%。

5 施工設備及技術參數選擇

5.1 主要設備配置

雙向攪拌工藝選取SJB-II 型單軸雙向水泥攪拌樁機（雙頭），鉆頭采用兩組正反方向葉片，主要施工機械設備配置如表3所示。

表3 主要機械設備配置表

5.2 施工技術參數選擇

按照設計要求，在作業點水泥攪拌樁施工前，選取5 根樁呈梅花型布置，進行工藝性試樁，采用42.5MPa 普通硅酸鹽水泥（散裝）進行室內配合比試驗，最終選定水泥攪拌樁施工技術參數如表4所示。

表4 水泥攪拌樁主要技術參數表

6 雙向水泥攪拌樁技術現場試驗

6.1 試驗檢測

成樁28 天后，對各作業點已施工完成部分的水泥攪拌樁進行取芯和復合地基承載力試驗檢測，試驗檢測結果統計如表5所示。

表5 水泥攪拌樁一次性合格率統計表

6.2 原因分析及要因確定

在采用選定的機械設備和技術參數進行施工的水泥攪拌樁，其一次性合格率最低為74.5%，距離一次性合格率≥90%的質量目標還有很大差距。為提高水泥攪拌樁施工質量一次性合格率，對施工質量檢驗記錄進行統計分析，按照質量缺陷數據進行分類、整理，如表6 可知，影響水泥攪拌樁施工質量一次性合格率的主要癥結是樁體強度不足和樁體不均勻。

表6 水泥攪拌樁施工質量缺陷調查統計表

在試驗段穿越粉土、黏土及粉質黏土等夾層下水泥攪拌樁施工過程中，對可能產生樁體強度不足和樁體不均勻的各個影響因素進行逐個驗證，確定導致樁體強度不足和樁體不均勻問題產生的主要原因是鉆頭選型及操控不當、注漿壓力不匹配，提出了針對性的解決措施，并進行目標驗證。

6.3 實施對策

6.3.1 設備選型及操控

6.3.1.1 方案對比

從鉆頭選型和樁機鉆進、提升速度控制兩個方面落實對策，制定方案并進行方案結果對比，如表7所示。

表7 設備選型及操控對策落實方案對比

6.3.1.2 解決措施

①施工前交底，明確樁機鉆頭型號

樁機進場前，對樁機班組所有人員進行交底，要求必須使用選定的樁機鉆頭型號。

②不定期抽查

水泥攪拌樁施工全過程中，管理人員需旁站監督，并不定期抽查樁機鉆進、提升速度，穿過特殊土層時要求作業人員必須減緩鉆進速度。

6.3.2 注漿壓力確定

6.3.2.1 方案對比

在淤泥質土質下，選取8m 的樁為試驗對象，分別采用[0.1～0.3）MPa、[0.3～0.5）MPa、[0.5～0.7）MPa 三種壓力進行對比，如表8所示。

表8 淤泥質土注漿壓力結果對比

由表8 可知：①注漿壓力為[0.1～0.3）MPa 時，實際水泥漿用量低于設計用量，但檢測合格率偏低；②注漿壓力為[0.3～0.5）MPa 時，水泥漿用量在容許偏差范圍內，檢測合格率滿足目標要求；③注漿壓力為[0.5～0.7）MPa 時，檢測合格率滿足目標要求，但水泥漿液用量超出設計用量，導致成本增加，經濟效益下降。

因此，在淤泥質土下，注漿壓力為[0.3～0.5）MPa 時，既達到了對策目標又節省了成本，提高了經濟效益。

另選取一批8m 的樁為試驗對象，穿過淤泥質土時均采用[0.3～0.5）MPa，在穿過粉土、黏土及粉質粘土等夾層時（可根據鉆進是否卡頓、鉆進速度變化、電流變化來判斷），分別采用[0.1～0.3）MPa、[0.3～0.5）MPa、[0.5～0.7）MPa 三種壓力進行對比，注漿壓力對比結果如表9所示。

表9 含夾層土注漿壓力結果對比

由表9 可知：①注漿壓力為[0.1～0.3）MPa、[0.3～0.5）MPa 時，檢測合格率偏低，達不到目標要求；②注漿壓力為[0.5～0.7）MPa 時，檢測合格率滿足目標要求。

因此，在穿過粉土、黏土及粉質粘土等夾層時，注漿壓力需提升至為[0.5～0.7）MPa，并減小鉆進速度，以確保成樁效果。

6.3.2.2 解決措施

①通過增設壓力表，確保每次抽泵頻率均勻

通過配備顯示管道壓力的壓力表和計量水泥噴入量的流量計，安排專人督查壓力表、流量計，確保噴漿壓力穩定在[0.3～0.5）MPa，噴漿量穩定。

②穿越夾層時提升注漿壓力，減緩鉆進速度

當水泥攪拌樁打設過程中鉆進受阻、樁機晃動、電流明顯波動時，提升注漿壓力至[0.5～0.7）MPa，并減緩鉆進速度。

6.3.3 施工技術參數調整

根據實施對策的方案比選結果及針對性的解決措施，對施工技術參數進行調整，如表10所示。

表10 調整后施工技術參數

6.4 效果檢查

對策實施后，對本工程后續水泥土攪拌樁施工質量的一次合格率進行統計，共檢測72 項次，強度不足與樁體不均勻的缺陷均未出現，而其他缺陷累計出現6次，如表11所示。

表11 對策實施后水泥攪拌樁施工質量一次合格率統計表

對策實施后，水泥攪拌樁施工質量一次合格率提高至90%以上，達到質量管理目標，減少補樁工作，對工程總體質量、進度控制提供了有效保障，同時獲得較好的經濟效益。

7 結語

杭嘉湖平原軟土地質情況復雜，南太湖市政道路建設采用單軸雙向水泥攪拌樁2噴4攪濕噴法施工工藝時，通過對樁體強度不足和樁體不均勻兩個主要質量缺陷的量化分析，制定設備選型及操控、注漿壓力確定對比方案，調整施工技術參數，結合現場試驗結果，解決了穿越硬夾層下水泥攪拌樁施工的技術難題，使水泥漿液與土體攪拌均勻，減少了樁身強度沿樁長的離散型，較好地解決了攪拌樁成樁質量問題，實現了技術創效。