水泥攪拌樁在船塢工程中的應用
摘要：本文通過天津臨港造修船基地1#、2#造船塢工程實例，介紹水泥攪拌樁在地基加固、減小沉降、擋土防滲、穩定土體等方面的應用，并對攪拌樁施工工藝與質量控制加以闡述。
關鍵字：水泥攪拌樁;擋土;防滲;質量控制;地基加固
1、引言
水泥攪拌樁自出現以來，發展迅速，應用范圍廣泛。國內外大量用于建筑物地基加固、減小沉降、擋土防滲、邊坡穩定等方面，而且越來越多的使用在港口及水利建設中。其中有的屬于設計內的工程項目，有的屬于施工措施項目，就其不同的使用功能結合天津臨港造修船基地1#、2#造船塢工程實例進行探討。
2、水泥攪拌樁的原理及優點
水泥攪拌樁是用水泥作為固化劑，利用深層攪拌機械將土或砂同水泥或水泥系列材料固化劑強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設備下沉至設計樁底標高，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，使漿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優點：(1)深層攪拌樁由于是將固化劑和原地基軟土就地攪拌混和，因而最大限度地利用了原土。(2)按照不同地基的性質及工程設計要求，可合理選擇固化劑及其配比，設計比較靈活。(3)施工時無振動、無噪音，無污染.可避免對周圍結構的穩定性產生影響，在市區和密集建筑群中均可進行施工(4)與鋼筋混凝土樁基相比，節省大量的鋼材造價相對較低。基于上訴原因水泥攪拌樁加固技術在水利工程、工業與民用建筑方面均得到廣泛應用
3、水泥攪拌樁技術在本工程中的應用
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用是作為復合地基。水泥攪拌樁復合地基以其工期短，震動小、無污染的特點，是國內外進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上部結構荷載，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，根據勘察結果顯示，場地淺部表層回填①2層粉砂，土質較純，根據勘察實驗結果該承載力特征值fak為80kpa。但其使用時承載力受其下臥的①3 ①4 ②A②B層的飽和軟粘土承載力較低影響。①3狀態及均勻性變化較大，土性主要以淤泥質粘土或淤泥為主，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生較大沉降。對于一般位置堆載為50～100kpa的區域，設計采用天然地基上設鋼筋混凝土地坪。但對于主機預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，所以本工程中應用深層水泥攪拌樁加固地基的方案。
在船塢總組平臺主機預舾裝場地的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的攪拌樁復合地基提高承載力同時減小平臺的沉降。
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，頂荷載通過樁的側摩阻力和樁端阻力傳遞給土體，同時樁體側向膨脹，且主要發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。攪拌樁的主要破壞形式是樁體的環向拉伸導致延徑開裂破壞或產生壓碎破壞，當地基中的滑動面穿過樁體時，還可能發生因剪切破壞導致斷樁的情況。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
根據相應實驗結果得出一定條件下水泥摻量對沉降的影響關系曲線。
從上圖得出，水泥摻量較低時對降低沉降的作用十分明顯，當水泥摻入比達到15%左右時，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。此外現場土質條件、樁體上部是否復攪等因素對沉降也有影響。
3.3穩定土體作用
攪拌樁加固技術在臨港造修船基地1#、2#造船塢工程的塢墻錨拉體系中對保證土體穩定起到關鍵作用，本船塢塢墻結構為錨拉式地下連續墻加高樁承臺結構(見圖1)，錨定板樁區主動土層主要為①2 ①3 ①4 ①5 ②A ②B，由于①層土層軟塑(松散)，②層呈流塑～軟塑，其主動土壓力大而被動土壓力小。根據地質特點利用深層水泥攪拌樁加固技術對錨碇板樁被動土區的土體進行加固，提高錨定板樁前的被動土壓力。
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，提高了被動壓力，較好的控制了塢墻的位移。在施工中如發現地質的變化，可采取加大攪拌樁施打寬度和增加加固深度或增加拉桿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構。為使船塢形成封閉的止水體系，避免船塢內水系與海水相連通，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，攪拌樁頂標高+2.20m，底標高-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，造成結構破壞。
