濱海密實厚砂層地質(zhì)下水泥攪拌樁施工應(yīng)用

張雙鈴，張俊坦

（1、廣州建潮建筑工程有限公司 廣州 510507；2、廣東電網(wǎng)廣州供電局 廣州 510620）

0 引言

軟土在我國沿海原始灘涂地區(qū)分布廣泛，具有埋深厚、高壓縮性、高含水量及土體性質(zhì)復(fù)雜等特性［1-5］。隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，建設(shè)用地越來越緊張，在沿海深厚軟土區(qū)進行建設(shè)也日趨頻繁，因此采用合適的地基處理方法，達到加固軟土并改善其承載特性的措施，成為近年來來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點［6］。

常用的軟基處理方法有水泥攪拌樁法、高壓噴射注漿法、砂石擠密法及排水固結(jié)法等。水泥攪拌樁的作用機理為通過深層攪拌機械，將原狀土層與配置好的水泥漿液充分拌合，通過水泥和原狀土的一系列物理及化學(xué)反應(yīng)，形成膠凝結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強土體的結(jié)構(gòu)性及承載力，達到地基改良的目的［7-9］。

水泥攪拌樁施工技術(shù)具有成本低、無污染、作業(yè)周期短等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于軟基處理中。根據(jù)水泥攪拌樁的施工工藝及機械類型，分為單軸、雙軸和三軸3種形式，雙軸和三軸相比單軸水泥土攪拌樁來說，具有相鄰樁搭接良好、經(jīng)濟效益高、成樁垂直度有保證、工藝簡單、工期較短等優(yōu)點，其中單軸攪拌樁由于構(gòu)造簡單及使用靈活方便等特性，仍然在地基加固處理中有著廣泛的應(yīng)用。而受場地條件和地質(zhì)條件的影響，現(xiàn)場施工存在諸多不確定性，如施工工藝、水灰比、水泥用量、氫氧化鈉摻量等［10］。

水泥土攪拌樁對施工質(zhì)量的要求很高，施工工藝對水泥土攪拌樁樁身水泥土的強度影響很大［11］。本文以廣東某濱海新建道路工程密實厚砂層地質(zhì)下水泥攪拌樁軟基處理為依托，分析了單軸攪拌樁施工過程中鉆桿下沉及提升困難、水泥用量大的關(guān)鍵影響因素，以解決實際問題為目的，通過調(diào)整機械參數(shù)及對改進鉆頭等措施，成功解決了厚砂層地質(zhì)下水泥攪拌樁鉆進及提升困難的問題，可為同類型工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

某海濱新建道路工程全長6.4 km，該道路原地面高程2.7～4.4 m，地下水位1.8 m，地下水豐富，場地自下而上分別為雜填土混塊石、素填土、細砂、淤泥質(zhì)土、粘土和砂質(zhì)粘性土。其中砂層與淤泥質(zhì)土層厚度明顯大于其他土層，分別約為4 m和5 m。

設(shè)計采用單軸水泥攪拌樁處理、四噴四攪工藝施工，樁徑500 mm，樁中心距1.5～1.8 m，梅花型布置，平均樁長11 m，水泥采用P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比0.5～0.6，水泥用量為不少于60 kg/m。水泥攪拌樁施工中必須穿砂層、透淤泥層，樁端持力層為砂質(zhì)粘土層。水泥攪拌樁總長約860 000 m。

2 首次試樁

首次試樁參數(shù)如下：

⑴樁機采用PH-5D 型水泥攪拌機，主電機功率45 kW，大盤扭矩50 kN·m，進提鉆電機7.5 kW。

⑵水泥漿按照水灰比0.55 配制，噴漿流量設(shè)置為12.25 L/min。

試樁處對應(yīng)地質(zhì)勘探點ZK43，該段的試驗樁設(shè)計樁長11 m，工程地質(zhì)斷面如圖1 所示。在施工過程中發(fā)現(xiàn)鉆頭在下沉至約1 m 后下沉速度會明顯減緩，鉆桿并不能按照設(shè)定速度1.2 m/min鉆進，且由于下降緩慢同時鉆頭出漿孔在不斷噴漿，鉆孔位置有水泥漿開始溢出；艱難鉆進約5 m 后，情況開始好轉(zhuǎn)，鉆桿可以按照設(shè)定速度下沉，直至進提電機的電流表指針讀數(shù)發(fā)生突變，深度計深度讀數(shù)與圖紙樁長基本吻合，可以判定已鉆進至持力層。提升過程中，鉆頭順利通過淤泥層后進入砂層，速度再次減緩，提升困難，同時鉆桿晃動幅度大，甚至與樁機發(fā)生碰撞。

