ASE复合桩技术设计及试验研究

汪攀峰

(浙江明仲岩土工程技术有限公司，浙江杭州 310015)

0 引言

我国各种大型基础设施正在大兴建设，沿海地区由于城市建设及经济发展需要，对大面积的江河湖海进行吹填，进而形成陆地。该类吹填土属于超软土，具有低强度、高压缩性和低渗透性等工程特性[1-4]，因此需要对其进行相应的加固措施，以达到设计所需的沉降和承载力的要求[2]。

在进行地基处理前期，由于场地为吹填淤泥，承载力极低，机械设备无法进场[5]，故需要进行前期的交地加固处理。较为常用的大面积处理方法是真空预压法，但是在进行真空预压时，其使用的排水板经常会由于各种情况而产生淤堵[6]，使得其加固效果不佳。基于该缺陷，从水泥土搅拌桩和CFG桩出发，结合工程实践，提出了ASE复合桩(Active material-Sinking-Expanding Composite Pile，活性材料沉管扩径复合桩)及其施工方法。

1 技术设计

1.1 工法简介

该复合桩拟利用水泥、MK(偏高岭土)、生石灰、聚羧酸(用作减水剂)为主控材料(或其他成品固化剂)，海砂、海泥、粉土、建筑垃圾(例如粉煤灰等)等粗料为辅助材料，结合沉管桩机及搅拌桩机打设桩径为800 mm及以上的ASE桩，从而实现地基的浅层整体加固或柱状式加固。

1.2 加固机理

地基处理的基本原理，根据不同的加固方法可归纳为挖、填、换、夯、压、挤、拌，分别或组合对应不同的地基处理技术，比如强夯法、换填法、化学固结法等(见图1)。

图1 ASE复合桩加固机理示意图

挤——即先将带桩靴的桩管打入土中，向四周挤压土体形成桩孔，然后拔出桩管，再在桩孔内灌入砂石或石灰、素土、灰土等填料进行震动捣实，或者随着填料的灌入逐渐拔出桩管。这种方法实用于加固松软饱和土地基，其原理就是挤密土体，排水固结，以提高地基的承载力，故也称为挤密桩。如水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)。

拌——即用旋转喷射法或深层搅拌法加固地基。其原理是利用喷射浆液切削土体，利用机械叶片搅拌浆土，使浆液和土壤混合，凝结成坚硬的柱体或土壁。如水泥土搅拌桩、高压旋喷桩。

ASE桩结合了CFG桩及水泥土搅拌桩的特点，即“挤”“拌”复合，既有挤密桩周土体、加速排水固结的效应，又有直接拌和加固材料与土体，形成相对高强度加固土柱的作用。

1.3 施工工艺

ASE复合桩主要包含：材料、投料、搅拌三方面。

(1)复合材料

ASE复合桩的桩身材料主要由2部分构成：一部分是主控材料，即固化细料，包括水泥、MK、生石灰以及聚羧酸等，也可采用其他成品固化剂；另一部分为辅助材料，即固化粗料：海砂、粉土以及当地工业废料(如粉煤灰、水渣、矿渣等)[7]。

以水泥、MK、生石灰等为主要材料，利用复合材料的水化作用来加固土体，使其达到所需的承载力强度；然后加入海砂、粉土、建筑废材等粗骨料作为辅助材料，为吹填淤泥提供颗粒骨架，提高强度，又能节省材料，降低造价。

(2)施工流程

①施工方法

根据活性复合材料及外掺骨料的设计掺入量，计算沉管直径，先进行沉管投料施工，再原位扩径搅拌。

②施工步骤

材料制备—沉管成孔—投料—原位扩径搅拌—桩头震动处理(见图2)。其中，沉管成孔投料方法分两种，一种是震动沉管法，与常规的沉管灌注桩一致，管径大小选择依据计算材料体积，先将钢管震动打入，往管内投入固化材料，再将钢管拔出。此法特点是沉管过程有挤土作用，形成超静孔隙水压力[8]，在后续的扩径搅拌过程将部分消散。另一种是螺旋钻取土泵压法，也就是目前常用的CFG桩沉桩方法，长螺旋钻杆钻至一定深度后，通过螺旋钻杆泵送固化材料，以一定速度边泵送边拔螺旋钻杆，再扩径搅拌。此法特点是原位取土，对桩周土扰动较小，不易产生超静水压力[9]。扩径搅拌后，桩头由于自重应力不足容易形成孔隙空洞，须进行震动密实处理。

图2 ASE复合桩施工工艺流程示意图

③技术特点

a.采用双塔多功能打桩机架，调整两个塔架之间的距离以适用不同桩间距要求，两个塔架分别作为孔投料施工和搅拌扩径施工(本次试验采用同等效果简易施工方式)；

b.将搅拌叶片设置成环刀状，环刀凸出方向为搅拌转动方向，从而将混合浆材料推至桩周(见图3)；

图3 搅拌叶片示意图

c.根据配合比实验确定的固化材料掺入量，计算沉管桩径，先制备材料投放，再原位扩径搅拌。

1.4 设备的改进

(1)桩机的改进

参考目前市场上常用的双塔水泥土搅拌桩或钻孔灌注桩施工机械设备，研发专用于ASE复合桩的成套施工设备(见图4)，具备边沉管投料边搅拌成桩的特点，尤其是对常规的搅拌刀具叶片进行优化改装，在确保桩体不同深度材料投放有效控制的同时，大大改善搅拌的均匀性，实现施工质量可控。

