水泥深层搅拌法在水库软基加固中的应用

吴有生

(陕西省宝鸡峡管理局 扶风总站,陕西 扶风 722200)

水泥深层搅拌法是利用水泥作为主要固化剂,通过深层搅拌机械在地基深部将软土和固化剂强制拌和,提高软土地基强度。水泥深层搅拌法根据水泥掺加时的状态可分为:喷浆型搅拌法和喷粉型搅拌法[1,2]。加固软土地基技术源于二次世界大战后的美国,我国自1978年开始研究,1980年在上海宝钢软土地基加固处理中得到应用。实践证明,该方法具有施工简单、速度快、施工效率高等特点特别适用于工期紧或早期强度要求较高的工程。与其他处理方法相比,水泥深层搅拌法还能够有效地减少和控制沉降量和工后沉降量,具有较好的技术效果和经济效益。

1 水泥深层搅拌法的加固原理

水泥深层搅拌法利用深层搅拌机械,沿深度将固化剂(水泥浆或水泥粉,外掺一定的添加剂)与地基土强制搅拌,通过固化剂与地基土之间的一系列物理、化学作用,使地基土硬结成具有整体性、水稳定性、较低渗透性和一定强度的水泥土体(CSS)。土质不同,其加固机理也有所差别。对于砂性土,水泥土的固化原理类似于水泥砂浆,具有很高的强度,固化时间也较短;对于粘性土,由于水泥掺量较小,水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的土体围绕下进行的,所以土质条件对于搅拌桩桩身质量(主要包括桩身水泥土搅拌均匀性和水泥土成型强度两方面)的影响较大[3,4]。

2 信邑沟水库坝坡培厚施工设计及工艺

2.1 信邑沟水库基本情况

位于渭河三级支流美阳河上,距离扶风县城东北7.5 km,是宝鸡峡灌区渠库结合工程之一,拦河坝为均质土坝,总库容3705×104m3。大坝在1998年的安全鉴定中被鉴定为三类坝,需要对大坝上、下游进行培厚加固。

坝前饱和淤泥土层5 m以上基本无承载力,5 m以下基本承载力f0仅为50 kPa,故需要对上游坝坡培厚体坝基进行处理。通过分析比较及使用条件分析,本工程坝基处理措施选用了深层搅拌法,主要是基于以下三方面的考虑:①水泥搅拌桩可以作为淤泥开挖基坑围封的支挡结构;②水泥搅拌桩可以作为培厚部分的坝脚阻滑体;③水泥搅拌桩在淤泥开挖基坑前可形成一道防渗帷幕,便于换填土施工。

根据信邑沟水库坝前淤泥特性(表1)及分析计算,软基宜采用两排直径1.0 m,厚1.9 m,深16 m(伸入原坝坡 8 m)的水泥浆搅拌连续壁状式挡墙进行围封清淤。计算桩体抗压强度 fy取值为3.0MPa,抗拉强度 fu取值 1.08MPa,抗剪强度τy取值0.8MPa。

表1 信邑沟水库坝前淤泥特性

2.2 室内配合比试验

为了确定水泥掺入量、水灰比、最佳外加剂对水泥土强度的影响,首先进行了室内配合比试验,求得龄期与强度关系,从而为设计计算和施工工艺提供可靠的参数。

试验加固料选用秦岭牌普通硅酸盐水泥P042.5R,掺入比8%、12%、16%、20%,淤泥土水灰比 0.4 、0.45 、0.5,坝体土水灰比1.61、1.66、1.71。试验结果表明:①水灰比对抗压强度影响甚微,而土体自身含水率变化(18.4%～64.4%)却对试验结果影响较大。②坝体中水泥土强度随水泥掺量的增加时有波动,主要是因为天然土体含水率较小(平均含水率21.4%),密度较大(ρ=2.04 t/m3),搅拌时土体不易分散,难以均匀等原因造成的。③淤泥土强度随水泥掺入量的增加而增大,但增长幅度呈递减趋势;此外,淤泥土强度随龄期的增长而增长,其90 d抗压强度较28 d抗压强度增大23.8%～44.9%。④试验配比成型的水泥土渗透系数均在10×10-9cm/s～9.0×10-9cm/s之间变化,其抗渗性能已接近或超过S4标准,随龄期的增长渗透系数略有减少。⑤各种配合比淤泥水泥土90 d抗压强度介于0.41MPa～3.85MPa之间,抗拉强度介于0.09MPa～0.13MPa之间,粘聚力介于0.372MPa～1.617MPa之间,内摩擦角介于 20.69°～29.97°之间。 表2给出了水灰比为0.45、水泥掺量20%的淤泥水泥土各项指标。

