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水泥攪拌樁在船塢工程中的應(yīng)用
摘要：本文通過天津臨港造修船基地1#、2#造船塢工程實(shí)例，介紹水泥攪拌樁在地基加固、減小沉降、擋土防滲、穩(wěn)定土體等方面的應(yīng)用，并對攪拌樁施工工藝與質(zhì)量控制加以闡述。
關(guān)鍵字：水泥攪拌樁;擋土;防滲;質(zhì)量控制;地基加固
1、引言
水泥攪拌樁自出現(xiàn)以來，發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍廣泛。國內(nèi)外大量用于建筑物地基加固、減小沉降、擋土防滲、邊坡穩(wěn)定等方面，而且越來越多的使用在港口及水利建設(shè)中。其中有的屬于設(shè)計(jì)內(nèi)的工程項(xiàng)目，有的屬于施工措施項(xiàng)目，就其不同的使用功能結(jié)合天津臨港造修船基地1#、2#造船塢工程實(shí)例進(jìn)行探討。
2、水泥攪拌樁的原理及優(yōu)點(diǎn)
水泥攪拌樁是用水泥作為固化劑，利用深層攪拌機(jī)械將土或砂同水泥或水泥系列材料固化劑強(qiáng)制攪拌形成圓形的水泥土體。水泥攪拌樁按水泥的噴射方法分為干粉噴射及漿液噴射水泥攪拌樁，其施工過程都是先將土體的鉆進(jìn)設(shè)備下沉至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，開啟灰漿泵，通過管路送漿至攪拌頭出漿口，按一定的提升速度邊噴漿攪拌邊提升鉆桿，使?jié){液和土體充分拌和形成水泥土固化土柱體。
深層攪拌樁加固技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：(1)深層攪拌樁由于是將固化劑和原地基軟土就地?cái)嚢杌旌�，因而最大限度地利用了原土�?2)按照不同地基的性質(zhì)及工程設(shè)計(jì)要求，可合理選擇固化劑及其配比，設(shè)計(jì)比較靈活。(3)施工時(shí)無振動(dòng)、無噪音，無污染.可避免對周圍結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，在市區(qū)和密集建筑群中均可進(jìn)行施工(4)與鋼筋混凝土樁基相比，節(jié)省大量的鋼材造價(jià)相對較低�；谏显V原因水泥攪拌樁加固技術(shù)在水利工程、工業(yè)與民用建筑方面均得到廣泛應(yīng)用
3、水泥攪拌樁技術(shù)在本工程中的應(yīng)用
3.1提高地基承載力減小沉降作用
水泥攪拌樁最廣泛的應(yīng)用是作為復(fù)合地基。水泥攪拌樁復(fù)合地基以其工期短，震動(dòng)小、無污染的特點(diǎn)，是國內(nèi)外進(jìn)行地基加固的主流之一。原理在于其所形成的水泥土加固體與樁間土的共同承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)荷載，起到提高地基承載力，減小沉降的作用。
船塢1～4#總組平臺中，根據(jù)勘察結(jié)果顯示，場地淺部表層回填①2層粉砂，土質(zhì)較純，根據(jù)勘察實(shí)驗(yàn)結(jié)果該承載力特征值fak為80kpa。但其使用時(shí)承載力受其下臥的①3 ①4 ②A②B層的飽和軟粘土承載力較低影響。①3狀態(tài)及均勻性變化較大，土性主要以淤泥質(zhì)粘土或淤泥為主，其天然地基承載力特征值為25kpa。用①3層作為天然地基持力層的下臥層易產(chǎn)生較大沉降。對于一般位置堆載為50～100kpa的區(qū)域，設(shè)計(jì)采用天然地基上設(shè)鋼筋混凝土地坪。但對于主機(jī)預(yù)舾裝場地平均堆載在200Kpa以上，淺部土層均不能滿足承載要求，所以本工程中應(yīng)用深層水泥攪拌樁加固地基的方案。
在船塢總組平臺主機(jī)預(yù)舾裝場地的500mm厚鋼筋砼板下，采用單根雙軸Φ700@500，加固深度18.9m，橫向間距1500mm，縱向間距1000mm的攪拌樁復(fù)合地基提高承載力同時(shí)減小平臺的沉降。
3.2影響水泥土攪拌樁沉降的主要因素
(1)樁長對沉降的影響
水泥土攪拌樁的強(qiáng)度與壓縮模量介于剛性樁和柔性樁之間，頂荷載通過樁的側(cè)摩阻力和樁端阻力傳遞給土體，同時(shí)樁體側(cè)向膨脹，且主要發(fā)生在樁頂以下一定長度范圍，該段樁是水泥土攪拌樁的主要受力區(qū)。攪拌樁的主要破壞形式是樁體的環(huán)向拉伸導(dǎo)致延徑開裂破壞或產(chǎn)生壓碎破壞，當(dāng)?shù)鼗械幕瑒?dòng)面穿過樁體時(shí)，還可能發(fā)生因剪切破壞導(dǎo)致斷樁的情況。研究表明，水泥土攪拌樁存在臨界樁長，超過臨界樁長增加樁長并不能減小地基沉降。
