深層攪拌法在軟弱地基處理中的應(yīng)用

摘

要：本文結(jié)合蘇南運(yùn)河丹陽市河段和江口完善段整治工程的實(shí)踐，闡述了深層攪拌法在軟基處理中的應(yīng)用及加固機(jī)理、施工機(jī)械、工藝流程、質(zhì)量檢驗(yàn)與工程驗(yàn)收等。關(guān)鍵詞：軟基處理深層攪拌法應(yīng)用

基礎(chǔ)是重力式擋土墻非常重要的部分，它關(guān)系到建筑物的穩(wěn)定和沉降量。凡是基礎(chǔ)直接建筑在未經(jīng)加固的天然土層上時(shí)，這種地基稱之為天然地基。若天然地基很軟弱，不能滿足強(qiáng)度和變形的要求，必須經(jīng)過處理后再修建基礎(chǔ)，這種地基稱之為人工地基。我國(guó)工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范指出：“軟弱地基系指壓縮層主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其它高壓縮性土層構(gòu)成的地基”。實(shí)際上，軟弱地基還應(yīng)包括可液化的飽和粉砂和粉土地基，以及濕陷性黃土和膨脹土地基等。地基處理的目的是采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以改善地基土的?qiáng)度、壓縮性、透水性、動(dòng)力特性、濕陷性和脹縮性等。深層攪拌法施工是地基處理中的一種化學(xué)處理方法，它具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、工藝合理、技術(shù)可靠、無振動(dòng)、無噪音、無泥漿、無廢水污染環(huán)境、成本低、效果好等特點(diǎn)，是很適合我國(guó)國(guó)情的一種地基加固方法。根據(jù)固化材料狀態(tài)的不同，它又可分為粉噴(干燥狀態(tài)的水泥)和漿噴(水泥漿)兩種?，F(xiàn)就這兩種施工方法在加固機(jī)理、施工機(jī)械、工藝流程、質(zhì)量檢驗(yàn)與工程驗(yàn)收以及在蘇南運(yùn)河整治工程中的實(shí)際應(yīng)用等方面作一比較分析。1

加固機(jī)理

(1)粉噴攪拌法是利用壓縮空氣通過固化材料供給機(jī)的特殊裝置，攜帶著粉體固化材料，經(jīng)過高壓軟管和攪拌軸輸送到攪拌葉片的噴嘴噴出，借助攪拌葉片旋轉(zhuǎn)，在葉片的背面產(chǎn)生空隙，安裝在葉片背面的噴嘴將壓縮空氣連同粉體固化材料一起噴出，噴出的混合氣體在空隙中壓力急劇降低，促使固化材料就地粘附在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空隙的土中，旋轉(zhuǎn)到半周，另一攪拌葉片把土與粉體固化材料攪拌混合在一起，與此同時(shí)，這只葉片背后的噴嘴將混合氣體噴出，這樣周而復(fù)始地?cái)嚢琛娚?、提升，與固化材料分離后的空氣傳遞到攪拌軸的周圍，上升到地面釋放

(2)漿噴攪拌法是利用水泥漿作固化劑，通過特制的深層攪拌機(jī)械，在加固深度內(nèi)就地將軟土和水泥漿充分拌和，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和足夠強(qiáng)度的水泥土的一種地基處理方法。水泥土的強(qiáng)度機(jī)理主要有兩個(gè)方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥與飽和軟粘土攪拌后，首先發(fā)生水泥的水解和水化反應(yīng)，生成水泥水化物，形成凝膠體-氫氧化鈣，將土顆?；蛐⊥翀F(tuán)凝結(jié)在一起，形成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)整體。其次是離子交換作用，水泥在水化過程中，生成的鈣離子與土顆粒表面的鈉離子(或鉀離子)進(jìn)行離子交換，生成穩(wěn)定的鈣離子，從而提高土體的強(qiáng)度。

