水泥土攪拌樁對天津濱海地區軟基的加固處理
摘 要 通過對水泥土攪拌樁加固機理闡述,分析水泥土的各種特性及影響其強度增長的因素,結合津濱輕軌的軟基處理,對水泥土攪拌樁加固軟土地基、特別是濱海地區軟土地基的應用提出一些看法。
關鍵詞 水泥土攪拌樁 濱海地區軟基 加固處理
1 天津濱海地區軟土工程性質
天津至塘沽沿線為沖積平原及濱海平原,幾百米深度范圍內全為第四系松散椎積層,地下水埋藏淺,大多數段落為軟土地基。尤其在塘沽,沿海中上部地層廣泛分布有海相沉積層,巖性為淤泥、淤泥質粘土及淤泥質粉質粘土,厚度一般為3.0～10.0 m, 工程地質條件較差。
軟土地基分布路段表層為雜填土,黃褐色,成份較雜,主要由粘性土組成,含碎石、磚塊,厚0～ 1.1 m; 其下為粘土:黃褐色,灰黃色,硬塑～軟塑, 厚0～3.5 m; 淤泥質粘土:灰褐色,軟塑～ 流塑,厚0 ～2.0 m, 局部呈透鏡體分布,γ = 18. 3 kN·m-3, c =14.37 kPa ,φ=3.79°;再下為淤泥質粉質粘土: 灰褐色～ 灰色,流塑,厚8. 8～13. 7 m,γ = 18. 2～ 18.4 kN·m-3,c =13.04 kPa～15.08 kPa ,φ=3.48 ～5.35°;粉土:灰褐色,濕～ 很濕,稍密～ 密實,厚0 ～5.0 m; 較連續分布于海相層的底部。地下水為第四系孔隙潛水,水量豐富,一般埋深0.7～3.0 m 。由于上述土層形成時代較新,壓縮性高、強度較低,路基工程進行穩定性檢算和沉降檢算后均需采取相應的處理措施。
2 軟土地基處理方法選擇及地基加固設計
(1) 軟土地基處理方法選擇:軟土因其承載力很低,并且在上部施加荷載后會產生較大的沉降變形,所以在修筑路堤之前要進行適當的處理方能滿足軌道交通工程的設計要求。地層條件及土性常數是選擇地基處理方案的首要依據。工程實踐證明, 對于深厚軟粘土地基或粘性較大的軟土地基的加固處理以深層攪拌法居多,而深層攪拌法以攪拌樁和旋噴樁復合地基處理效果較好[1] 。由于攪拌樁和旋噴樁由已在地面充分攪拌好的水泥漿噴入或攪拌入土層中而后固化成型,所需水分不依賴于土中的含水量,質量易于保證。
深層攪拌法處理深度一般要超過5 m, 一些資料顯示最大加固深度可達60 m 。根據鐵路及軌道交通工程地基處理經驗,深層攪拌樁處理深度一般不超過15～18 m 。深層攪拌法采用的固化劑一般分水泥類、石灰類、瀝青類和化學材料類。目前最常用的固化劑就是水泥類固化劑,其次是石灰類固化劑。用水泥類固化劑的攪拌樁又分為“ 濕法”和“ 干法”兩種工藝,水泥土攪拌樁就是典型的“濕法”,“ 干法”工藝的代表就是粉體噴射法,一般稱粉噴樁。本文主要談“濕法”[2] 。
津濱輕軌主要采用水泥作固化劑,一般稱作水泥土攪拌樁。
(2) 軟土地基加固設計:在津濱快速軌道交通工程路基設計中,對于軟土路段的地基處理主要選擇水泥土攪拌樁、旋噴樁和真空預壓排水固結法。其中部分路段采用水泥土攪拌樁,在這些路段的軟土路堤設計中,路基面兩側各加寬0.4 m; 邊坡坡度1∶1.5; 路堤坡腳外2 m 設天然護道;路基基底采用水泥攪拌樁處理,樁直徑0.5 m, 間距1.0～1.2 m, 等邊三角形布置,樁長8～12 m 。樁頂設0.3 m 厚的三七灰土墊層或0.5 m 厚的碎石墊層(圖1) 。
圖1 軟土路基設計斷面形式
3 水泥土攪拌樁施工工藝
(1) 施工現場應予平整,清除地上地下一切障礙物。需回填土的低洼場地應抽水清淤后,分層回填粘性土填料,并予以適當壓密,不得回填雜填土。
(2) 攪拌樁施工前應對攪拌機械的灰漿泵輸漿量、灰漿經輸漿管到達攪拌機輸漿口的時間和起吊設備提升速度等施工參數進行標定。并根據設計要求通過成樁試驗,確定攪拌樁的配比和施工工藝。水泥漿液的配制要嚴格控制水灰比,一般為0. 45～0. 5[3] 。使用的水泥和外加劑通過室內加固土試驗確定。
(3) 水泥攪拌樁主要按下列步驟進行:攪拌機械就位、調平;預攪下沉,下沉時可采用噴漿工藝;噴漿攪拌提升至設計停漿標高;重復攪拌下沉;重復噴漿、攪拌至設計停漿標高后,再提升到孔口;測量料罐剩余量,對不滿足設計要求的樁位應立即補攪,關閉機械,樁機移至下一機位。