(2)水泥摻量對沉降影響
根據(jù)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出一定條件下水泥摻量對沉降的影響關(guān)系曲線。
從上圖得出，水泥摻量較低時(shí)對降低沉降的作用十分明顯，當(dāng)水泥摻入比達(dá)到15%左右時(shí)，已不能大幅降低沉降，因此盲目的通過增大水泥摻入比來降低沉降的方法效果并不理想。
(3)置換率
改變土體置換率，置換率越大，沉降越小，但過高的置換率會引起造價(jià)增加。
(4)加荷速率
合理的加荷速率對降低沉降，特別是對工后沉降有重要影響，加荷速率過大，會引起下部孔隙水壓力太大，孔壓消散緩慢，對工后沉降不利。此外現(xiàn)場土質(zhì)條件、樁體上部是否復(fù)攪等因素對沉降也有影響。
3.3穩(wěn)定土體作用
攪拌樁加固技術(shù)在臨港造修船基地1#、2#造船塢工程的塢墻錨拉體系中對保證土體穩(wěn)定起到關(guān)鍵作用，本船塢塢墻結(jié)構(gòu)為錨拉式地下連續(xù)墻加高樁承臺結(jié)構(gòu)(見圖1)，錨定板樁區(qū)主動(dòng)土層主要為①2 ①3 ①4 ①5 ②A ②B，由于①層土層軟塑(松散)，②層呈流塑～軟塑，其主動(dòng)土壓力大而被動(dòng)土壓力小。根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)利用深層水泥攪拌樁加固技術(shù)對錨碇板樁被動(dòng)土區(qū)的土體進(jìn)行加固，提高錨定板樁前的被動(dòng)土壓力。
本工程錨定板樁前攪拌樁采用Φ700@500的雙軸攪拌樁，采用如圖2中的格形的布置方法，通過此方法很好的固定了錨定墻前一定范圍的土體，提高了被動(dòng)壓力，較好的控制了塢墻的位移。在施工中如發(fā)現(xiàn)地質(zhì)的變化，可采取加大攪拌樁施打?qū)挾群驮黾蛹庸躺疃然蛟黾永瓧U長度提高其錨碇效果。
3.4擋土防滲作用
攪拌樁加固在船塢兩側(cè)順岸碼頭中起著擋土防滲的作用，臨港造修船基地1#2#造船塢工程中1#、2#順岸碼頭為錨拉式高樁扶壁結(jié)構(gòu)。為使船塢形成封閉的止水體系，避免船塢內(nèi)水系與海水相連通，利用相互咬合的Φ700@500雙軸水泥攪拌樁形成一道水泥土墻止水帷幕，攪拌樁頂標(biāo)高+2.20m，底標(biāo)高-14.50m，與旋噴樁配合使用起到隔水防滲的作用(見圖3)。同時(shí)起擋土作用也防止了因潮汐影響，掏空鋼筋砼灌注樁間土體，造成結(jié)構(gòu)破壞。
3.5臨時(shí)支護(hù)作用
地連墻施工時(shí)由于第②A②B層的流塑狀淤泥易坍塌，向槽內(nèi)回淤以致無法成槽。同時(shí)其淺部分布有沙土和粉土層，這些土層易在動(dòng)水壓力下易產(chǎn)生流沙或坍塌現(xiàn)象，施工難以進(jìn)行。
為解決此問題，采取在地下連續(xù)墻兩側(cè)進(jìn)行1m～1.2m寬的攪拌樁加固，形成水泥土墻，跨過②層流塑狀淤泥層，防止兩側(cè)淤泥回淤，如圖4所示。同時(shí)配合降水、加大泥漿比重等措施，保證成槽和地連墻的順利施工。
4、攪拌樁施工工藝及質(zhì)量控制
施工方面易出現(xiàn)水泥與土攪拌不均勻，甚至水泥與土無法混合導(dǎo)致成樁效果不理想的情況，經(jīng)分析與施工機(jī)械的各施工參數(shù)有關(guān)，如鉆進(jìn)速度、鉆頭轉(zhuǎn)速、提升速度、噴漿壓力、水泥用量等。施工時(shí)必須通過試驗(yàn)樁，根據(jù)不同地質(zhì)層、不同土質(zhì)、不同土壓力找到合適的施工參數(shù)，加以嚴(yán)格控制，使樁體均勻，防止出現(xiàn)縮頸、斷樁等現(xiàn)象。下面結(jié)合重點(diǎn)技術(shù)要求介紹攪拌樁的施工工藝。
4.1試樁
深層水泥攪拌樁適用于處理淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭土和粉土。深層攪拌樁施工是藉攪拌頭將水泥漿和軟土強(qiáng)制拌和，攪拌次數(shù)越多，拌和越均勻，水泥土的強(qiáng)度也超高。但是攪拌次數(shù)越多，施工時(shí)間也越長，工效也越低。試樁的目的是為了尋求最佳的攪拌次數(shù)、確定水泥漿的水灰比、泵送時(shí)間、泵送壓力、攪拌機(jī)提升速度、下鉆速度以及復(fù)攪深度等參數(shù)，以指導(dǎo)下一步水泥攪拌樁的大規(guī)模施工。
4.2設(shè)備安裝
搭置起吊塔架、安裝起吊裝置和導(dǎo)向架及攪拌軸、輸漿管。電器系統(tǒng)須安裝漏電保護(hù)裝置，供漿系統(tǒng)應(yīng)在離深層漿噴樁機(jī)50m范圍內(nèi)。
