復雜軟土地質超深攪拌樁關鍵技術研究

鄧 海 李登海

(1.中交上航華南市政工程有限公司,廣東 珠海 519199;2.中交上海航道局有限公司,上海 200002)

水泥攪拌樁于20世紀50年代初起源于美國,日本緊隨著美國開展了深層化學攪拌法(DCM)、深層水泥攪拌法(DEMIC法)、深層水泥固結法(DCCM法)等技術研究。我國水泥攪拌樁分別在陸地或海上各種軟土下成功應用約40年,海上及陸地基礎加固處理涉及的施工條件和攪拌設備均存在極大差異。殷天軍等[1]研究了深中通道沉管基礎復雜地質條件下DCM樁施工工藝及自動操作系統,形成了一套工藝檢測評價體系;劉志軍等[2]分析了海上DCM樁“W”施工曲線成因、樁頂與樁底土層加固處理關鍵技術;劉志軍等[3]對水下復合地基檢測方法進行了系統分析;滕超等[4]統計分析了影響不同土質在不同深度成樁質量的主要因素;包珍[5]選用功率45～55kW的3層6翼片攪拌設備,對27m攪拌深度進行分析;李興華[6]采用雙向攪拌樁結合4層8翼片鉆頭在復雜軟土中施工攪拌樁;楊文奇等[7]對大直徑水泥攪拌樁在深層地質條件下的應用進行了研究,選用PH-5D型攪拌設備,采用ZB2型高壓噴射注漿泵,攪拌深度達30m。

對以上文獻進行綜合分析可知,海上攪拌樁為樁簇,組合樁基截面積為4～6m2,攪拌設備由船舶+攪拌系統組合而成,設多根鉆桿、多處噴漿口,有體積大、功率大等特點。陸上攪拌樁的設計均針對純軟土地質條件,未針對超深20m以上及復雜軟土的案例進行分析;常規的PH-5D型攪拌設備,功率45～55kW,極限深度25m,功率小、動力弱。實踐總結可知,低功率攪拌設備不宜在超深或大直徑攪拌樁基上應用,否則成樁質量將會存在巨大的質量風險。本文結合理論分析和現場試驗研究改進了超深攪拌樁施工技術。

1 工程概況

珠海海堤提升工程設計為復合地基,攪拌樁最大樁長25m,直徑80cm,加固區域位于原海堤堤壩以下,各結構層的土質(見圖1)情況:1～6m為雜填土(原海堤堤壩雜填土或砌筑塊石);6～15m為淤泥(含有局部流沙),15～30m為淤泥質黏土。

圖1 水泥攪拌樁復合地基軟基處理標準斷面

2 現場試驗研究

2.1 工藝局限性分析

在復雜軟土地質條件下,采用PH-5D型攪拌設備分別以人工噴粉、自動噴粉、自動噴漿三種工藝進行試驗,并統一按“四攪四噴”工序實施,總結得出試驗數據,見表1。

表1 PH-5D型攪拌設備試驗數據分析

根據《復合地基技術規范》(GB/T 50783—2012)[8]:設計樁長應根據施工機械的能力確定,噴漿攪拌法的加固深度不宜大于20m;噴粉攪拌法的加固深度不宜大于15m。通過該結論判定:攪拌樁長大于20m,應屬于“超深攪拌樁”。攪拌樁長20m及以下,在普通軟土下基礎加固處理工藝成熟,質量可控;當樁長大于20m且遇復雜軟土地質,必然在常規工藝基礎上增加了技術難度,因此在原有工藝上加以改進后才能保證超深樁基的強度和質量。

2.2 攪拌設備功率

攪拌樁鉆桿及鉆頭的阻力隨軟土深度增加而增大,在一定軟土深度時的鉆頭提速或攪拌不能滿足技術要求;在深層時噴漿(粉)必然受水或土壓力影響,施加的注漿(粉)壓力過大更容易引起向上返漿或地下竄漿,造水泥材料過多浪費;反之,施加的壓力過小,又無法保證攪拌樁的水泥摻量和成樁質量。

攪拌設備功率大小是在軟土內高質量成樁的關鍵,樁身每斷面的攪拌位置與噴漿(粉)必然要同步同時,否則膠凝材料難以與軟土更好地拌和均勻,導致芯樣不連續或強度不合格等質量問題。

2.3 攪拌頻率和工效

《復合地基技術規范》(GB/T 50783—2012)規定:施工加固深度范圍內土體任何一點均應攪拌20次以上,結合傳統設計的3層6翼片或4層8翼片鉆頭,若按常規“四攪四噴”工序控制,攪拌頻率分別達到24次和32次,雖滿足技術規范要求,但存在工序多、作業時間長、經濟效益低等不利因素。

3 復雜軟土地質定義

水泥攪拌樁工藝適用于普通軟土地質下攪拌成樁。普通軟土一般為淤泥質土、淤泥黏性土、粉細砂、淤泥等,采用正常工藝攪拌后,軟土與膠凝材料均能保證成樁質量。特殊軟土是指普通軟土中夾有一定塊石、局部流沙層、雜填土等不穩定的軟土層。復雜軟土在正常攪拌后,軟土與膠凝材料無法融合攪拌,與普通軟土相比,成樁質量更難以保證。本文中主要涉及的復雜軟土含有大量塊石(地面1～6m)且超深軟土含流沙(樁底15～30m)。