(4) 水泥攪拌樁質量檢驗的項目及抽檢數量, 按國家和天津市有關規范、規則辦理。
4 討 論
水泥土攪拌樁適應性較強,但是在應用時,特別是應用于濱海地區的軟土地基加固時,應注意以下幾個問題: (1) 加固深度:雖然水泥土攪拌樁加固深度曾有過60 m 甚至更長的記錄,但根據使用目的的不同,其加固深度應有所限制。柔性樁和半剛性樁的單樁有效長度雖然隨樁身強度的提高而增大,但基本就在10 m 以內。對群樁作用的復合地基有效樁長目前雖不是十分明確,但由于水泥土攪拌樁復合地基的分層沉降和水平收斂深度在15 m 左右[1 ] , 所以在作為承載作用下,水泥土攪拌樁加固深度還是以不超過15～18 m 為宜。當軟土層埋深較深, 需加固長度較大時,應考慮采用水泥土攪拌樁加固的可行性。
(2) 軟土層性質及水質情況:有機質含量是影響水泥土攪拌樁加固效果的一個主要因素,對軟土地基、特別是濱海地區的軟土地基采用該類型樁基加固設計時,應進行有機質含量、可溶鹽含量及總燒失量分析,特殊地區還應對軟土進行礦物成分分析, 確定水泥的適用性。地下水酸堿度、硫酸鹽含量也是選擇水泥種類考慮的關鍵因素。對于濱海地區, 這幾項工作尤其應當引起足夠重視。津濱輕軌中段典型軟土有淤泥質粘土,灰及深灰色、灰褐色,流塑狀,具有臭味,厚0. 0～5. 1 m , 有機質含量1. 17～ 2. 11 % ; 淤泥質砂粘土,灰及灰褐色,流塑狀,具有臭味,厚0. 0～16. 4 m , 有機質含量0. 35 %～2. 39 %; 淤泥,淺灰至深灰色,流塑,以粘土為主,疏松,有機質含量2. 42 %～2. 89 % 。有機質含量尚不高,可以采用水泥土攪拌樁進行加固處理。
(3) 軟土層含水量情況:由于軟土的含水量大小對水泥土強度影響較大,所以,當軟土呈流塑狀態,含水量較高( w > 80 %～90 %) 、液性指數( IL> 1. 2～1. 5) 時,由于在自然狀態下的強度增長與實驗室養護條件下差別較大,應考慮在自然狀態下,水泥土強度的增長隨深度、土層、含水量、溫度的不同,存在差異的情況。津濱輕軌中段軟土淤泥質粘土、砂粘土w = 38. 9 %～47. 2 % , w L = 33. 9 %～42. 4 % , 淤泥w = 57. 2 % , w L = 48. 0 % , 液性指數為1. 1～ 1. 2 之間,因此,在軟土層較深(> 10 m) 、含水量較大時,應注意水泥土強度增長的差異。
(4) 齡期及強度問題:理論上普遍把3 個月齡期的強度作為水泥土檢驗的標準強度,這是根據水泥在混凝土工程中的表現來確定的。雖然水泥土的強度增長與混凝土有共性之處,但在實際工作中,在自然環境下,特別是在樁身較深的軟土層,抽芯試驗常產生偏差,有些甚至難以取芯。造成這些情況的原因何在? 筆者認為,施工時的各種技術參數(包括提升、攪拌速度、漿液流量等) 基本一致的情況下,仍會產生上下段不一致、甚至相差較大的情況。應當說,自然環境條件的不同(土層、埋深、含水量、地溫等因素) 對水泥土達到同等強度的時間有較大的影響,也可以說,齡期強度此時難以真正描述整根樁水泥強度的增長情況。
(5) 其他:雖然水泥土攪拌樁加固法受很多因素的制約,但只要應用得當、考慮周密,其使用前景依然廣闊。此外,有時水泥配比試驗結果波動很大, 確定合理的強度參數對水泥土攪拌樁的設計意義重大,需要反復衡量,必要時要增加驗證工作;設計時, 對樁間土的承載力取值也值得考慮,加固后的樁間土的承載力直接使用天然土(有時是軟土) 的承載力是否保守,還需要根據具體情況確定。
參考文獻
[1] 李國和,等. 高標準鐵路軟土地基處理方法適宜性探討. 路基工程,2002 ,(5)
[2] 《地基處理手冊》編委會. 地基處理手冊. 北京:中國建筑工業出版社,1993.
[3] 唐文軍. 水泥攪拌法加固軟弱土層主要影響因素的研究. 路基工程,2002 ,(5)