4.3樁機(jī)定位
用起重機(jī)將深層漿噴樁機(jī)吊至指定樁位。施工中掛線綴測量，調(diào)整樁機(jī)垂直度要求不大于1/150。
4.4漿液制拌
制備好的漿液不得離析，不得停置時(shí)間過長，超過兩小時(shí)的漿液應(yīng)降低標(biāo)號使用。為改善水泥土加固體的性能和提高早期強(qiáng)度施工時(shí)可摻入適量外加劑：粘土固化劑、碳酸鈉、氯化鈣、三乙醇胺、木質(zhì)素磺酸鈣等。注漿材料宜采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5～0.6。水泥漿的定量不間斷供應(yīng)是防止斷樁和缺漿的重要條件。
4.5預(yù)攪下沉
待深層漿噴樁機(jī)的冷卻水循環(huán)正常后，啟動(dòng)深層漿噴樁機(jī)的電機(jī)，放松起重機(jī)鋼絲繩，使深層漿噴樁機(jī)導(dǎo)向架攪拌下沉。一般情況下不宜沖水，沖水下沉?xí)绊懗蓸顿|(zhì)量，當(dāng)遇到較硬土層下沉太慢(超過30min/m)時(shí)，可適當(dāng)沖水下沉。
4.6噴漿攪拌提升
下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，開啟灰漿泵，通過管路送漿至攪拌頭出漿口，用流量泵控制輸漿速度，使注漿泵出口壓力一般保持0.4～0.6mpa，根據(jù)土質(zhì)和要求的擴(kuò)散半徑調(diào)節(jié)。輸漿速度一般為30L/min。出漿后為保證樁端質(zhì)量，原地噴漿30s，使?jié){液完全到達(dá)樁端，噴漿提升的次數(shù)和速度必須符合已定的施工工藝，提升速度一般在(0.50～0.8m/min)邊噴漿攪拌邊提升鉆桿，使?jié){液和土體充分拌和。
4.7重復(fù)攪拌下沉
攪拌鉆頭提升至樁頂以上500mm高后，關(guān)閉灰漿泵，重復(fù)攪拌下沉至設(shè)計(jì)深度，下沉速度按工藝要求進(jìn)行。
4.8噴漿重復(fù)攪拌提升
下沉到達(dá)設(shè)計(jì)深度后，噴漿重復(fù)攪拌提升，一直提升至地面，步驟4～7的過程為四攪二噴法，具體的攪拌與噴漿次數(shù)應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際地質(zhì)情況，通過試樁確定。
4.9樁機(jī)移位
施工完一根樁后，移動(dòng)樁機(jī)至下一根樁位，重復(fù)以上步驟進(jìn)行下一根樁的施工。水泥土攪拌樁應(yīng)處理好搭接、接縫，搭接必須保證20cm。施工必須連續(xù)進(jìn)行，相鄰樁施工間隔時(shí)間不得超過16小時(shí)。
5、質(zhì)量檢驗(yàn)
對于水泥攪拌樁施工質(zhì)量的監(jiān)測檢測，除了載荷試驗(yàn)方法還有一些相對簡單經(jīng)濟(jì)的方法，如靜力觸探法、動(dòng)力觸探法、鉆心取樣法、開挖目測法以及低應(yīng)變檢測的方法。各種方法均有一定的適用條件與局限性，在實(shí)際工程中應(yīng)考慮工程情況及設(shè)計(jì)要求，綜合考慮使用以上方法，在不同的齡期采用不同的檢測手段，以確保工程質(zhì)量。本工程采用以取芯試驗(yàn)為主，并以28天齡期的標(biāo)貫試驗(yàn)輔助，檢驗(yàn)樁的總數(shù)量不小于總樁數(shù)的1%，且不少于6根，設(shè)計(jì)要求水泥土攪拌樁28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8Mpa，如施工初期發(fā)現(xiàn)質(zhì)量較差，則加大抽查的比例和取芯的比例。
6、結(jié)語
攪拌樁的使用范圍較廣，適用于淤泥、淤泥質(zhì)土及含水量較高且承載力標(biāo)準(zhǔn)值不大于120Kpa的粘性土及一部分沙土，但對于粘性土承載力大于120Kpa、含水量過大、有動(dòng)水壓力及對于有機(jī)質(zhì)含量過大的的環(huán)境下不宜采取。本文從攪拌樁的在船塢工程中的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，講述其在不同應(yīng)用中的施工方法和作用原理，同時(shí)根據(jù)一些在實(shí)際施工中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，對施工工藝與實(shí)驗(yàn)檢測方面做了簡要的介紹。希望可以對類似工程施工提供參考依據(jù)。
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