郭克誠(chéng)，孫 偉，彭 威，唐彤芝

（1. 武漢謙誠(chéng)樁工科技股份有限公司，湖北 武漢 430062；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024）

0 引 言

水泥土攪拌樁是利用特殊的攪拌樁機(jī)，將帶攪拌頭的軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)入地基深層，經(jīng)由輸送管向軟土中注入水泥粉或者水泥漿，攪拌頭旋轉(zhuǎn)切割軟土并將軟土與水泥漿（粉）攪拌均勻，使固化材料與軟土之間產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成抗壓強(qiáng)度高，具有整體性、水穩(wěn)性的水泥加固土柱體[1-3]。該方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、最大化地利用了地基原狀土、布置型式靈活多樣、施工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音小、對(duì)環(huán)境影響小、與高壓旋噴樁等相比，造價(jià)相對(duì)較低。水泥土攪拌樁屬于柔性樁，既可作為復(fù)合地基的豎向增強(qiáng)體，也可用作基坑開(kāi)挖的止水帷幕，在水利、水運(yùn)、交通、市政、工民建等工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。隨著生態(tài)環(huán)保的重視，水泥土攪拌樁技術(shù)在水土污染治理領(lǐng)域也得到了逐步應(yīng)用，發(fā)揮了較好的隔污、阻污和穩(wěn)污功效[4-5]。

土是一種由氣、固、液三相體系組成的成分復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性質(zhì)復(fù)雜的離散性材料，水泥土攪拌樁處理不同區(qū)域、不同成因、不同環(huán)境狀況下的地基土?xí)r，水泥等固化材料與地基土的攪拌和固結(jié)反應(yīng)存在較大的差異，對(duì)成樁質(zhì)量有較大的影響。為規(guī)范施工操作和質(zhì)量控制，保障成樁質(zhì)量，滿足地基加固對(duì)樁體強(qiáng)度、連續(xù)性、均勻性和承載力的設(shè)計(jì)要求，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)水泥土攪拌樁的適用范圍、土質(zhì)條件和設(shè)備工藝等方面做出了嚴(yán)格的規(guī)定?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）中的強(qiáng)制性條款“7.3.2”明確規(guī)定：“水泥土攪拌樁用于處理泥炭土、有機(jī)質(zhì)土、pH值小于 4的酸性土、塑性指數(shù)大于 25的黏土，或在腐蝕性環(huán)境中以及無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)使用時(shí)，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)確定其適用性”。工程實(shí)踐表明，當(dāng)土質(zhì)條件較好、處理深度15 m左右時(shí)嚴(yán)格控制施工工藝，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量的管理，攪拌樁的成樁質(zhì)量和加固效果是可控的。

地基處理的主要目的是改善土的不良地質(zhì)特性，提高地基承載力。采用水泥土攪拌樁處理高含水量、深厚復(fù)雜軟基時(shí)主要面臨兩個(gè)關(guān)鍵難題，一是高含水量、復(fù)雜土質(zhì)對(duì)水泥土固化反應(yīng)及強(qiáng)度的影響；二是深厚處理時(shí)攪拌、噴漿等施工工藝的有效控制及其對(duì)全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)成樁質(zhì)量的影響。圍繞關(guān)鍵問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工程界的廣大專家學(xué)者、工程技術(shù)人員開(kāi)展了大量探索、研究和工程應(yīng)用，大力推動(dòng)了攪拌樁技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展和應(yīng)用，歸納起來(lái)也主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是適合高含水量、復(fù)雜土質(zhì)條件的新型固化材料的研究，如研制各類不同配方的固化劑，改善固化劑與土質(zhì)的反應(yīng)條件，促進(jìn)固化材料與土的物理化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程和效果，調(diào)節(jié)和增強(qiáng)固化土強(qiáng)度等；二是滿足超深處理的樁機(jī)設(shè)備、攪拌與噴漿工藝的改良創(chuàng)新和新工法的研究。如雙向、多向多軸等基于攪拌軸、葉片和噴漿工藝改進(jìn)的新型攪拌樁，有效阻斷水泥漿上冒途徑，保證水泥漿在樁體中均勻分布和攪拌均勻。通過(guò)攪拌葉片的伸縮擴(kuò)大樁身截面形成釘形、變截面樁，增大樁-土相互作用，提高樁體承載力。發(fā)揮單一處理方法的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，大力發(fā)展攪拌樁與其他方法的組合型新技術(shù)，如排水-粉噴樁、剛-柔性樁（如水泥土-管樁、水泥土-混凝土預(yù)制樁）復(fù)合地基、水泥土-加芯加勁樁、長(zhǎng)板-短樁工法等[6-10]。

