葛金平

傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁作為處理橋頭軟弱地基的常用方法，能提高路基(包括復(fù)合路基)承載力，減少和控制沉降量。經(jīng)過多年的試驗(yàn)和理論研究，發(fā)現(xiàn)水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)樁長超過一定長度(比如樁長大于10 m)單樁承載力不再增大，但中長樁沉降量較短樁小，使得設(shè)想減少樁長降低造價(jià)的努力變得難以實(shí)現(xiàn)。本工程實(shí)例采用變徑水泥土攪拌樁通過攪拌葉片的伸縮對上部樁體進(jìn)行擴(kuò)徑，形成擴(kuò)大頭和下部樁段兩部分，在水泥摻入比、面積置換率幾乎不變的情形下，合理確定有效樁長和擴(kuò)大頭高度，既可以獲得符合要求的單樁承載力，又能減少和控制沉降量，且能節(jié)約水泥，降低造價(jià)。

圖1 釘形水泥土雙向攪拌樁平面布置圖

1 等徑與變徑水泥土攪拌樁工料機(jī)消耗量分析

傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁采用“四攪二噴”的施工工藝，變徑水泥土攪拌樁變徑部分采用“四攪三噴”，其余樁體采用“兩攪一噴”的施工工藝。變徑水泥土攪拌樁是在成樁過程中，由動力系統(tǒng)帶動分別安裝在內(nèi)、外同心鉆桿上的兩組攪拌葉片，同時(shí)正反向旋轉(zhuǎn)攪拌水泥土，通過攪拌葉片的伸縮，根據(jù)實(shí)際工程的需要，對水泥土攪拌樁的任意部位進(jìn)行變徑。常見變徑水泥土攪拌樁分成上部擴(kuò)大頭和下部樁段兩部分，形象地稱為“釘形”雙向水泥土攪拌樁。南京麒麟科技創(chuàng)新園光華東路運(yùn)糧河橋北側(cè)橋頭軟基處理采用“釘形”雙向水泥土攪拌樁，選取K1+977～K2+007段進(jìn)行實(shí)測，該段處理長度30 m，平均處理寬度55 m，正梅花形布置，樁中心距1.8 m，面積置換率m=0.302。單樁總長H=18 m，上部擴(kuò)大頭高度h=4 m，擴(kuò)大頭樁徑90 cm，下部14 m范圍樁徑50 cm(見圖1，圖2)，水泥摻入比αw=15%(42.5級普通硅酸鹽水泥)，采集典型軟弱層土樣，進(jìn)行室內(nèi)配比試驗(yàn)，確定最佳水灰比(設(shè)計(jì)水泥漿水灰比為1∶0.55)，設(shè)計(jì)要求28 d齡期樁身無側(cè)限抗壓強(qiáng)度1 MPa。

圖2 釘形水泥土雙向攪拌樁構(gòu)造圖

雙向攪拌樁機(jī)葉片寬度80 mm～100 mm;葉片厚度25 mm～40 mm;葉片傾角10°～20°。下沉速度0.5 m/min ～0.8 m/min;提升速度0.7 m/min～1.0 m/min;內(nèi)鉆桿轉(zhuǎn)速不小于50 r/min;外鉆桿轉(zhuǎn)速不小于70 r/min;下沉?xí)r噴漿壓力0.25 MPa～0.40 MPa。

單樁水泥土體積5.612 m3(上部計(jì)算長度按設(shè)計(jì)長度另加500 mm)，為確定工料機(jī)消耗量，對成樁時(shí)間進(jìn)行測定，見表1。

1)機(jī)械臺班消耗量。攪拌樁機(jī)整體移機(jī)一次可以完成3根樁，由表1可以計(jì)算出，單樁平均成樁時(shí)間34 min。24 h施工記錄施工35根樁，每機(jī)械臺班(按8 h工作制計(jì)算)完成樁工程量為5.612×35/3=65.473 m3。參照計(jì)價(jià)表相同計(jì)算口徑計(jì)算機(jī)械臺班消耗量:a.單軸式深層攪拌機(jī)臺班消耗量1/65.473=0.015 3，機(jī)械幅度差1.33，單軸式深層攪拌機(jī)臺班消耗量0.015 3×1.33=0.020 5臺班。b.灰漿輸送泵輸送量3 m3/h臺班消耗量相應(yīng)為0.020 5臺班。c.灰漿拌和機(jī)200 L臺班消耗量相應(yīng)為0.041臺班。實(shí)際機(jī)械操作人員配備為:攪拌樁機(jī)主操作1名、協(xié)助工1名、灰漿拌和機(jī)放漿工1名、放漿協(xié)助工1名。經(jīng)比較，變徑水泥土攪拌樁機(jī)械消耗量約為傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁的25%。

2)主要材料消耗量。參照計(jì)價(jià)表數(shù)據(jù)，每立方米工程量水泥42.5 級消耗量 274.05 kg，高壓膠管 0.07 m，水 0.5 m3。

