胡在良，張佰戰(zhàn)，董承全，李晉平
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081）
摘要：介紹了大直徑灌注樁缺陷的常見處理方法，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的大直徑鉆孔灌注樁的缺陷樁處理，提出了壓力注漿法和高壓旋噴加樁芯鑿井組合法兩種處理方法，并詳細(xì)介紹了這兩種方法的工藝流程及關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)和控制技術(shù)。通過(guò)嚴(yán)格的技術(shù)控制，壓力注漿法和高壓旋噴加樁芯鑿井組合法在橋梁大直徑鉆孔灌注樁的缺陷處理中，取得良好的應(yīng)用效果，并通過(guò)工程實(shí)例，分析了兩種方法在不同缺陷類型樁的處理適用性，為同類工程提供借鑒。
關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境；大直徑灌注樁；缺陷；加固；案例分析
The defect treatment and case-study of Large-diameter bored Pile
under Complicated Conditions
HU Zai-liang, ZHANG Bai-zhan, DONG Chen-quan, LI Jin-ping
（Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences, BeiJing 100081, China）
Abstract: This paper introduces the common treatment method of large diameter bored defective pile, and put forward two defect treatment methods of large diameter bored pile under complicated condition, pressure grouting method and the combination method of high pressure jet grouting and pile core sinking. At the same time, Technological process and key co
ntrol technology of the two methods are introduced in detail. Under rigorous controls, the pressure grouting method and the combination method of high pressure jet grouting and pile core sinking are successfully applied to large diameter bored defective pile of bridge. Through the project example, The applicability of the two methods in dealing with different types of defects of pile is anslysed, to provide a reference for the similar engineering.
Key words: Complicated condition; Large-diameter bored Pile; defect; reinforcement; case-study
1 前言
近年來(lái)，樁基礎(chǔ)在建筑、交通、港口等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在鐵路橋梁基礎(chǔ)中，普遍采用大直徑灌注樁，在軟土地區(qū)，以大直徑鉆孔灌注樁為主。受地質(zhì)條件、氣候變化、設(shè)備狀態(tài)、材料供應(yīng)和現(xiàn)場(chǎng)管理等諸多因素的影響，樁身混凝土離析、夾泥甚至斷樁的工程事故時(shí)有發(fā)生。
樁基礎(chǔ)的缺陷處理方法較多，當(dāng)?shù)刭|(zhì)及基礎(chǔ)工程周邊情況不復(fù)雜時(shí)，處理方法簡(jiǎn)單，但是對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下，如何科學(xué)、快速、經(jīng)濟(jì)、安全地處理好灌注樁的質(zhì)量缺陷，是工程界的難題。本文結(jié)合工程實(shí)例，介紹了壓力注漿加固法和高壓旋噴加樁芯鑿井組合法兩種事故樁處理方法，為復(fù)雜環(huán)境下的橋梁大直徑灌注樁缺陷樁處理提供借鑒。
2 常見缺陷樁處理方法
?。?）原位復(fù)樁法：基坑回填土平整場(chǎng)地，采用沖擊鉆機(jī)原位沖孔后重新灌注一根新樁，尤其適用于中下部嚴(yán)重缺陷處理，效果好。其缺點(diǎn)是周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，沖孔時(shí)孔位容易偏位。