4 攪拌設備分析

4.1 設備功能分析

PH-5D型攪拌設備極限加固深度為25m(見表2),設備具有功率小、自重輕、占地面積小、抗風能力弱等特點。通過實踐證明:在普通軟土的實際最大加固深度22m及以下,若遇特殊軟土地質,將無法實現提速或鉆進,樁底質量也很難得到保證。DGN-28型設備具有功率大、動力足、履帶式行走等特點,加固深度可達25～28m。在超深軟土或復雜軟土下,DGN-28型攪拌設備(見圖2)與傳統的PH-5D型攪拌設備相比具有明顯優勢。

表2 攪拌設備功能參數分析

圖2 DGN-28攪拌設備

4.2 攪拌鉆頭分析

將傳統4層8翼片鉆頭改進為6層12翼片鉆頭,按“二攪二噴”工藝在任意一點的攪拌頻率達24次,“四攪四噴”工藝在任意一點的攪拌頻率達48次,與4層8翼片鉆頭相比,6層12翼片鉆頭的攪拌頻率高,增加了軟土與膠凝材料之間攪拌頻率次數,提高了成樁質量,保證了樁基強度。

4.3 高壓攪拌裝置分析

安裝高壓攪拌裝置(見圖3),高壓管與噴漿(粉)管均為獨立管道,在復雜軟土及超深層軟土下更能充分發揮設備的功能優勢,在處理復雜軟土時的控制壓力為5～10MPa。通過高壓對復雜軟土改良處理后,在正常攪拌下,同步實現了高壓旋噴技術工藝,改良了軟土質量,使膠凝材料與軟土有效融合為一體,保證了攪拌樁的成樁質量。

圖3 高壓攪拌裝置

5 關鍵技術措施

5.1 地質分析

對復雜或超深軟土進行分類,根據不同土質結構層,按土質特性及工藝參數進行現場試驗,以施工芯樣結合軟土地質特性進行分析,并掌握技術指標和工藝參數,為后續施工提供借鑒參考。對復雜軟土處理的方法是采取高壓輔助攪拌裝置實現高壓旋噴技術,對超深軟土處理的方法是采取高壓輔助攪拌結合“四攪四噴”工序,提高軟土質量,最終解決攪拌樁的成樁難題。

5.2 工藝控制

采用DGN-28型攪拌設備,配置多翼片攪拌鉆頭及高壓輔助攪拌裝置實施,根據設備功率結合“二攪二噴”和“四攪四噴”工藝實施,通過下鉆及提鉆對復雜或超深軟土進行高頻率攪拌及復雜軟土處理。

5.2.1 下鉆技術控制

按濕噴工藝實施,1～14m為復雜軟土,但屬于淺層軟土,水土壓力偏小,按“二攪二噴”工藝控制,攪拌頻率24次;14～25m為超深層軟土,含有復雜軟土,且水土壓力大,按“四攪四噴”工藝控制(見圖4),攪拌頻率48次。

圖4 “W”攪拌工藝分析

根據不同的軟土含水量進行水泥摻量配合比設計,確保樁基芯樣的完整性和強度。具體操作如下:開動灰漿泵,灰漿從噴嘴噴出時啟動樁機向下旋轉鉆進攪拌。水泥攪拌樁機就位后開始鉆進并噴漿,按照表3確定的參數進行施工,確保每延米水泥漿用量和水泥漿總用量?？蛇m當調節提升和鉆進速度,過程中要隨時觀測深層監測儀的記錄數據,以便動態調整。要定期檢查攪拌翼片的直徑大小,當直徑磨損量大于10mm時,必須更換翼片。鉆進噴漿成樁到設計樁長或層位后,原地噴漿0.5min,再反轉勻速提升,深度誤差不得超過5cm。下沉鉆頭鉆進時,應根據土質軟硬,選擇合適的擋位,并時刻注意電流的變化及時換擋。

表3 攪拌樁施工參數值

5.2.2 提鉆技術控制

當攪拌鉆頭抵達設計深度時,應將攪拌頭反轉,同時噴漿提升攪拌。要嚴格控制攪拌速度,噴漿、攪拌、提升三項同步實施,將水泥漿充分與土體拌和均勻。鉆進速度和提升速度參照表3進行控制,在試樁過程中應認真做好記錄,鉆頭提升至設計頂標高以上50cm后,停止噴漿。

5.3 監測技術分析

采用深層監測儀對水泥用量進行全過程監測,分別采集成樁時間、內外鉆桿電流、傾斜度、用灰量、壓力、深度、提升速度、成樁曲線分析報告等相關信息,最終自動生成數據。深層監測儀精準監測每延米水泥用量,在試驗過程中,對地下特殊軟土地段精準監測水泥用量,在成樁后,不僅對各截面的噴漿量與對應位置芯樣(見圖5)的完整性和抗壓強度進行對比分析,還應結合軟土地質特性進行綜合分析,形成科學性的技術指標參數,為后期提供指導性施工技術。

圖5 DGN-28設備施工芯樣(25m)

6 總 結

隨著攪拌樁的深度逐漸增加,施工技術難度不斷加大。通過先進的攪拌設備和創新工藝,在復雜軟土地質條件下完成了超深攪拌樁成樁試驗,攻克了諸多技術難點,得出如下結論:PH-5D型極限加固深度25m,在復雜軟土下,現場試驗最大加固深度分別為干法18m、濕法20m;在普通軟土下,濕法工藝最大加固深度可達22m。DGN-28型極限加固深度28m,現場試驗最大加固深度分別為干法26m、濕法27m。

DGN-28型設備,存在占地面積大、施工條件受限等問題。在未來陸地攪拌設備創新過程中,攪拌設備應充分考慮施工條件及加固深度和直徑參數,為實際施工解決技術難題。