1 新時(shí)代攪拌樁技術(shù)發(fā)展的思考

1.1 時(shí)代發(fā)展新主題與工程建設(shè)新理念

“綠色、環(huán)保、節(jié)能”是當(dāng)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主題，“綠水青山就是金山銀山”。生態(tài)環(huán)境安全是經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展的重要保障，新時(shí)代更加注重和加強(qiáng)推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，尊重自然，謀求人與自然和諧發(fā)展的價(jià)值理念，貫徹創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念，形成節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的空間格局、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)生活方式。

建筑業(yè)是全球最大的原材料和能源消耗產(chǎn)業(yè)，目前全球建筑運(yùn)營(yíng)能耗已占到總能耗的30%以上，加上建設(shè)過(guò)程中的能耗，已接近 50%。我國(guó)傳統(tǒng)的粗放建造導(dǎo)致資源消耗量大、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)生許多污染。土木工程建設(shè)的設(shè)計(jì)理念和施工技術(shù)應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，與時(shí)俱進(jìn)，轉(zhuǎn)變思路進(jìn)行發(fā)展創(chuàng)新，向“綠色建造”轉(zhuǎn)型，走環(huán)保節(jié)能的綠色發(fā)展之路。

城市發(fā)展與交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資巨大，對(duì)土石資源的需求量巨大，長(zhǎng)期大量開(kāi)采會(huì)造成自然資源枯竭、水土流失、自然景觀惡化，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。各類廢棄建（構(gòu)）筑物拆除后產(chǎn)生大量的磚瓦、石灰、水泥土、混凝土、廢砂廢渣等混合型廢舊資源，少量用于路基回填，大部分廢棄堆放，未能實(shí)現(xiàn)資源化有效利用，節(jié)能環(huán)保問(wèn)題十分突出。國(guó)內(nèi)外部分大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者在循環(huán)利用建筑垃圾，如用建筑廢棄物做骨料進(jìn)行路基填筑、應(yīng)用于散體材料樁施工等進(jìn)行了一些初步的試驗(yàn)研究，缺乏系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，工程應(yīng)用很少?，F(xiàn)有地基加固方面的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)尚未能包含采用建筑廢棄材料作為豎向增強(qiáng)樁體材料的內(nèi)容和要求。

有效消納和利用廢棄建筑材料資源是實(shí)現(xiàn)攪拌樁技術(shù)綠色發(fā)展的重要途徑之一，將改擴(kuò)建工程中產(chǎn)生的大量廢棄建筑資源經(jīng)處理后作為混合料埋置于地基深處，形成大直徑豎向增強(qiáng)體，發(fā)揮廢棄建筑材料資源的再利用價(jià)值，為工程建設(shè)節(jié)約大量投資，減少?gòu)U棄物堆放對(duì)場(chǎng)地的占用和環(huán)境的污染，達(dá)到廢舊資源有效利用、軟弱地基改良加固和節(jié)省工程投資的多重目的，符合綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