?。?）補(bǔ)樁法：根據(jù)事故樁的缺陷程度、部位，經(jīng)設(shè)計(jì)檢算后在事故樁的周邊補(bǔ)樁，常用于中下部嚴(yán)重缺陷處理，效果好。其缺點(diǎn)是需要加大承臺(tái)，受周邊空間限制，變更程序復(fù)雜。
?。?）開挖接樁法：開挖并鑿除缺陷及以上混凝土，鑿至新鮮混凝土面，立模澆筑混凝土，適用于淺部缺陷處理，效果好、費(fèi)用低、速度快。缺點(diǎn)是不適合樁深部缺陷處理，受周邊水文及環(huán)境限制。
?。?）樁芯鑿井法：沿樁中心鑿出工作井，清除缺陷后重新灌注至設(shè)計(jì)樁頂，適用于中上部缺陷處理，費(fèi)用低、速度快。缺點(diǎn)是工作面小，不適應(yīng)小直徑樁，受周邊地質(zhì)條件限制。
（5）壓力注漿法：利用鉆芯孔布設(shè)注漿管，高壓水清洗缺陷部位，注漿加固或置換缺陷混凝土，適用于樁身任何部位的缺陷處理，費(fèi)用低、速度快，但是成功率低。
以上為5種方法為工程中常見的橋梁鉆孔灌注樁的缺陷處理方法，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的橋梁大直徑鉆孔灌注樁缺陷處理，受水文地質(zhì)、周邊交通、荷載、基坑支護(hù)狀況、平面空間和施工工期等因素的影響，不宜簡(jiǎn)單套用。
3 壓力注漿加固
3.1 處理工藝
壓漿法處理程序：設(shè)計(jì)（或設(shè)計(jì)加固方案）、鉆孔、壓水試驗(yàn)（清洗泥渣）、壓力注漿、檢測(cè)。注漿系統(tǒng)由儲(chǔ)漿筒、壓漿泵、壓力表、壓漿筒和單向閥組成，見圖1。
圖1 基樁壓力注漿示意圖
Fig.1 Pressure grouting schematic diagram of pile
3.2關(guān)鍵環(huán)節(jié)
對(duì)壓漿各環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格管理控制，是壓漿加固處理缺陷樁成功與否的關(guān)鍵。壓力注漿加固樁身缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
（1）注漿孔與注漿管布置：在樁頂鋼筋籠內(nèi)側(cè)，鉆4個(gè)直徑10cm的注漿孔，孔穿過(guò)質(zhì)量缺陷處約50cm左右，注漿孔豎向和平面布置如圖2，對(duì)于局部缺陷，注漿孔可根據(jù)具體缺陷部位布置。注漿管采用下端連接一根100cm長(zhǎng)的鋼管，鋼管出水口封堵，下部10cm左右的范圍四周鉆5mm的小孔，將鋼管端部降到質(zhì)量缺陷處。
圖2 注漿孔及注漿管布置
Fig.2 Layout of grouting holes and grouting pipe
?。?）壓水試驗(yàn)：采用高壓水沖洗缺陷部位泥砂或雜質(zhì)，旋噴切割樁底沉渣，再利用氣舉反循環(huán)排渣，清至孔口返清水無(wú)渣為止，將質(zhì)量缺陷處破碎的混凝土和泥砂沖出，并確定注漿壓力把細(xì)粒沉渣推至注漿范圍之外，對(duì)于缺陷嚴(yán)重的孔可采用二氧化碳結(jié)合水沖洗方法沖洗，將雜質(zhì)帶出，然后再用高壓水將孔沖洗，直至沒有雜質(zhì)溢出孔面。
?。?）漿液配合比：漿液可采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制，水灰比控制在0.5~0.7之間，具體配比可根據(jù)缺陷特征、地層的滲透及地下水情況進(jìn)行調(diào)整。漿液以稠漿、可灌性好為宜，同時(shí)可摻適量膨潤(rùn)土及外加劑以改善漿液性能，提高注漿效率。
（4）注漿壓力：將水泥漿從注漿管注入，待出漿管將注漿孔中的清水全部排出，有水泥漿溢出的時(shí)候，將出漿管的閥門關(guān)閉，使注漿孔中形成一個(gè)密閉空間開始?jí)簼{，壓力表讀數(shù)達(dá)到3.5~4MPa，持荷3min，一個(gè)注漿孔的注漿完成，將其他三個(gè)孔全部用此法進(jìn)行壓漿，壓漿環(huán)節(jié)完成。
3.3典型案例
某特大橋，地處平原軟土地區(qū)，至上而下的地質(zhì)分布依次為人工填土、軟塑粉質(zhì)黏土、流塑淤泥質(zhì)黏土、軟（硬）塑粉質(zhì)黏土、粘土、細(xì)砂、礫砂、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r。采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)樁徑1.0~1.5m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12~77.5m，樁長(zhǎng)小于40m采用低應(yīng)變法檢測(cè)，樁長(zhǎng)大于等于40m采用聲波法檢測(cè)。部分基樁上部為淤泥質(zhì)軟黏土，下部為堅(jiān)硬巖石，施工難度大。
經(jīng)檢測(cè)，29-7、96-4、67-5、16-1樁身存在缺陷。其中，29-7#樁長(zhǎng)67.5m、樁徑1.0m，采用聲波法檢測(cè)，9.25~9.75m段局部缺陷；96-4樁長(zhǎng)54m、樁徑1.0m，采用聲波法檢測(cè)，20~21.5m段為層狀缺陷；67-5#樁長(zhǎng)37.5m、樁徑1.5m，采用低應(yīng)變法檢測(cè)，樁頂以下5.5m左右存在明顯缺陷反射；16-1樁長(zhǎng)28.5m、樁徑1.25m，采用低應(yīng)變法檢測(cè)，樁頂以下5m左右明顯缺陷反射。經(jīng)鉆芯驗(yàn)證，29-7、67-5、16-1為局部夾泥或離析缺陷，96-4為斷樁缺陷。