(3)粉體噴射攪拌地基土加固與漿體比較具有如下特點(diǎn)：①使用的干燥狀態(tài)的固化材料可以吸收軟土地基中的水分，對(duì)加固含水量高的軟土、極軟土以及泥炭化土地基效果更為顯著。②固化材料全面地被噴射到靠攪拌葉片旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的空隙中，同時(shí)又靠土的水分把它粘附到空隙內(nèi)部，隨著攪拌葉片的攪拌，固化劑均勻地分布在土中，不會(huì)產(chǎn)生不均勻散亂現(xiàn)象，有利于提高地基土的加固強(qiáng)度。③與漿噴深層攪拌或高壓旋噴相比，輸入地基土中的固化材料要少得多，無漿液排出，地面無拱起現(xiàn)象。同時(shí)固化材料是干燥狀態(tài)的0.5mm以下的粉狀體，如水泥、生石灰、消石灰等，材料來源廣泛，并可使用兩種以上的混合材料。因此，對(duì)地基土加固適應(yīng)性強(qiáng)，不同的土質(zhì)要求都可以找出與之相適應(yīng)的固化材料，其適應(yīng)的工程對(duì)象較廣。④固化材料從施工現(xiàn)場(chǎng)的供給機(jī)的貯倉(cāng)一直到噴入地基土中，成為連貫的密閉系統(tǒng)，中途不會(huì)發(fā)生粉塵外溢、污染環(huán)境的現(xiàn)象。2

施工機(jī)械

(1)粉體噴射攪拌機(jī)械一般由攪拌主機(jī)、粉體固化材料供給機(jī)、空氣壓縮機(jī)、攪拌翼和動(dòng)力部分等組成，有單攪拌軸和雙攪拌軸兩種形式。攪拌設(shè)備的主要技術(shù)性能

表1項(xiàng)目

技術(shù)性能

SJB-1深層攪拌機(jī)

攪拌軸數(shù)量(根)

2

攪拌翼外徑(mm)

700～800

攪拌軸轉(zhuǎn)速(r/min)

46

電機(jī)功率(kW)

2×30

起吊設(shè)備

工作時(shí)最小起吊高度(m)

＞14

提升力(kN)

＞100

提升速度(m/min)

0.2～1.0

固化劑制備系統(tǒng)

灰漿攪拌機(jī)容量(L)

2×20

灰漿泵輸送量(m3/h)

3

灰漿泵工作壓力(MPa)

1.47

集料斗容量(M3)

0.40

技術(shù)指標(biāo)

一次加固面積(m2)

0.71～0.80

最大加固深度(m)

10

加固效率(m/臺(tái)班)

40～50

總重量(不包括起重機(jī))(t)

約6.5

(2)我國(guó)第一臺(tái)漿噴專用SJB-1型攪拌機(jī)是雙攪拌頭、中心管輸漿方式的中型機(jī)械，它包括電機(jī)、減速器、攪拌軸、攪拌頭、中心管、輸漿管、單向球閥等部件，采用兩臺(tái)30kW潛水電機(jī)，經(jīng)二級(jí)行星齒輪減速驅(qū)動(dòng)攪拌軸，從而使拌和葉片起轉(zhuǎn)。固化劑注入被加固土中是通過灰漿泵從中心管下端管口壓開單向球閥實(shí)現(xiàn)的，攪拌機(jī)與吊裝機(jī)是以導(dǎo)向系統(tǒng)配合使用的，攪拌頭是一個(gè)重要的部件，它直接影響水泥漿和軟土的拌和均勻程度，決定著地基的加固效果。攪拌設(shè)備的主要技術(shù)性能見表1。3

工藝流程3.1

施工前的準(zhǔn)備工作

(1)按照施工圖設(shè)計(jì)的邊坡，對(duì)攪拌樁施工基面以上的土方組織開挖，以減少不必要的空攪長(zhǎng)度。平整好攪拌樁鉆機(jī)的施工現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)清除施工現(xiàn)場(chǎng)上有礙鉆機(jī)移動(dòng)和實(shí)施鉆孔攪拌的一切障礙物。地表過軟時(shí)，應(yīng)采取換土夯實(shí)或鋪設(shè)墊板等措施，以防鉆機(jī)失穩(wěn)。

(2)按照施工圖的設(shè)計(jì)，對(duì)各排樁的軸線和樁位進(jìn)行測(cè)量放樣，現(xiàn)場(chǎng)樁位布置與施工圖設(shè)計(jì)的誤差不得大于5cm。同時(shí)在鉆機(jī)組裝就位過程中，應(yīng)注意起吊設(shè)備的平穩(wěn)和導(dǎo)向架的垂直，以確保樁體施工的垂直度，其垂直度偏差應(yīng)控制在1.5%以內(nèi)。

