深層攪拌法在軟弱地基處理中的應用
王海兵
【鎮江市港航工程公司 鎮江212003】
摘 要：本文結合蘇南運河丹陽市河段和江口完善段整治工程的實踐，闡述了深層攪拌法在軟基處理中的應用及加固機理、365JT施工機械、工藝流程、質量檢驗與工程驗收等。?
關鍵詞：軟基處理深層攪拌法應用
基礎是重力式擋土墻非常重要的部分，它關系到建筑物的穩定和沉降量。凡是基礎直接建筑在未經加固的天然土層上時，這種地基稱之為天然地基。若天然地基很軟弱，不能滿足強度和變形的要求，必須經過處理后再修建基礎，這種地基稱之為人工地基。我國工業與民用建筑地基基礎365JT設計規范指出：“軟弱地基系指壓縮層主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其它高壓縮性土層構成的地基”。實際上，軟弱地基還應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的措施，以改善地基土的強度、壓縮性、透水性、動力特性、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處理方法，它具有設備簡單、操作方便、工藝合理、365JT技術可靠、無振動、無噪音、無泥漿、無廢水污染環境、成本低、效果好等特點，是很適合我國國情的一種地基加固方法。根據固化材料狀態的不同，它又可分為粉噴(干燥狀態的水泥)和漿噴(水泥漿)兩種。現就這兩種施工方法在加固機理、施工機械、工藝流程、質量檢驗與工程驗收以及在蘇南運河整治工程中的實際應用等方面作一比較分析。
1 加固機理
(1)粉噴攪拌法是利用壓縮空氣通過固化材料供給機的特殊裝置，攜帶著粉體固化材料，經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，在葉片的背面產生空隙，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產生空隙的土中，旋轉到半周，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，這只葉片背后的噴嘴將混合氣體噴出，這樣周而復始地攪拌、噴射、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械，在加固深度內就地將軟土和水泥漿充分拌和，使軟土硬結成具有整體性、水穩定性和足夠強度的水泥土的一種地基處理方法。水泥土的強度機理主要有兩個方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥與飽和軟粘土攪拌后，首先發生水泥的水解和水化反應，生成水泥水化物，形成凝膠體-氫氧化鈣，將土顆粒或小土團凝結在一起，形成一種穩定的結構整體。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)進行離子交換，生成穩定的鈣離子，從而提高土體的強度。?
(3)粉體噴射攪拌地基土加固與漿體比較具有如下特點：?
①使用的干燥狀態的固化材料可以吸收軟土地基中的水分，對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過程中產生的空隙中，同時又靠土的水分把它粘附到空隙內部，隨著攪拌葉片的攪拌，固化劑均勻地分布在土中，不會產生不均勻散亂現象，有利于提高地基土的加固強度。?
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，地面無拱起現象。同時固化材料是干燥狀態的?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，對地基土加固適應性強，不同的土質要求都可以找出與之相適應的固化材料，其適應的工程對象較廣。?
④固化材料從施工現場的供給機的貯倉一直到噴入地基土中，成為連貫的密閉系統，中途不會發生粉塵外溢、污染環境的現象。?
2 施工機械
(1)粉體噴射攪拌機械一般由攪拌主機、粉體固化材料供給機、空氣壓縮機、攪拌翼和動力部分等組成，有單攪拌軸和雙攪拌軸兩種形式。
攪拌設備的主要技術性能 表1
項目 技術性能
SJB-1
深
層
攪
拌
機
攪拌軸數量(根) 2
攪拌翼外徑(mm) 700～800
攪拌軸轉速(r/min) 46
電機功率(kW) 2×30
起
吊
設
備 工作時最小起吊高度(m) ＞14
提升力(kN) ＞100
提升速度(m/min) 0.2～1.0
固
化
劑
制
備
系
統 灰漿攪拌機容量(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
指
標
一次加固面積(m2) 0.71～0.80
最大加固深度(m) 10
加固效率(m/臺班) 40～50
總重量(不包括起重機)(t) 約6.5
(2)我國第一臺漿噴專用SJB-1型攪拌機是雙攪拌頭、中心管輸漿方式的中型機械，它包括電機、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30kW潛水電機，經二級行星齒輪減速驅動攪拌軸，從而使拌和葉片起轉。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現的，攪拌機與吊裝機是以導向系統配合使用的，攪拌頭是一個重要的部件，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。攪拌設備的主要技術性能見表1。?
3 工藝流程
3.1 施工前的準備工作
(1)按照施工圖設計的邊坡，對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度。平整好攪拌樁鉆機的施工現場，同時清除施工現場上有礙鉆機移動和實施鉆孔攪拌的一切障礙物。地表過軟時，應采取換土夯實或鋪設墊板等措施，以防鉆機失穩。?