上述4根樁中，16-1、67-5為中上部缺陷，但因周邊環(huán)境限制，不具備直接開挖接樁的條件。其中67-5所處承臺(tái)位于河道中，通航水位標(biāo)高4.12m、樁頂標(biāo)高-1.572m，且承臺(tái)一側(cè)緊臨施工棧橋，基坑深8m，采用拉森鋼板樁雙層鋼圍檁支護(hù)；16-1所處承臺(tái)基坑深度4.5m，采用雙排鋼板樁支護(hù)，承臺(tái)一側(cè)臨稻田，一側(cè)臨預(yù)制梁廠，地下水很豐富?；谏鲜錾鲜鰲l件，若采用直接開挖接樁，工程風(fēng)險(xiǎn)大，且水位高，成功率低，故嘗試?yán)勉@芯孔進(jìn)行壓力注漿法加固處理。
16-1、67-5注漿完成并達(dá)到檢測(cè)齡期要求后，采用原檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)檢，缺陷反射信號(hào)消除，注漿效果明顯。借鑒這兩根樁的處理經(jīng)驗(yàn)，采用相同工藝對(duì)29-7、96-4進(jìn)行了注漿加固。四根樁的注漿加固效果見表1及圖3~圖5。
表1 某特大橋缺陷樁壓力注漿加固效果
Table 1 The pressure grouting effect of defect piles
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樁號(hào)
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注漿加固前后檢測(cè)對(duì)比
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加固
效果
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注漿前
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注漿后
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29-7
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缺陷處聲速2496m/s、波幅88.93dB、PSD:282us2/cm
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缺陷處聲速3750m/s、波幅94.08dB、PSD:23us2/cm
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顯著
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96-4
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20~21.5m段3個(gè)剖面波形均嚴(yán)重畸變、局部無(wú)波形
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聲學(xué)參數(shù)無(wú)明顯改善
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不明顯
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67-5
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5.5m處明顯同向反射
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5.5m處缺陷信號(hào)消失。
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顯著
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16-1
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5m處明顯同向反射
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5m處缺陷信號(hào)消失。
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顯著
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(A) 注漿前
(B) 注漿后
圖3 29-7#樁注漿前后測(cè)試曲線
Fig.3 The test curves before and after grouting of 29-7#
(A) 注漿前
(B) 注漿后
圖4 67-5#樁注漿前后測(cè)試曲線
Fig.4 The test curves before and after grouting of 67-5#
(A) 注漿前
(B) 注漿后
圖5 16-1#樁注漿前后測(cè)試曲線