(3)為取得良好的地基加固效果，施工前須作好有關(guān)資料的收集、室內(nèi)配合比試驗(yàn)、地基加固設(shè)計(jì)計(jì)算和施工工藝性設(shè)計(jì)。在正式施噴前，應(yīng)進(jìn)行若干根試噴工作，以期熟悉并掌握施工機(jī)械的各項(xiàng)性能，同時(shí)了解各參數(shù)與水泥及外摻劑用量之間的關(guān)系。①水泥。水泥作為固化劑是提高軟土強(qiáng)度的主要因素，一般多采用新出廠的普通硅酸鹽水泥，因其活性高，早期和后期強(qiáng)度均較好，故而加固效果優(yōu)于其它水泥品種。試驗(yàn)表明，水泥加固土的強(qiáng)度隨水泥摻入比aw(摻加水泥重/被加固軟土重×100%)的增加而增大，當(dāng)aw=3%～5%時(shí)，水泥和土的反應(yīng)過弱，固化強(qiáng)度較低，一般取aw=7%～15%。②外摻劑。在漿噴深層攪拌工藝中使用的水泥漿需要用灰漿泵輸送，所以要求流動(dòng)性較大，水灰比一般為0.5～0.6，由于軟土的含水量高，因而對(duì)水泥加固土的強(qiáng)度增長(zhǎng)很不利，為了有利于輸送，選用較為普通的木質(zhì)素磺酸鈣為減水劑。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)水灰比為0.5時(shí)，摻加0.2%水泥用量的木質(zhì)素磺酸鈣，同時(shí)摻加2%水泥用量的石膏為宜。③加固土體中含水量對(duì)強(qiáng)度的影響。土體中的含水量對(duì)水泥漿起稀釋作用，使加固體的強(qiáng)度下降。此外，土中有機(jī)質(zhì)和可溶鹽使土具有過大的水容量和塑性、較大的膨脹性、低滲透性和一定的酸性，這些都阻礙水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，并影響強(qiáng)度的增長(zhǎng)。④不同齡期對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響?；炷翉?qiáng)度在28d齡期基本上達(dá)到峰值，以后隨齡期的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度的提高作為強(qiáng)度的安全儲(chǔ)備。但水泥土的齡期超過28d后，強(qiáng)度卻有明顯增長(zhǎng)，根據(jù)電子顯微鏡觀察，水泥加固土硬凝反應(yīng)的充分完成，約需100d時(shí)間，齡期超過100d后，強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度較為緩慢，一般以90d齡期的強(qiáng)度作為其設(shè)計(jì)強(qiáng)度。3.2

施工過程

(1)粉噴的施工順序?yàn)椋菏箶嚢桡@頭對(duì)準(zhǔn)樁位后，啟動(dòng)粉噴攪拌鉆機(jī)，鉆頭邊旋轉(zhuǎn)邊鉆進(jìn)，貫入時(shí)噴射壓縮空氣，攪拌鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高或?qū)游粫r(shí)停止向下鉆進(jìn)；啟動(dòng)粉體發(fā)送器，使攪拌鉆頭一邊反向旋轉(zhuǎn)，一邊提升，不斷噴射粉體固化材料與土體拌合均勻，將攪拌鉆頭提升距地面30～50cm時(shí)關(guān)閉粉體發(fā)送器，停止向地基土噴射粉體固化材料，防止粉體流出地面；在每根樁第一遍噴粉以后，應(yīng)堅(jiān)特重新將鉆頭鉆至設(shè)計(jì)樁尖標(biāo)高處，進(jìn)行不噴粉的復(fù)攪，復(fù)攪的深度以及下鉆和提鉆的速度應(yīng)與第一次相同，以使水泥和土充分?jǐn)嚢杈鶆颍_保樁身水泥土的均勻一致。

(2)漿噴的施工順序?yàn)椋浩鹬貦C(jī)懸吊攪拌機(jī)定位下沉，啟動(dòng)帶有攪拌頭的攪拌機(jī)，沿導(dǎo)向架攪拌下沉；攪拌機(jī)下沉至設(shè)計(jì)深度后，提升20cm，開啟灰漿泵從攪拌機(jī)中心管下端管口壓開單向球閥，將水泥漿壓入土中，邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)邊提升；重復(fù)攪拌下沉，使軟土和水泥漿攪拌均勻；重復(fù)攪拌提升，一根柱體即告完成。