1.2 攪拌樁技術(shù)應(yīng)用所面臨的新問(wèn)題

當(dāng)前國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級(jí)進(jìn)入快軌化，傳統(tǒng)領(lǐng)域的土木工程建設(shè)已轉(zhuǎn)向縱深發(fā)展，以超大超深的地下空間開(kāi)發(fā)為代表的超大型工程建設(shè)越來(lái)越多，面臨的工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量控制要求越來(lái)越高。如何解決和克服更加復(fù)雜的軟土問(wèn)題成為攪拌樁技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用面臨的關(guān)鍵難題。

以珠海為例，珠海市軟土按沉積成因可分為三類：濱海相軟土、三角洲相軟土和內(nèi)陸相軟土。濱海相軟土主要分布于濱海平原海灣地段和海島周邊，為近代海退所形成的淺海堆積，分布范圍廣、厚度大，為珠海市最主要的軟土層；三角洲相軟土主要分布在磨刀門、泥灣門、雞啼門和虎跳門等河道兩側(cè)的平原地段；內(nèi)陸相軟土主要分布于山（臺(tái)）前洼地或河谷地段。軟土多裸露于地表或伏于填土之下，呈單層或多層結(jié)構(gòu)，以灰黑色淤泥、淤泥質(zhì)土為主，間夾薄層黏土或砂土、淤泥質(zhì)砂，厚度一般在8～40 m之間，具有近山薄、近海厚的規(guī)律，分布范圍和厚度以珠海西區(qū)和橫琴的濱海相軟土最為突出。根據(jù)工程建設(shè)所揭示的地層情況，珠海市軟土分布大致可劃分為五個(gè)區(qū)：（1）金灣區(qū)，包括三灶鎮(zhèn)、紅旗鎮(zhèn)、平沙鎮(zhèn)及高欄港區(qū)等區(qū)域，軟土分布面積廣，層位穩(wěn)定，厚度20～40 m，上部25 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質(zhì)土；（2）珠海保稅區(qū)一帶，分布面積較大，層位穩(wěn)定，厚度15～30 m，靠近磨刀門水道側(cè)局部超過(guò)40 m，上部25 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質(zhì)土；（3）南屏科技園一帶，軟土廣泛分布，層位穩(wěn)定，厚度一般為10～20 m，近前山河側(cè)軟土層較薄，近磨刀門側(cè)軟土層較厚，最大厚度超過(guò)30 m，上部20 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質(zhì)土；（4）橫琴島一帶，軟土分布面積較廣，層位穩(wěn)定，厚度一般為 20～50 m，上部 25 m左右以淤泥為主，其下一般為淤泥質(zhì)土；（5）香洲區(qū)近海岸一帶，軟土零星分布，分布面積小，層位不穩(wěn)定，厚度一般為 5～10 m，埋藏于硬殼層下，以淤泥及淤泥質(zhì)土為主。

工程實(shí)踐和研究表明，在海水滲入地區(qū)，地下水中含有大量的硫酸鹽，硫酸鹽將與水泥發(fā)生反應(yīng)，對(duì)水泥土產(chǎn)生結(jié)晶性侵蝕，使水泥土出現(xiàn)開(kāi)裂、崩解而喪失強(qiáng)度。有關(guān)學(xué)者通過(guò)對(duì)海相高含鹽量（Ca+，Mg2＋，Cl－，SO42－等）軟土的水泥土固化機(jī)理和強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，包括室內(nèi)外試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明，Mg2＋，Cl－，SO42－對(duì)水泥土強(qiáng)度起了不同程度的負(fù)面作用，隨著三種離子含量的增大，對(duì)水泥土強(qiáng)度的形成和增長(zhǎng)具有很強(qiáng)的抑制作用，均會(huì)導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度的降低。海相軟土中常常含有較多的Cl－，它會(huì)與Ca+和Al3+優(yōu)先結(jié)合，生成大量強(qiáng)度很低的水化氯鋁酸鈣，這種物質(zhì)會(huì)包裹在黏土顆粒表面，阻止黏土礦物與Ca(OH)2的進(jìn)一步反應(yīng)，從而嚴(yán)重阻礙水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)。目前建筑施工市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，施工單位為了從已經(jīng)十分低廉的施工費(fèi)中賺取利潤(rùn)，只好采取偷工減料的方法來(lái)降低成本，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以控制，再加之高含水量、腐殖質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、土體酸性的影響，經(jīng)常出現(xiàn)樁身強(qiáng)度低、樁體不連續(xù)，甚至難以成樁的現(xiàn)象。