Fig.5 The test curves before and after grouting of 16-1#
3.4分析探討
與樁周土體注漿或巖溶注漿相比，樁身混凝土缺陷壓力注漿加固處理難度大，成功率低。表1進(jìn)行的壓力注漿試驗(yàn)是在前期充分制定方案、嚴(yán)格控制注漿各環(huán)節(jié)的情況下完成的。在近年來(lái)對(duì)多個(gè)工程的缺陷注漿加固樁進(jìn)行檢測(cè)，多因工藝和環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)而注漿效果不明顯?？梢?，對(duì)于淺部缺陷，采用壓力注漿加固缺陷樁，在保證注漿設(shè)備、工藝、技術(shù)的前提下是可行的。
對(duì)于96-4#這樣具有層狀斷樁缺陷，處理效果不理想，分析其原因，該樁存在1.5m范圍的斷層，4個(gè)壓漿孔在缺陷處相互連通，且與樁周巖土介質(zhì)相通，在缺陷處理過(guò)程中無(wú)法形成密閉空間，導(dǎo)致注漿處理失敗。另外，該樁為嚴(yán)重層狀缺陷，沖洗出的泥砂為樁身夾泥及大量樁周土，缺陷部位雜質(zhì)無(wú)法沖洗干凈，導(dǎo)致注漿漿液在新舊混凝土界面無(wú)法形成有效的膠結(jié)作用。因此，壓力注漿法處理斷樁等嚴(yán)重缺陷，處理效果不理想，一般情況下不建議采用。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下或超長(zhǎng)樁的中下部缺陷若采用注漿法加固，宜先對(duì)缺陷部位樁周土進(jìn)行加固，形成帷幕再進(jìn)行壓力注漿法加固。
4 高壓旋噴加樁芯鑿井組合法
4.1 處理工藝
利用高壓旋噴技術(shù)，在樁周形成隔水帷幕及樁周土體加固，再在樁中心范圍鑿出直徑80~120cm的工作井，鑿至缺陷部位以下50cm，鑿除樁身缺陷后重新分層澆筑混凝土，人工采用插入式振搗棒振搗密實(shí)，澆筑至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高的方法進(jìn)行處理，加固圖見圖6。
圖6 高壓旋噴加固及樁身缺陷鑿除
Fig.6 high pressure jet grouting reinforcement and defect chisel
4.2關(guān)鍵環(huán)節(jié)
（1）高壓旋噴法加固樁周土：旋噴樁直徑50cm、中心距35cm，中心距灌注樁樁邊30cm，圍繞樁周等距離布置，相鄰高壓旋噴樁咬合密貼，形成整體帷幕。旋噴樁垂直度控制在5‰以內(nèi)，加固范圍為缺陷頂部以上3m至缺陷底部以下3m范圍。采用42.5級(jí)硅酸鹽水泥，旋噴樁樁身強(qiáng)度大于5Mpa。
?。?）缺陷鑿除：采用樁芯鑿井法在樁中心鑿出工作井，并鑿除樁身缺陷，清理干凈后重新灌注混凝土。為減少鑿工作井對(duì)側(cè)壁混凝土的擾動(dòng)和破損、增加人工鑿除效率，采用鉆頭直徑15cm的鉆芯機(jī)沿工作井周長(zhǎng)鉆取60cm深的環(huán)形通道，再用風(fēng)鎬鑿除中間混凝土，深度每60cm一個(gè)循環(huán)，直至鑿至缺陷底面以下50cm位置。人工每鑿除1m從孔口十字控制中心吊垂線檢查垂直度，以防挖偏。人工鑿除深度距缺陷位置2-3m時(shí)，在樁身周圍設(shè)置4個(gè)內(nèi)徑30cm的沙管井，采用井點(diǎn)降水的方法降低地下水位，地下水位降低至缺陷位置以下2m，保證工人能夠安全的在孔底進(jìn)行清理工作。
（3）混凝土澆筑：缺陷清理完成后，清除孔底雜物和積水，采用C50微膨脹混凝土澆筑至樁頂，每澆筑50cm采用插入式振搗棒振搗密實(shí)。達(dá)到檢測(cè)齡期要求后，再次用原檢測(cè)方法復(fù)檢。
4.3典型案例
某特大橋，地處平原軟土地區(qū)，采用大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。其中，352#為跨國(guó)道連續(xù)梁主墩，設(shè)計(jì)樁徑2.0m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)分別為91.5m，該連續(xù)梁為該特大橋的控制工點(diǎn)，基樁采用反循環(huán)水下灌注方式澆筑。地質(zhì)情況至上而下依次為粉土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂。
352-5#沿樁身通長(zhǎng)埋設(shè)3根聲測(cè)管，基樁滿足測(cè)試齡期要求后，采用聲波法檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，352-5#在樁頂以下17~18.5m范圍三個(gè)剖面的聲學(xué)參數(shù)嚴(yán)重衰減，17~18m范圍無(wú)法測(cè)到測(cè)試波形信號(hào)，初步判定為層狀缺陷，疑似施工斷樁，聲波檢測(cè)結(jié)果見圖7。經(jīng)鉆芯驗(yàn)證表明，該樁中心部位混凝土芯樣良好，四周混凝土夾泥，屬于嚴(yán)重縮頸，且在缺陷處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，中心直徑1m范圍混凝土良好，缺陷截面占樁截面的75%。根據(jù)聲波和鉆芯結(jié)果，施工單位決定進(jìn)行缺陷處理。