3.3

施工中應(yīng)注意的問題

3.3.1

粉噴

(1)嚴(yán)格控制水泥質(zhì)量，在粉噴前水泥必須過篩。

(2)認(rèn)真控制好噴灰量和每根樁的噴灰長(zhǎng)度。

(3)隨著土層深度和土質(zhì)的變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)噴粉量降低時(shí)，要及時(shí)采取復(fù)噴的措施，即第一遍噴粉以后，在進(jìn)行復(fù)攪的同時(shí)，進(jìn)行第二次再噴粉。

3.3.2

漿噴

(1)在漿噴過程中深層攪拌機(jī)預(yù)攪下沉?xí)r，應(yīng)盡量不用沖水下沉，當(dāng)遇到較硬土層下沉太慢時(shí)，才可適量沖水。

(2)制備好的水泥漿不得離析，可在灰漿拌制機(jī)中不斷攪拌，待壓漿前再緩慢傾入集料斗中，泵送漿液必須連續(xù)。

(3)當(dāng)樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高與現(xiàn)場(chǎng)地面標(biāo)高相近時(shí)，應(yīng)特別注意樁頭質(zhì)量，可待深層攪拌機(jī)提出地面停機(jī)后，再利用攪拌機(jī)的自身重量對(duì)樁頂加固土層加壓，以提高樁頂?shù)拿軐?shí)性。

3.4

對(duì)不合格樁的處理

如成樁過程中發(fā)生卡管等意外事故，應(yīng)在12h內(nèi)采取補(bǔ)噴措施，補(bǔ)噴重疊長(zhǎng)度不得小于0.5m，否則應(yīng)重新打樁，新樁距報(bào)廢樁的距離不得大于設(shè)計(jì)樁距的15%，如果設(shè)計(jì)要求相鄰固結(jié)體搭接或施工壁狀固結(jié)時(shí)，相鄰柱體的施工間隔不得超過24h，原則上每一施工區(qū)段宜連續(xù)施工。4

質(zhì)量檢驗(yàn)與工程驗(yàn)收4.1

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

(1)樁身試件強(qiáng)度(90d齡期)應(yīng)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其中7d和28d齡期的試件強(qiáng)度應(yīng)分別不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的40%和75%。

(2)實(shí)際噴灰量不能小于設(shè)計(jì)噴灰量，同時(shí)應(yīng)保證樁身水泥土攪拌的均勻性。(3)樁的平面位置偏差為±5cm，垂直度偏差為1.5%(樁長(zhǎng))，深度偏差為±10cm；成樁直徑不小于設(shè)計(jì)直徑2.0cm。

4.2

檢測(cè)方法

(1)在開挖基槽和鑿除樁頭時(shí)，應(yīng)對(duì)樁數(shù)、樁位、樁徑及樁頭強(qiáng)度進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)漏樁、樁位和樁徑偏差過大、樁頭強(qiáng)度偏低等質(zhì)量事故，必須采取補(bǔ)救措施。

(2)取樣檢驗(yàn)在成樁后7d內(nèi)，在鑿除樁頭時(shí)，按照2%～5%的頻率，分別割取6組5×5×5cm的試件進(jìn)行標(biāo)養(yǎng)，分別測(cè)定7d、28d和90d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(3)樁頂強(qiáng)度檢測(cè)，一般可用16、長(zhǎng)2m的平頭鋼筋，垂直放在樁頂，如用人力能壓入10cm(28d齡期)，表明樁頭質(zhì)量有問題，一般可先挖除，再填入100＃素混凝土或砂漿。

(4)在鑿除樁頭過程中，經(jīng)觀測(cè)如對(duì)成樁的均勻性及強(qiáng)度有懷疑，應(yīng)在7d內(nèi)再挖深1m，使用帶鉆頭的輕便觸探器，在樁身中心鉆取樁芯水泥加固土樣，觀察其攪拌均勻程度(主要觀察顏色是否一致，是否存在水泥土的結(jié)核及未被攪勻的土團(tuán)等)，并根據(jù)觸探擊數(shù)(N10)判斷樁身強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求。