表2 坝前淤泥水泥土各项指标

2.3 现场成桩试验

由于深层搅拌桩成型受施工现场水文、土质以及环境因素影响较大,因此桩体成型的强度指标与室内水泥土试验的结果差别较大。所以,在现场施工过程中,还必须结合工程实际情况进行现场试验,寻求特定条件下深层搅拌桩的特性,以确定施工工艺和外加剂对于水泥土的影响。

现场成桩试验采用的设备为PH-6型深层搅拌机,直径500mm,采用室内试验的配合比成桩墙10 m。经开挖验桩及钻机取芯检测可见,桩体多不成型,水泥掺入量20%的90 d抗压强度仅为0.94MPa,仅达到室内强度3.85MPa的24.4%,与设计要求的抗压强度3MPa(90 d)相差较大。

鉴于野外成桩试验存在成桩不理想、抗压强度低的问题,以及野外成桩淤泥含水率高、现场搅拌不均匀、现有机械型号局限等因素限制,将原设计方案的水泥浆搅拌改为水泥粉搅拌;采用14排Φ 50mm厚5.7 m深9.25m的格栅状重力式挡墙,替代原设计方案的两排直径1.0m,厚1.9 m,深16 m(伸入原坝坡8 m)的连续壁状式挡墙,计算桩体抗压强度取值为0.8MPa。

按照《粉体、喷搅法加固软弱土层技术规范》(TB10113-96)要求,桩体施工前工艺性成桩20根(一个井格),经挖深4 m观察及抗压检测试验可知,桩体成型良好,7 d抗压强度1.02MPa,符合桩体成型及设计强度的要求。根据工艺成桩试验结果,最终桩体的施工工艺为:粉喷桩掺灰比17%,每米掺灰量为55 kg,钻进速度为0.8 m/min,提升速度为0.5 m/min,注浆口控制压力0.4MPa～0.6MPa。

2.4 施工流程及工序

结合本工程的施工经验及有关施工工艺规范要求,总结出水泥土搅拌桩施工流程及工艺如下:试桩试验→桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开注浆泵→反循环提钻喷浆→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻补喷→成桩结束→施工下一根桩。

2.5 施工质量监控

为了保证施工质量能达到预期的加固效果就必须针对土质对于水泥深层搅拌桩桩身质量的影响情况,应及时做好对于水泥土均匀性和强度方面的监控和检测工作。

水泥土的均匀性检测一般常用目测法。采用轻便触探器中附带的勺钻在桩身中心钻孔、取芯样,通过观察其颜色是否一致,是否存在水泥富集的“结核”或未被搅匀的土团以确定水泥土是否搅拌均匀。水泥土成桩强度检测通常采用轻便触探器击数与水泥土强度对比关系确定。

施工中,为保证水泥搅拌桩桩体垂度,采用J2经纬仪校测,以保证钻机垂直度;为保证掺灰量和桩体长度的精度,通常在PH-6型深层搅拌机上和供灰管路上安装电子感应器,通过液晶屏幕实时显示深度和单米掺灰量以保证掺灰量和桩体长度的精度;若施工中遭遇停电或故障停机,第二次喷粉接桩长度应大于1m。

3 结 语

在介绍水泥深层搅拌法软基处理原理的基础上,分析总结了该方法在实际工程中处理软基时的设计方法、施工工艺和质量监控措施。信邑沟水库上游坝坡深层搅拌法培厚加固处理表明,良好的施工工艺及质量控制措施是桩体成型均匀,桩身强度达到设计要求的重要前提。深层搅拌法除险加固方法在信邑沟水库成功的应用,为宝鸡峡灌区其它水库除险加固积累了经验,也为水利工程中推广应用提供了参考。

[1]华南理工大学,东南大学,浙江大学等.地基与基础[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.

[2]GB50007-2002.建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]汤怡新,刘汉龙,朱伟.水泥固化土工程特性试验研究[J].岩土工程学报,2000,22(5):549-554.

[4]焦志斌,盛华兴,马建国,等.深层搅拌法加固应天河套闸软基工程[J].水运工程,2004,(8):70-72,78.