(2)按照施工圖的設計，對各排樁的軸線和樁位進行測量放樣，現場樁位布置與施工圖設計的誤差不得大于5cm。同時在鉆機組裝就位過程中，應注意起吊設備的平穩和導向架的垂直，以確保樁體施工的垂直度，其垂直度偏差應控制在1.5%以內。?
(3)為取得良好的地基加固效果，施工前須作好有關資料的收集、室內配合比試驗、地基加固設計計算和施工工藝性設計。在正式施噴前，應進行若干根試噴工作，以期熟悉并掌握施工機械的各項性能，同時了解各參數與水泥及外摻劑用量之間的關系。?
①水泥。水泥作為固化劑是提高軟土強度的主要因素，一般多采用新出廠的普通硅酸鹽水泥，因其活性高，早期和后期強度均較好，故而加固效果優于其它水泥品種。試驗表明，水泥加固土的強度隨水泥摻入比a?w(摻加水泥重/被加固軟土重×100%)的增加而增大，當a?w=3%～5%時，水泥和土的反應過弱，固化強度較低，一般取a?w=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，因而對水泥加固土的強度增長很不利，為了有利于輸送，選用較為普通的木質素磺酸鈣為減水劑。根據試驗，當水灰比為0.5時，摻加0.2%水泥用量的木質素磺酸鈣，同時摻加2%水泥用量的石膏為宜。?
③加固土體中含水量對強度的影響。土體中的含水量對水泥漿起稀釋作用，使加固體的強度下降。此外，土中有機質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的進行，并影響強度的增長。?
④不同齡期對強度增長的影響。
混凝土強度在28d齡期基本上達到峰值，以后隨齡期的增長，其強度的提高作為強度的安全儲備。但水泥土的齡期超過28d后，強度卻有明顯增長，根據電
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子顯微鏡觀察，水泥加固土硬凝反應的充分完成，約需100d時間，齡期超過100d后，強度繼續增長，但增長速度較為緩慢，一般以90d齡期的強度作為其設計強度。
3.2 施工過程
(1)粉噴的施工順序為：使攪拌鉆頭對準樁位后，啟動粉噴攪拌鉆機，鉆頭邊旋轉邊鉆進，貫入時噴射壓縮空氣，攪拌鉆進至設計標高或層位時停止向下鉆進；啟動粉體發送器，使攪拌鉆頭一邊反向旋轉，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時關閉粉體發送器，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，應堅特重新將鉆頭鉆至設計樁尖標高處，進行不噴粉的復攪，復攪的深度以及下鉆和提鉆的速度應與第一次相同，以使水泥和土充分攪拌均勻，確保樁身水泥土的均勻一致。?
(2)漿噴的施工順序為：起重機懸吊攪拌機定位下沉，啟動帶有攪拌頭的攪拌機，沿導向架攪拌下沉；攪拌機下沉至設計深度后，提升20cm，開啟灰漿泵從攪拌機中心管下端管口壓開單向球閥，將水泥漿壓入土中，邊噴漿邊旋轉邊提升；重復攪拌下沉，使軟土和水泥漿攪拌均勻；重復攪拌提升，一根柱體即告完成。?
3.3 施工中應注意的問題?
3.3.1 粉噴?
(1)嚴格控制水泥質量，在粉噴前水泥必須過篩。?
(2)認真控制好噴灰量和每根樁的噴灰長度。?
(3)隨著土層深度和土質的變化，當發現噴粉量降低時，要及時采取復噴的措施，即第一遍噴粉以后，在進行復攪的同時，進行第二次再噴粉。?
3.3.2 漿噴?
(1)在漿噴過程中深層攪拌機預攪下沉時，應盡量不用沖水下沉，當遇到較硬土層下沉太慢時，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。?
(3)當樁頂設計標高與現場地面標高相近時，應特別注意樁頭質量，可待深層攪拌機提出地面停機后，再利用攪拌機的自身重量對樁頂加固土層加壓，以提高樁頂的密實性。?
3.4 對不合格樁的處理
如成樁過程中發生卡管等意外事故，應在12h內采取補噴措施，補噴重疊長度不得小于0.5m，否則應重新打樁，新樁距報廢樁的距離不得大于設計樁距的15%，如果設計要求相鄰固結體搭接或施工壁狀固結時，相鄰柱體的施工間隔不得超過24h，原則上每一施工區段宜連續施工。
4 質量檢驗與工程驗收
4.1 質量標準
(1)樁身試件強度(90d齡期)應符合設計標準，其中7d和28d齡期的試件強度應分別不低于設計強度值的40%和75%。?
(2)實際噴灰量不能小于設計噴灰量，同時應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)，深度偏差為±10cm；成樁直徑不小于設計直徑2.0cm。?
4.2 檢測方法?
(1)在開挖基槽和鑿除樁頭時，應對樁數、樁位、樁徑及樁頭強度進行檢查，如發現漏樁、樁位和樁徑偏差過大、樁頭強度偏低等質量事故，必須采取補救措施。?