图4 施工设备及工艺设计示意图

依托工程项目，通过试打桩试验不断调整浆液塌落度、搅拌和提升速度、搅拌遍数等参数，在此基础上形成一套高效、实用的施工工法。

(2)投料管桩靴改进

投料管桩靴采用6瓣式可活动桩靴，由6个叶片组成，进行沉管时，叶片密闭合拢，呈圆锥状，使土体不会进入钢管中；提管时，由于管内材料和叶片自身的重力作用，使得叶片自动打开，叶片与地面呈垂直角度，材料顺利进入土中(见图5)。

图5 桩靴示意图

2 现场试验

试验场地位于厦门市翔安区滨海东大道，该地区采用填海造陆形成陆域，场地地基极其软弱。现场开展了1个试验区(面积约为20 m×15 m)，图6为试验场地。

图6 场地概况

2.1 试验方案

为了实现场地的整体加固效果，将水泥土搅拌桩与CFG桩的施工工法相结合：搅拌桩整体桩径扩大(试验桩径为80 cm)，并掺入水泥、海砂、矿粉、石灰、MK作为外掺剂来提高复合桩的整体强度。

试验步骤为：

①利用振动锤在场地指定位置进行沉管；

②人工将拌和材料投入管中，待管满后提管；

③重复上述①、②步骤，同一根桩进行三次沉管；

④利用桩机对沉管位置的土体进行双向搅拌(桩径为800 mm)。

2.2 试验设计

根据室内试验、工程造价以及路面路用性能等因素确定了该复合搅拌桩的三组配合比参数，三种桩型的配合比见表1，试验点位见图7。

表1 三组复合桩的配合比

图7 试验场地桩位布置示意图

由于条件限制，现场试桩时，采用人工进行材料的拌和投料，以及两台搅拌桩机，其中一台改造用于沉管投料，另一台用于搅拌(见图6)。施工时一台桩机完成沉管投料后立即移位，另一台桩机开始搅拌施工。

3 试验检测

为了明确新型ASE复合桩的强度以及含砂率，对试桩进行钻孔取芯及标贯试验，芯样带回进行室内试验，表2 为取芯与标贯对应的桩号。

表2 取芯与标贯桩位表

3.1 钻孔取芯

根据复合桩的龄期、搅拌方式以及现场实际概况，确定了取芯的桩样编号：A4、B4、B9、C2，共4根，取芯长度为8.5 m，图8为三根复合桩的芯样。

图8 复合桩芯样

在上述的芯样中，B4的取芯率是比较完整的；而B9几乎只有在8 m下的持力层处才取出了一点芯样(中间部分全部为淤泥状，无完整芯样)；C2的取芯率也不如B4好，推测可能是由于龄期太短，没有达到该有的强度，故部分芯样没取出来；A4由于水泥掺量较低，较为软弱，芯样呈流塑状，取不到芯样。

3.2 现场标贯

每2 m为一组，上面1 m进行取芯，下面1 m进行标贯试验，试验线将钻具钻至试验土层标高以下15 cm处后，记录3次打入30 cm的锤击数[10]。

3.3 试验结果

(1)参考《工程地质手册》(第五版)，Terzaghi提出的标贯击数与地基承载力的对应关系为

fk=12N

式中：fk为地基承载力，kPa；N为标准贯入试验击数。

(2)《港口岩土工程勘察规范》(JTS 133—1—2010)提出标贯击数与无侧限抗压强度的对应关系见表3，其中qu为无侧限抗压强度，kPa。

表3 标贯击数与无侧限抗压强度的对应关系

针对数据较完整的B4、B10、C2三根桩，数据如表4、图9所示。

图9 三组桩标贯击数对比示意图

表4 B4、B10、C2芯样数据

根据以上数据可以分析出：

(1)投料中的砂主要集中在桩身的中间部位(2～6 m)，在2～3 m的含砂量较多，上部和下部的含砂率较低，由此推论投入的砂在扩径搅拌过程中集中跑到了桩身中部，分析认为固化粗料粒径较大，在扩径搅拌提升过程中与叶片的黏聚力大，可能部分固化粗料会重新被提升至桩身上部。双向扩径搅拌明显好于单向扩径搅拌。

(2)由强度数据可知，C桩的强度最大，而C桩的固化细料掺量高于A桩及B桩，分析认为强度的主要影响因素在于固化细料。双向搅拌桩的强度也大于单向搅拌的强度，说明双向扩径搅拌的效果更为均匀。

(3)单向扩径搅拌的B桩强度已可达到了浅层地基处理所需要的承载力，故可以根据该桩的配合比进一步优化，建议可降低水泥的掺量，提高砂的含量进行双向搅拌处理，或保持水泥掺量不变，提高砂的含量进行单向搅拌处理。

4 结论

(1)针对吹填淤泥的超软土工程性质，提出了ASE桩的概念，即沉管投入复合材料再原位扩径搅拌的施工技术，并进行了现场试验。

(2)根据现场简易试验数据，ASE桩的复合材料配比对成桩质量影响较大，即固化细料与骨架粗料的配合比较理想时，可形成较为理想的桩体。成桩质量主要受固化细料影响，骨架粗料的效果发挥需要依赖一定配合比基础的固化细料。

(3)根据现场简易试验，先沉管投料再扩径搅拌的工艺是可行的，建议研发专用的双塔型施工设备，一边沉管投料，一边扩径搅拌，流水施工，确保工效。环刀型叶片能够实现扩径的效果，且双向扩径搅拌的效果要好于单向扩径搅拌的效果。

ASE桩的设计计算方法及理论还需做进一步研究，可参考CFG桩与搅拌桩的相关理论开展工作。在工地现场进行了初步的概念性试验，试验得到的数据较少，尚不能充分验证ASE桩的可行性及技术机理，但可为地基处理技术的发展提供新的思路。