因此，發(fā)展大直徑、超深、高性能的攪拌樁設(shè)備，發(fā)展新型資源節(jié)約型環(huán)保型固化材料，是攪拌樁技術(shù)滿足土木工程建設(shè)縱深發(fā)展、適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件、保障質(zhì)量的重要途徑和內(nèi)容。

1.3 新興科技對(duì)攪拌樁技術(shù)的影響和融合

新時(shí)代是黑科技爆發(fā)的時(shí)代，很多前所未有、聞所未聞的新技術(shù)、新材料、新工藝順應(yīng)時(shí)代而誕生和發(fā)展。大數(shù)據(jù)、5G網(wǎng)絡(luò)、信息與計(jì)算科學(xué)、人工智能等這些新興顛覆性技術(shù)，正在釋放科技革命和產(chǎn)業(yè)變革所積蓄的巨大能量，深刻改變著人類生產(chǎn)生活方式和思維方式，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步等產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

當(dāng)今世界都高度重視人工智能的發(fā)展，我國(guó)已把新一代人工智能作為推動(dòng)科技跨越發(fā)展、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級(jí)、生產(chǎn)力整體躍升的驅(qū)動(dòng)力量。制造業(yè)是一個(gè)能夠體現(xiàn)國(guó)家生產(chǎn)水平，區(qū)分國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要行業(yè)。在當(dāng)下的人工智能時(shí)代，“人工智能+制造業(yè)=智能制造”的模式逐漸被人們認(rèn)可，以人工智能為代表的新興技術(shù)正在不斷影響著制造業(yè)的生產(chǎn)模式及運(yùn)營(yíng)過(guò)程。

中國(guó)工程院院士、國(guó)家最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲得者錢七虎指出，在工程建設(shè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)綠色建造的必然選擇和最佳途徑是智慧建造?！靶畔⒓夹g(shù)要繼續(xù)深入地應(yīng)用到建設(shè)工程中去，全面推廣數(shù)字工程和智慧工程，未來(lái)還要向少人化、無(wú)人化的方向發(fā)展?！币揽看髷?shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)等這些科技基礎(chǔ)，工程建設(shè)才會(huì)更加高效節(jié)能、低碳排放。以地下工程為例，“智慧建造”首先體現(xiàn)在建立全面的、透徹的感知系統(tǒng)。地下存在很多的不確定性，很多情況人看不到也感受不到，要通過(guò)設(shè)備、傳感器、信息化的設(shè)備去全面感知，摸清情況。其次是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的全面互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)感知信息（數(shù)據(jù)）的高速和實(shí)時(shí)傳輸，即時(shí)地反映認(rèn)知。然后是智慧平臺(tái)的打造，工程技術(shù)人員通過(guò)這個(gè)平臺(tái)對(duì)反饋來(lái)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、處理、模擬，得出決策，從而及時(shí)發(fā)布安全預(yù)警和處理對(duì)策預(yù)案。有了這些技術(shù)，工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更低，施工人員將更安全，同時(shí)也能最大限度地節(jié)省材料和資源，減少對(duì)環(huán)境的影響和破壞。

1.4 智能攪拌樁成套技術(shù)的架構(gòu)與研發(fā)