(2)取樣檢驗在成樁后7d內，在鑿除樁頭時，按照2%～5%的頻率，分別割取6組5×5×5cm的試件進行標養，分別測定7d、28d和90d齡期的無側限抗壓強度。?
(3)樁頂強度檢測，一般可用?16、長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，經觀測如對成樁的均勻性及強度有懷疑，應在7d內再挖深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核及未被攪勻的土團等)，并根據觸探擊數(N10)判斷樁身強度是否符合設計要求。?
(5)對工程地質條件復雜的場地或重要的大、中型工程，應采取現場靜載荷試驗方法進行測試，一般僅作單樁垂直載荷試驗，必要時還應作單樁或群樁的復合地基的載荷試驗。?
(6)對攪拌樁要求相鄰搭接的圍護樁和對整體性要求嚴格的工程，應在有一定齡期后進行整體開挖，檢查其外觀質量，同時根據攪拌樁不同的用途，做好建筑物的沉降或位移觀測，用以評價地基加固或支護的效果。?
4.3 工程驗收
攪拌樁驗收時，應提供以下資料：?
(1)施工平面和樁位布置及設計圖。?
(2)設計水泥摻合比的土工試驗結果及材料檢驗報告。?
(3)施工原始記錄和施工記錄匯總表。?
(4)施工質量檢驗報告(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度等)。
5 工程實例
在蘇南運河鎮江段的整治工程中，首次在丹陽市河段整治工程和江口段完善工程中運用深層攪拌樁技術進行軟弱地基加固處理，較好地提高了地基的承載能力，保證了基礎的施工質量和駁岸墻身的穩定。?
(1)丹陽市河段整治工程起迄點為丹陽西老運河至新九曲河口東，全長3.735km。其主要不良持力層為淤泥質亞粘土夾粉砂，該層呈流塑、高壓縮性狀態，含水量大，平均達37.4%，基本承載力低，僅70kPa。不僅分布較廣，長達1.39km，而且埋置較深，最深達-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。設計標準為：樁徑?50cm，采用425＃普通硅酸鹽水泥，摻入比α?w為12%和15%兩種，樁身設計強度(90d齡期)為2.0MPa，樁位設計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。共打設粉噴樁8655根，總樁長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。實際樁身90d齡期平均抗壓強度5.0MPa，而天然土強度僅0.07MPa，對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容量達2000t的5個大型地下油庫段的駁岸基礎施工過程中，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結構，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，確保了地下油庫的安全。?
(2)江口段完善工程是蘇南運河航道整治入江口銜接工程，其錨泊區護岸段位于諫壁船閘上游西岸紙漿廠至古運河口，長335m。其場地工程地質條件較復雜，現地貌主要為人工地貌，表層為開鑿大運河的堆填土，古地貌為古沖溝及其邊緣，呈東西向，與古運河的走向基本相同，沉積較厚的軟弱土層，土質性質為淤泥質粉質粘土夾泥炭，其含水量較高，承載力低，僅為60kPa，呈軟-流塑狀態，分布長度約150m，在部分駁岸基礎下仍有該層分布，為場地內的主要不良土層，不能作為基礎的天然持力層。我們對其中埋置較深的90m軟弱地基進行了深層攪拌樁加固處理，其設計標準為：樁徑?50cm，采用425＃普通硅酸鹽水泥，摻入比αw=15%，水灰比為0.5，同時摻加2%水泥用量的石膏，樁身設計強度(90d齡期)為1.0MPa，樁位設計為縱、橫向0.5m間距呈梅花型布設，共打設攪拌樁630根，總樁長2835m，總加固土方量1420m?3，平均置換率m=0.39，加固1m?3軟土平均耗用水泥110Kg，石膏2.2Kg，實際樁身強度4.4MPa，復合地基允許承載力達160kPa，而該層天然土強度僅為60kPa，從而較好地提高了地基的承載能力，確保駁岸墻身的穩定。有關技術、經濟比較詳見表2。?
技術經濟比較表 表2
工程名稱 地基處
理方案 加固土體 設計標準 實際加固效果 技術經濟比較
土質 基本?
承載力
(MPa) 樁徑
(cm) 抗壓
強度
(MPa) 摻入比
aw水灰
比w/c
置換率
m 外加
劑 樁身
強度
(90d)
(MPa) 每加
固1m3
軟土
水泥
用量
(kg) 復合
地基
承載
力
(KPa) 每加
固1m3
軟土
造價
(元)
丹陽市河段 水泥粉
噴樁
(干燥狀
態水泥) 淤泥
質亞
粘土
夾粉
砂 70 50 2.0 aw=12%～?15%
=m0.26% / 5.0 66 210 46.6
江口完善段 深層
攪拌樁
(水泥漿) 淤泥
質土
夾泥
炭 60 50 1.0 aw15%
w/c0.5
m=0.39 2%水
泥用
量石
膏 4.4 110 160 71.9
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