圖7 352-5#聲學(xué)參數(shù)曲線
Fig.7 Acoustic parameter curve of 352-5#
該缺陷位于樁身17~18.5m處，且該承臺(tái)緊臨國(guó)道，空間受限，不具備補(bǔ)樁的條件，國(guó)道車流量大，貨車較多，且缺陷位置較深，不具備直接開挖接樁的條件。該樁樁長(zhǎng)91.5m，缺陷位于樁身中上部，如果采用原位沖樁，容易出現(xiàn)偏位，其風(fēng)險(xiǎn)也很大，優(yōu)先考慮壓力注漿法加固。注漿后采用聲波法復(fù)檢，效果不明顯。為確保工程質(zhì)量，結(jié)合鉆芯及注漿時(shí)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，制定缺陷周圍做隔水帷幕加樁芯鑿井法加固方案，旋噴樁施工參數(shù)見表2。
表2 旋噴樁施工參數(shù)
Table 2 The construction parameters of jet grouting pile
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指標(biāo)
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成樁直徑(cm)
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泵壓
(Mpa)
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鉆頭提升速度(cm/min)
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轉(zhuǎn)速(r/min)
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水泥漿流量(L/min)
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水灰比
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參數(shù)
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50
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28~30
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10~15
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15~20
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70~100
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0.8:1
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鑿除樁身缺陷處理過(guò)程中，未見有滲水現(xiàn)象，采用高壓旋噴隔水和支護(hù)效果較好，為缺陷處理提供了保障。新澆筑的混凝土達(dá)到檢測(cè)齡期后，采用聲波法復(fù)檢，未見有聲學(xué)參數(shù)異常，可見缺陷處理徹底，工作井中混凝土與未鑿除混凝土結(jié)合緊密，該方法在本案例中取得了良好的應(yīng)用效果。
4.4分析探討
該方法在本案例中的實(shí)施，是基于原位沖樁對(duì)超長(zhǎng)樁沖樁偏位的顧慮以及設(shè)計(jì)補(bǔ)樁沒有補(bǔ)樁空間的情況下制定的本方案。實(shí)踐證明，對(duì)于大直徑樁身中上部缺陷，采用本方案是可行的，但是在類似工程仍用做好安全措施，尤其對(duì)于高壓旋噴法加固樁周土，必須控制好施工質(zhì)量。
5 結(jié)論與建議
本文列舉了大直徑灌注樁缺陷的常見處理方法，并重點(diǎn)分析了壓力注漿加固和高壓旋噴加樁芯鑿井組合法的控制要點(diǎn)，并結(jié)合典型案例做了分析探討，以期對(duì)類似工程具有借鑒作用。
?。?）采用壓力注漿加固時(shí)，嚴(yán)格控制注漿施工的各個(gè)環(huán)節(jié)是壓漿成敗的關(guān)鍵，且對(duì)于淺部缺陷，在保證施工工藝的前提下，采用壓力注漿法進(jìn)行缺陷處理在方法上是可行的。
?。?）對(duì)于斷樁缺陷，采用壓力注漿法處理效果不明顯。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下或超長(zhǎng)樁的中下部缺陷若選擇注漿法加固，建議先對(duì)缺陷部位樁周土進(jìn)行加固，形成帷幕后再進(jìn)行缺陷清洗及注漿加固。
?。?）高壓旋噴加樁芯鑿井組合法在本文案例中取得較好的應(yīng)用效果，缺陷處理效果良好，工作井中混凝土與未鑿除混凝土結(jié)合緊密，該方法既保證了工程質(zhì)量，又節(jié)約了施工工期和工程費(fèi)用。
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