樁工行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)主要體現(xiàn)在：（1）樁基技術(shù)的各種施工工藝方法和理論的研究將日趨完善；（2）相關(guān)國(guó)家規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)將更加全面細(xì)化；（3）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)行為及設(shè)計(jì)、施工作業(yè)流程將日益規(guī)范；（4）樁基新技術(shù)、樁工新設(shè)備、新材料的研發(fā)與應(yīng)用；（5）樁基處理技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用；（6）以高科技為支撐，發(fā)展低碳、環(huán)保經(jīng)濟(jì)；（7）樁基施工智能化、自動(dòng)化；（8）樁基質(zhì)量監(jiān)控智能化。

鑒于攪拌樁的成樁特點(diǎn)，特別是利用地基土進(jìn)行原位攪拌的工藝特點(diǎn)，與其他非原位攪拌工藝的樁型相比，攪拌樁更需要通過(guò)人機(jī)互動(dòng)、自動(dòng)控制、信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)上的嫁接，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)→噴漿→攪拌、質(zhì)量→安全→檢測(cè)等全過(guò)程的智能化控制與管理。以攪拌樁為代表，將高端制造技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與樁工行業(yè)進(jìn)行融合，開(kāi)展樁機(jī)設(shè)備的升級(jí)改造和智能制造，是新時(shí)代樁工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是未來(lái)攪拌樁技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新的重要方向[11-12]。

企業(yè)是科技創(chuàng)新的主體，作為國(guó)家級(jí)高新技術(shù)企業(yè)的武漢謙誠(chéng)樁工，聯(lián)合國(guó)內(nèi)權(quán)威高校、科研機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展“樁工設(shè)備裝備及智能化研究”專項(xiàng)課題（見(jiàn)圖1和圖2），通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)樁基設(shè)備的升級(jí)改造、新材料與新工藝的研發(fā)、人機(jī)交互的裝備智能化施工技術(shù)等方面進(jìn)行集成研發(fā)，突破關(guān)鍵技術(shù)和難題，建立成套技術(shù)系統(tǒng)。圍繞樁工設(shè)備全面質(zhì)量管理的“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，研發(fā)出一套由信息化系統(tǒng)、智能化操控系統(tǒng)以及智能工藝系統(tǒng)三個(gè)部分組成的安全智能樁機(jī)作業(yè)專家系統(tǒng)。在現(xiàn)有作業(yè)工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)作業(yè)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造、對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行信息化管理、對(duì)相關(guān)物料進(jìn)行系統(tǒng)化支配、對(duì)作業(yè)工法進(jìn)行智能化優(yōu)化、對(duì)作業(yè)環(huán)境進(jìn)行全掌控，實(shí)行集中操作，基本實(shí)行無(wú)人化的智能操控。

圖1 攪拌樁技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新的設(shè)想Fig. 1 Assumption of development and innovation of mixing pile technology

圖2 樁機(jī)施工智能化系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig. 2 Intelligent system architecture diagram of pile driver construction

2 新型攪拌樁機(jī)與固化材料的研制及應(yīng)用[13-14]

2.1 大直徑超深攪拌加芯一體化樁機(jī)

針對(duì)常規(guī)水泥土攪拌樁的不足，在現(xiàn)有的大扭矩?cái)嚢铇痘A(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，將多向多軸攪拌、加芯加勁、剛-柔性樁復(fù)合地基技術(shù)進(jìn)行融合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，研發(fā)形成大直徑（80～150 cm）、超深（35 m以上）、攪拌加芯一體化的新型復(fù)合樁機(jī)，可以同步施工，一次性成樁，大幅度提高施工效率，調(diào)節(jié)不同的芯樁率和芯長(zhǎng)比，同時(shí)具備豎向增強(qiáng)、水平抗剪、深層止水等多項(xiàng)技術(shù)功能，可以滿足深厚復(fù)雜軟土地基加固、超深超大地下空間開(kāi)發(fā)、深基坑支護(hù)等工程建設(shè)的需要，見(jiàn)圖3。

圖3 大直徑超深攪拌加芯一體化樁機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure schematic diagram of large diameter ultra-deep mixing and core integration pile machine