3.5臨時支護作用
地連墻施工時由于第②A②B層的流塑狀淤泥易坍塌，向槽內回淤以致無法成槽。同時其淺部分布有沙土和粉土層，這些土層易在動水壓力下易產生流沙或坍塌現象，施工難以進行。
為解決此問題，采取在地下連續墻兩側進行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，防止兩側淤泥回淤，如圖4所示。同時配合降水、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量控制
施工方面易出現水泥與土攪拌不均勻，甚至水泥與土無法混合導致成樁效果不理想的情況，經分析與施工機械的各施工參數有關，如鉆進速度、鉆頭轉速、提升速度、噴漿壓力、水泥用量等。施工時必須通過試驗樁，根據不同地質層、不同土質、不同土壓力找到合適的施工參數，加以嚴格控制，使樁體均勻，防止出現縮頸、斷樁等現象。下面結合重點技術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制拌和，攪拌次數越多，拌和越均勻，水泥土的強度也超高。但是攪拌次數越多，施工時間也越長，工效也越低。試樁的目的是為了尋求最佳的攪拌次數、確定水泥漿的水灰比、泵送時間、泵送壓力、攪拌機提升速度、下鉆速度以及復攪深度等參數，以指導下一步水泥攪拌樁的大規模施工。
4.2設備安裝
搭置起吊塔架、安裝起吊裝置和導向架及攪拌軸、輸漿管。電器系統須安裝漏電保護裝置，供漿系統應在離深層漿噴樁機50m范圍內。
4.3樁機定位
用起重機將深層漿噴樁機吊至指定樁位。施工中掛線綴測量，調整樁機垂直度要求不大于1/150。
4.4漿液制拌
制備好的漿液不得離析，不得停置時間過長，超過兩小時的漿液應降低標號使用。為改善水泥土加固體的性能和提高早期強度施工時可摻入適量外加劑：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是防止斷樁和缺漿的重要條件。
4.5預攪下沉
待深層漿噴樁機的冷卻水循環正常后，啟動深層漿噴樁機的電機，放松起重機鋼絲繩，使深層漿噴樁機導向架攪拌下沉。一般情況下不宜沖水，沖水下沉會影響成樁質量，當遇到較硬土層下沉太慢(超過30min/m)時，可適當沖水下沉。
4.6噴漿攪拌提升
下沉到達設計深度后，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，根據土質和要求的擴散半徑調節。輸漿速度一般為30L/min。出漿后為保證樁端質量，原地噴漿30s，使漿液完全到達樁端，噴漿提升的次數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，使漿液和土體充分拌和。
4.7重復攪拌下沉
攪拌鉆頭提升至樁頂以上500mm高后，關閉灰漿泵，重復攪拌下沉至設計深度，下沉速度按工藝要求進行。
4.8噴漿重復攪拌提升
下沉到達設計深度后，噴漿重復攪拌提升，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應根據工程實際地質情況，通過試樁確定。
4.9樁機移位
施工完一根樁后，移動樁機至下一根樁位，重復以上步驟進行下一根樁的施工。水泥土攪拌樁應處理好搭接、接縫，搭接必須保證20cm。施工必須連續進行，相鄰樁施工間隔時間不得超過16小時。
5、質量檢驗
對于水泥攪拌樁施工質量的監測檢測，除了載荷試驗方法還有一些相對簡單經濟的方法，如靜力觸探法、動力觸探法、鉆心取樣法、開挖目測法以及低應變檢測的方法。各種方法均有一定的適用條件與局限性，在實際工程中應考慮工程情況及設計要求，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，以確保工程質量。本工程采用以取芯試驗為主，并以28天齡期的標貫試驗輔助，檢驗樁的總數量不小于總樁數的1%，且不少于6根，設計要求水泥土攪拌樁28天無側限抗壓強度不小于0.8Mpa，如施工初期發現質量較差，則加大抽查的比例和取芯的比例。
6、結語
攪拌樁的使用范圍較廣，適用于淤泥、淤泥質土及含水量較高且承載力標準值不大于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、有動水壓力及對于有機質含量過大的的環境下不宜采取。本文從攪拌樁的在船塢工程中的實際應用出發，講述其在不同應用中的施工方法和作用原理，同時根據一些在實際施工中總結的經驗，對施工工藝與實驗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。
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