(5)對(duì)工程地質(zhì)條件復(fù)雜的場(chǎng)地或重要的大、中型工程，應(yīng)采取現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試，一般僅作單樁垂直載荷試驗(yàn)，必要時(shí)還應(yīng)作單樁或群樁的復(fù)合地基的載荷試驗(yàn)。

(6)對(duì)攪拌樁要求相鄰搭接的圍護(hù)樁和對(duì)整體性要求嚴(yán)格的工程，應(yīng)在有一定齡期后進(jìn)行整體開挖，檢查其外觀質(zhì)量，同時(shí)根據(jù)攪拌樁不同的用途，做好建筑物的沉降或位移觀測(cè)，用以評(píng)價(jià)地基加固或支護(hù)的效果。

4.3

工程驗(yàn)收

攪拌樁驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)提供以下資料：

(1)施工平面和樁位布置及設(shè)計(jì)圖。

(2)設(shè)計(jì)水泥摻合比的土工試驗(yàn)結(jié)果及材料檢驗(yàn)報(bào)告。

(3)施工原始記錄和施工記錄匯總表。

(4)施工質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告(包含樁身尺寸、平面位置、樁頂高程、樁身攪拌均勻性及樁身強(qiáng)度等)。5

工程實(shí)例

在蘇南運(yùn)河鎮(zhèn)江段的整治工程中，首次在丹陽市河段整治工程和江口段完善工程中運(yùn)用深層攪拌樁技術(shù)進(jìn)行軟弱地基加固處理，較好地提高了地基的承載能力，保證了基礎(chǔ)的施工質(zhì)量和駁岸墻身的穩(wěn)定。

(1)丹陽市河段整治工程起迄點(diǎn)為丹陽西老運(yùn)河至新九曲河口東，全長(zhǎng)3.735km。其主要不良持力層為淤泥質(zhì)亞粘土夾粉砂，該層呈流塑、高壓縮性狀態(tài)，含水量大，平均達(dá)37.4%，基本承載力低，僅70kPa。不僅分布較廣，長(zhǎng)達(dá)1.39km，而且埋置較深，最深達(dá)-18m，不能作為駁岸的天然持力層，故采用水泥粉噴深層攪拌樁加固處理。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：樁徑50cm，采用425＃普通硅酸鹽水泥，摻入比αw為12%和15%兩種，樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度(90d齡期)為2.0MPa，樁位設(shè)計(jì)按軟弱土層埋置厚度分別按縱向0.55m至1.15m和橫向0.64m至0.96m的間距呈梅花型布設(shè)。共打設(shè)粉噴樁8655根，總樁長(zhǎng)63860延米，總加固土方量48200m3，平均置換率m=0.26，每加固1m3軟土平均用水泥66Kg。實(shí)際樁身90d齡期平均抗壓強(qiáng)度5.0MPa，而天然土強(qiáng)度僅0.07MPa，對(duì)軟弱土層起到了較好的加固作用。在丹陽化肥廠深埋在地下總?cè)萘窟_(dá)2000t的5個(gè)大型地下油庫(kù)段的駁岸基礎(chǔ)施工過程中，采用柱狀粉噴樁相互搭接(重疊搭接100mm以上)，形成的壁狀加固體作支護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑開挖施工期間有效地控制了地下水的滲流，防止基坑邊坡的坍塌，確保了地下油庫(kù)的安全。

(2)江口段完善工程是蘇南運(yùn)河航道整治入江口銜接工程，其錨泊區(qū)護(hù)岸段位于諫壁船閘上游西岸紙漿廠至古運(yùn)河口，長(zhǎng)335m。其場(chǎng)地工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，現(xiàn)地貌主要為人工地貌，表層為開鑿大運(yùn)河的堆填土，古地貌為古沖溝及其邊緣，呈東西向，與古運(yùn)河的走向基本相同，沉積較厚的軟弱土層，土質(zhì)性質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾泥炭，其含水量較高，承載力低，僅為60kPa，呈軟-流塑狀態(tài)，分布長(zhǎng)度約150m，在部分駁岸基礎(chǔ)下仍有該層分布，為場(chǎng)地內(nèi)的主