3)人工消耗量。測量放線人員2人，其中1人為施工員，另1人協(xié)助。參照計(jì)價(jià)表數(shù)據(jù)，每立方米工程量三類工0.94工日。

綜合分析表明:每立方米變徑與等徑水泥土攪拌樁相比，綜合單價(jià)約減少25%。

即:變徑水泥土綜合單價(jià)/等徑水泥土綜合單價(jià)≈75%。

表1 實(shí)例2號機(jī)位“釘形”水泥土攪拌樁單樁成樁時(shí)間記錄

2 等徑與變徑水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)分析

為便于分析，設(shè)定在處理相等面積軟弱地基和相同的設(shè)計(jì)要求下，即兩者具有相等的水泥摻入比、面積置換率和總樁長。

傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁所需水泥量計(jì)算式為:變徑水泥土攪拌樁所需水泥量計(jì)算式為:

使用變徑水泥土攪拌樁處理軟基相對于傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁處理軟基水泥用量百分比為:

其中，m1為傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁復(fù)合地基的面積置換率;m2為變徑水泥土攪拌樁復(fù)合地基的面積置換率;H為水泥土攪拌樁處理深度，m;h為變徑水泥土攪拌樁擴(kuò)大頭高度，m;αw為水泥摻入比，%;β為變徑水泥土攪拌樁的上、下樁徑比;γ為軟土容重，kN/m3;A為處理的軟土地基面積，m2。

本實(shí)例 m1=m2=0.302，H=18 m，h=4 m，β =1.8，αw=15%，γ 取定 17.5 kN/m3，A=1 650 m2。

經(jīng)計(jì)算 W1=2 354 468 kg，W2=1 088 416 kg，Δ =46.23%。需要指出，變徑水泥土攪拌樁與傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)面積置換率和總樁長相等的可能性較小，實(shí)際變徑與等徑水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)方案相比水泥用量百分比約為75%;另外，在考慮工程計(jì)價(jià)時(shí)計(jì)算長度按設(shè)計(jì)長度另加500 mm及材料損耗的前提下，本實(shí)例定額水泥消耗量為1 204 010 kg。

考慮使用新技術(shù)所需付出的必要費(fèi)用，等徑與變徑水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)方案相比，在每立方米綜合單價(jià)相同的前提下，節(jié)約工程成本約在10%～20%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 合理控制造價(jià)前提下的樁長確定方法

在水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)階段，采用變徑水泥土攪拌樁可以降低造價(jià)，同時(shí)合理確定樁長對控制工程造價(jià)的作用也很明顯。

載荷試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)?shù)鼗鶙l件一定時(shí)，單樁承載力隨著樁長的增加而增大，當(dāng)超過某一樁長后，增加樁長(比如樁長超過10 m)，而承載力不再增大，這一界限樁長就是水泥土攪拌樁的有效樁長。

對變徑水泥土攪拌樁而言，隨著擴(kuò)大頭高度的增加，單樁承載力逐漸增大，但擴(kuò)大頭高度超過8 m后，單樁承載力增加不明顯。

水泥土攪拌樁荷載與沉降關(guān)系曲線表明，在相等的樁頂荷載作用下，沉降量隨著樁長的增加而減少，當(dāng)超過某一樁長后，增加樁長，沉降量不再明顯減少。

存在有效樁長的原因在于水泥土攪拌樁是半剛性樁，樁身水泥土的抗壓強(qiáng)度比混凝土低得多，當(dāng)樁頂荷載比較大時(shí)，樁身首先破壞，此時(shí)，單樁承載力不是取決于地基土對樁的支撐能力，而是由水泥土攪拌樁的樁身抗壓強(qiáng)度控制。

為了控制造價(jià)，合理確定有效樁長和擴(kuò)大頭高度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)打設(shè)水泥土攪拌樁只是為了提高復(fù)合地基承載力，按樁身強(qiáng)度控制原則確定有效樁長。

2)攪拌樁兼有控制沉降的功能時(shí)，則按軟土層厚度和埋藏深度確定樁長。

3)一般情況下，使用“釘形”雙向水泥土攪拌樁在迅速提高復(fù)合地基承載力的同時(shí)也能有效控制沉降，擴(kuò)大頭高度一般為3 m～8 m。

4 結(jié)語

1)變徑水泥土攪拌樁所采用的新工藝，保證了樁體中的水泥摻入量，提高了水泥漿分布的均勻性，樁身質(zhì)量和強(qiáng)度均有較大提高，同時(shí)相較傳統(tǒng)等徑水泥土攪拌樁工料機(jī)消耗量稍有減少。

2)變徑水泥土攪拌樁與等徑水泥土攪拌樁設(shè)計(jì)方案相比，在水泥摻入比、面積置換率相同的情形下，節(jié)約水泥，降低工程成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

［1］ 向 瑋，劉松玉，朱志鐸，等.變徑水泥土攪拌樁加固橋頭軟基的試驗(yàn)分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，10(5):56-57.

［2］ 徐 超，廖星樾，葉觀寶，等.利用載荷試驗(yàn)研究水泥土攪拌樁的有效樁長［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005(3):68-69.