為克服深層攪拌不均勻、成樁質(zhì)量差的難題，新樁機(jī)在攪拌設(shè)備和工藝上采用了如下技術(shù)創(chuàng)新：（1）上下四層八葉片組成的多向攪拌鉆頭，內(nèi)外雙鉆桿實(shí)施，上面兩層葉片順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與下面兩層葉片逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行，保證漿液與土體攪拌更加充分；（2）采用雙排鏈及傳動(dòng)軸傳動(dòng)進(jìn)行進(jìn)尺轉(zhuǎn)速分離，能提供更大扭矩，通過(guò)檔位控制轉(zhuǎn)速，能進(jìn)行低、中、高轉(zhuǎn)速的切換，配合進(jìn)尺深度，通過(guò)樁機(jī)下鉆電流變化以及地勘資料了解項(xiàng)目地層情況，在深層攪拌過(guò)程中采用高轉(zhuǎn)速、慢進(jìn)尺或在特殊地層停鉆復(fù)攪，能使?jié){液與深層淤泥的攪拌更加充分，針對(duì)含水量較高的地層在樁底做好封底復(fù)攪，避免底部水在強(qiáng)壓力下通過(guò)鉆桿提升沖擊樁體，影響成樁質(zhì)量；（3）為了提高漿液的利用效率及攪拌及時(shí)性，將噴漿口從鉆桿處引出至葉片中部，漿液噴出后，葉片能立即將漿液與土體進(jìn)行攪拌，在充分利用漿液的同時(shí)，攪拌更加均勻；而且可解決大直徑超深攪拌樁在深層淤泥中噴漿壓力不夠、有效緩解在特殊情況下泥土直接堵塞鉆桿噴漿口等問(wèn)題。

2.2 新型節(jié)能環(huán)保型固化材料

針對(duì)水泥土攪拌樁加固軟黏土普遍存在強(qiáng)度低、不均勻，特別是在深厚海相淤泥質(zhì)地層中成樁難以控制的問(wèn)題，十余年來(lái)組織專家技術(shù)人員、聯(lián)合高校、科研機(jī)構(gòu)等，大量投入人力、物力和財(cái)力，堅(jiān)持不懈地進(jìn)行固化材料的創(chuàng)新研究，在珠海、中山、江門、南沙等不同區(qū)域、不同項(xiàng)目類型的工程中進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，重點(diǎn)針對(duì)海相淤泥的高含水量、高有機(jī)質(zhì)含量、有害鹽離子和酸堿不平衡等關(guān)鍵的物化特性，不斷研究改進(jìn)和完善，成功研發(fā)出新型QC系列軟土固化劑，較好地解決了在海相深厚流塑狀淤泥地基中成樁不均勻、強(qiáng)度不高、取芯不完整、甚至不成樁的難題。

新型QC系列固化劑成本低，環(huán)保性好。水泥熟料摻量?jī)H為10%～25%，其他材料采用經(jīng)處理后的工業(yè)廢料，如高爐粒化礦渣、粉煤灰、以及電廠發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢料脫硫石膏等，就地取材，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的資源化利用。該固化材料質(zhì)量好、水穩(wěn)定性好、耐久、早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度不受影響，如表1所示。

表1 QC固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 1 Unconfined compressive strength test results of solidified soil using QC curing agent

2.3 工程應(yīng)用實(shí)例

將攪拌樁技術(shù)發(fā)展的兩個(gè)重要內(nèi)容“樁機(jī)設(shè)備與工藝”和“固化材料”融合在一起，形成公司自主研發(fā)的“海相淤泥質(zhì)土專用固化劑及配套設(shè)備工藝”新技術(shù)，已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利受理審查中，其中新型樁機(jī)設(shè)備已取得國(guó)家專利。新技術(shù)已在向莆鐵路南昌樞紐工程、南廣鐵路梧州南站、貴廣南廣鐵路廣州樞紐工程、衢寧鐵路寧德站前工程、江門會(huì)港大道、鶴崗高速等多個(gè)鐵路、高速公路工程軟土地基處理得到成功應(yīng)用，樁身強(qiáng)度高、取芯連續(xù)完整，檢測(cè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。大直徑超深攪拌加芯一體化樁機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。