圖1 ZK43點工程地質(zhì)斷面Fig.1 Engineering Geological Section of ZK43 （m）

首次試樁成果：單樁平均施工用時90 min，水泥用量約為100 kg/m，試樁成果明顯與設(shè)計標準不符。

3 原因分析

通過研究地質(zhì)情況、分析機械性能和設(shè)計參數(shù)，總結(jié)出了主要原因，分析如下：

⑴細砂層密實度高，由于砂層經(jīng)水浸潤后會由松散狀態(tài)變?yōu)槊軐崰顟B(tài)，砂層密實意味著鉆進過程中遇到阻力更大，并且隨著鉆頭不斷深入，阻力隨之加大，導(dǎo)致試樁過程中鉆進約1 m 后，鉆頭進入砂層，鉆進速度驟降。

⑵機械性能不足，大盤扭矩過小，不能給鉆桿提供足夠的扭力，機身也不能承受相應(yīng)的反作用力，導(dǎo)致鉆桿提升過程中劇烈晃動，機械超負荷運行。

⑶鉆頭結(jié)構(gòu)不合理，試樁以及試驗段施工過程中用的是老舊的鉆頭，工藝為普通鑄鐵焊接，從結(jié)構(gòu)上看舊鉆頭沒有擠土下鉆的功能，使得下沉困難，舊鉆頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 舊鉆頭示意圖Fig.2 Schematic Diagram of an Old Drill

4 解決方案

經(jīng)分析，砂層可以通過減緩其密實速度來達到減少鉆進阻力的目的，通過減小水灰比使水泥漿變得粘稠，水泥漿經(jīng)鉆頭出漿孔與砂層混合后，可以起一定潤滑作用。經(jīng)與設(shè)計單位溝通研究，將原設(shè)計水泥用量的不少于60 kg/m 改為65 kg/m，在施工過程中將水灰比控制在0.5。

針對機械性能問題，將原使用的PH-5D型水泥攪拌機換成其升級機型PH-5D Ⅱ型，該機型主電機最大功率為55 kW，大盤扭矩≤90 kN·m、進提鉆電機最大功率為15 kW、鉆力320 kN，性能較原機型有全方位提升。

最后是改進鉆頭，為了使鉆頭旋轉(zhuǎn)時有切土下鉆的趨勢，設(shè)計了新型鉆頭，鉆頭設(shè)計圖如圖3?所示；在厚壁圓鋼管左右焊接2 塊鑄鐵片作為槳葉，呈螺旋向下形狀；槳葉末端焊接挖掘機斗齒，其高強度鋼材可以減少沙粒磨耗，避免由于鉆頭磨損而頻繁更換鉆頭；最后在鋼管末端焊接五邊形鑄鐵尖頭，有助于減少下沉阻力，鉆頭實物如圖3?所示。

圖3 鉆頭設(shè)計圖及實物Fig.3 Drill Bit Design Drawing and Physical

5 改進后檢驗

5.1 技術(shù)改進前后對比

⑴施工效率提高：經(jīng)技術(shù)改進后，樁機鉆進與提升速度能滿足《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范：GB 51004—2015》要求的不大于1.2 m/min 鉆進速度和0.8 m/min提升速度，從試樁時的90 min完成單樁施工到改進后約50 min即可完成，效率得到大大提升。

⑵材料浪費減少：技術(shù)改進后，由于鉆進效率得到提升，水泥漿溢出鉆孔的情況也得到改善，減少了材料浪費。從施工場地可以看出，改進前的地面在施工后表面形成一層滿鋪的水泥砂漿層，技術(shù)改進地面溢出少量水泥漿，改進前后的施工現(xiàn)場場地情況如圖4 所示。后經(jīng)施工記錄分析，單樁水泥用量從試樁時的100 kg/m 減少到改進后的65 kg/m，使得本軟基處理工程的經(jīng)濟效益得到提高。

圖4 改進前后施工場地Fig.4 Construction Site before and after Improvement

⑶維修次數(shù)減少：由于鉆頭主要部件從普通鑄鐵換成了用于挖掘機斗齒的高強度鋼材，鉆頭磨損量降低，可以持續(xù)使用更長時間，不需要因為磨損后鉆頭直徑不達標而更換。

5.2 成樁效果

隨著水泥土攪拌樁在加固、止水等方面的應(yīng)用日益廣泛，其質(zhì)量檢驗已成為完善水泥土攪拌法不可缺少的組成部分［12］。為了檢驗經(jīng)技術(shù)改進后的樁身質(zhì)量和成樁效果，對水泥攪拌樁進行了一次隨機抽芯檢測，芯樣如圖5 所示。從芯樣可以看出，該樁樁身完整，沒有出現(xiàn)水泥攪拌樁在淤泥層中不成樁的通病，其樁端已進入持力層，滿足設(shè)計要求。

圖5 水泥攪拌樁芯樣Fig.5 Cement Mixing Pile Core Sample

6 結(jié)論

通過上述濱海厚砂層地質(zhì)條件下水泥攪拌樁施工分析及改進，得出以下結(jié)論：

⑴濱海厚砂層地質(zhì)條件下水泥漿水灰比宜為0.5；

⑵采用大功率的水泥攪拌樁，保證鉆進及提升效率；

⑶采用對砂層有良好切割功能及耐磨的鉆頭，對加快水泥攪拌樁施工速率可起到良好的效果。