圖4 大直徑超深攪拌加芯一體化樁機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig. 4 Construction site of large diameter ultra-deep mixing and core integration pile machine

（1）珠海大道擴(kuò)建工程先行標(biāo)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)攪拌樁 1 535根，樁徑 600 mm，樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度≥0.8 MPa，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22.7 m，樁端持力層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。設(shè)計(jì)單樁承載力特征值110 kN。現(xiàn)場(chǎng)施工自2020年1月初開(kāi)始，3月下旬由第三方質(zhì)檢單位進(jìn)行取芯檢測(cè)（兩根檢測(cè)樁）和靜載試驗(yàn)（三根檢測(cè)樁），結(jié)果表明，取芯率均達(dá)到95%以上，芯樣均勻完整，膠結(jié)程度良好（見(jiàn)圖5），均呈大于100 mm長(zhǎng)的柱狀，芯長(zhǎng)最大超過(guò) 0.8 m。樁身強(qiáng)度代表值分別為1.59、3.55 MPa，超過(guò)設(shè)計(jì)要求，單樁承載力特征值達(dá)到110 kN，滿足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖6。

圖5 珠海大道擴(kuò)建工程先行標(biāo)施工現(xiàn)場(chǎng)Fig. 5 Construction site of first section of Zhuhai avenue extension project

圖6 珠海大道擴(kuò)建工程先行標(biāo)取芯強(qiáng)度與單樁承載力試驗(yàn)分布曲線Fig. 6 Curves of core samples strength and Q-s in first section of Zhuhai avenue extension project

從取芯強(qiáng)度分布曲線可以看出，樁身強(qiáng)度分布的不均勻性還是存在，中下部仍是難點(diǎn)。從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)看，通過(guò)后續(xù)的智能化升級(jí)改造，鉆進(jìn)過(guò)程中根據(jù)傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)扭矩、轉(zhuǎn)速、流速等參數(shù)的變化，從而自動(dòng)識(shí)別地層土性，優(yōu)化后臺(tái)制漿水灰比，智能控制噴漿和攪拌，實(shí)現(xiàn)噴漿用量科學(xué)化、樁身質(zhì)量均勻化。

從單樁靜載試驗(yàn)的Q-s曲線可以看出，三根單樁受壓變形的曲線線性化明顯，說(shuō)明單樁加壓條件下，樁間軟土發(fā)揮的作用較弱。最大加載達(dá)到220 kN時(shí)，三根樁的最大沉降量分別為7.47、7.97和8.31 mm，卸載后最大回彈量分別為3.02、3.33和3.42 mm，回彈率分別為40.4%、41.8%和41.2%。若不考慮樁體本身的受壓變形，試驗(yàn)變形量較小，主要應(yīng)為樁端下臥淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的壓縮變形。

（2）珠海市鶴港高速（鶴州—高欄港）一期工程HGTJ3標(biāo)段，采用加芯攪拌樁，樁徑600 mm，樁身設(shè)計(jì)強(qiáng)度≥1.0 MPa，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)25.0 m，芯樁為邊長(zhǎng) 20 cm的預(yù)制混凝土方樁，長(zhǎng)度分別為 20、22.5 m，單樁豎向抗壓承載力特征值≥400 kN。施工結(jié)束后于2018年6月下旬進(jìn)行鉆孔取芯（2根樁）和單樁靜載試驗(yàn)（3根樁），取芯檢測(cè)表明芯樣連續(xù)、完整、堅(jiān)硬、攪拌均勻、呈柱狀；檢測(cè)樁長(zhǎng)與施工記錄樁長(zhǎng)相符，樁身水泥土芯樣抗壓強(qiáng)度代表值分別為4.5、3.3 MPa，超過(guò)設(shè)計(jì)要求。單樁承載力特征值達(dá)到400 kN，滿足設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)圖7。

圖7 鶴港高速一期工程HGTJ3標(biāo)取芯強(qiáng)度與單樁承載力試驗(yàn)曲線Fig. 7 Curves of core samples strength and Q-s in HGTJ3 section of He-Gang highway project

檢測(cè)樁 A004-3號(hào)和 A006-6號(hào)的芯樁長(zhǎng)度是20 m，芯長(zhǎng)率為80%，檢測(cè)樁A003-5號(hào)的芯樁長(zhǎng)度是 22.5 m，芯長(zhǎng)率為 90%，從單樁靜載試驗(yàn)的Q-s曲線可以看出，芯長(zhǎng)率不同，受壓過(guò)程中樁身的壓縮變形存在差異，芯長(zhǎng)率較大時(shí)在相同加壓荷載下樁身壓縮量較小。加芯對(duì)于增強(qiáng)樁身剛度、提高攪拌樁的單樁承載能力的效果是明顯的，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、土層分布、樁身強(qiáng)度和受力變形以及樁土相互作用等因素來(lái)確定合理的芯長(zhǎng)率。

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況來(lái)看，為保障深厚淤泥軟土的加固效果，滿足地基承載力和工后沉降控制的要求，要重視樁身中下部和樁端的攪拌和噴漿質(zhì)量，攪拌樁施工結(jié)束后應(yīng)鋪設(shè)褥墊層以構(gòu)成復(fù)合地基，協(xié)調(diào)樁-土變形和應(yīng)力分擔(dān)，發(fā)揮樁土共同作用。

3 結(jié) 論

攪拌樁技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新一直在路上，繼續(xù)深入開(kāi)展樁機(jī)設(shè)備的升級(jí)改造、施工技術(shù)與工藝的創(chuàng)新以及與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G技術(shù)等新興高科技的交叉融合，才能應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和土層特性，才能滿足工程建設(shè)縱深發(fā)展的需要。

應(yīng)繼續(xù)研發(fā)新型節(jié)能環(huán)保型固化材料，針對(duì)不同區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和土質(zhì)特點(diǎn)，深入開(kāi)展固化材料與土體反應(yīng)的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化、固化機(jī)理與強(qiáng)度增長(zhǎng)的研究，重點(diǎn)關(guān)注土體的含水率、有害鹽離子、有機(jī)質(zhì)等物化特性，建立適應(yīng)不同區(qū)域、不同土質(zhì)特點(diǎn)的固化劑大數(shù)據(jù)平臺(tái)。通過(guò)采用新的技術(shù)措施和方法對(duì)工程建設(shè)領(lǐng)域產(chǎn)生的大量廢舊資源（如拆挖產(chǎn)生的磚塊、混凝土等建筑垃圾、溝塘底泥、工程礦渣、鉆孔廢漿、盾構(gòu)廢渣等）進(jìn)行有效的資源化利用，充分利用廢棄建筑垃圾和工業(yè)廢渣，逐步減少水泥、砂石料的用量，在滿足質(zhì)量要求的前提下節(jié)省投資，節(jié)省資源，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的“綠色施工”。

應(yīng)繼續(xù)研發(fā)和改進(jìn)樁機(jī)設(shè)備裝備，引入專家智慧構(gòu)建地層自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，進(jìn)行施工攪拌與噴漿的自動(dòng)優(yōu)化控制，加快樁工行業(yè)數(shù)字化與智能化升級(jí)步伐，將新興高科技、高精端制造與傳統(tǒng)基建相結(jié)合，逐步完善巖土、樁機(jī)裝備、施工工藝與工法等行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)樁工設(shè)備裝備及工藝的全面自動(dòng)化、實(shí)時(shí)化、信息化和智能化，實(shí)現(xiàn)“智能施工”，最終實(shí)現(xiàn)“智慧樁工”。