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水泥深层搅拌法在船闸软基加固中的应用
一、 工程概况
杭甬运河杭州段新坝船闸工程位于杭州市萧山区义桥镇南K31+681～K33+546处，船闸主体工程由宁波交通工程建设集团承建，主要工程量包括500T级船闸、上下游翼墙和闸首公路桥一座。船闸包括上下闸首、闸室和上下翼墙三部分，其中闸首采用钢筋混凝土空箱式结构，平面尺寸16.0m×22.1m，闸室采用钢筋混凝土扶壁式结构，平面尺寸12.0m×200m，分14个结构段。
根据地质钻探资料显示，船闸区域包括上、下游引航道的深度范围内的地层分为五大层24个工程地质层，上闸首基底层为Ⅲ2或Ⅲ3层可塑状态的粉质粘土（容许承载力为130～180kPa）。下闸首、闸室基底土层为Ⅱ4或Ⅱ5层流塑淤质粉制质粘土（容许际载力50～75kPa）和Ⅲ1或Ⅲ2层可塑粉质粘土（容许承载力为100～180kPa）。按照设计要求，闸首、闸室和翼墙基础均采用8字形水泥搅拌桩，直径为φ70cm，中心距离51.4cm，桩身设计强度有800Kpa、900 Kpa、 1200 Kpa三种。
二、 水泥搅拌桩加固机理
1、 水泥的水解和水化反应。
普通硅酸盐水泥主要由氧化钙、二氧化钙、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，用水泥加固软土时，上述物质与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙等化合物，生成的化合物能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，这样周围的水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽然继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。其反应如下：
2（3CaO.SiO2）+ 6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca（OH）2
2（2CaO.SiO2）+ 4H2O 3CaO.2SiO2.3H2O + Ca（OH）2
3CaO.Al2O3 + 6H20 3CaO. Al2O3.6H2O
4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 2Ca（OH）2 + 10H2O
3CaO. Al2O3.6H2O + 3CaO. Fe2O3.6H2O
2、 粘土颗粒与水泥化合物的作用
2.1、离子交换和团粒化作用。
粘土和水结合时表现出一种胶体特征，如土中含量最多的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体颗粒，其表面带有钠离子Na+和钾K+离子，他们能和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子Ca+进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土强度提高。
另外，水泥水化生成的凝胶粒子的比表面积约比原来水泥颗粒大1000倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性。能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团的空隙，形成坚固的联结，使水泥土的强度大大提高。
2.2、硬凝反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子Ca+，当其数量超过离子交换的需要量时，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，增大了水泥土的强度。其反应如下：
SiO2 + Ca（OH）2 + nH2O CaO.SiO2.（n+1）H2O
Al2O3 + Ca（OH）2 + nH2O CaO. Al2O3.（n+1）H2O
2.3、碳酸化作用
水泥水化物中游历的氢氧化钙能吸收水中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，其反应如下：
Ca（OH）2 + CO2 CaCO3 + H2O
这种反应也能使水泥土的强度增加，但增长的速度较慢，幅度也较小。
三、 配比试验
在施工场地现取土样，采取实地、相应原则，按地基加固区域和土层深度，用挖掘机挖取原状土，用厚聚乙烯塑料袋密封封袋。根据土质、水泥等级等条件，结合以往的施工经验，拟定3种水泥掺入比进行配合比试验，其中桩身强度800KP。本次试验委托宁波高等专科学校建工试验室实施，试验结果如下：
选用“金首”牌32.5普通硅酸盐水泥
水泥掺量9%时 7天无侧限抗压强度： 1.40 Mpa；
28天无侧限抗压强度： 1.77 Mpa；
水泥掺量11%时 7天无侧限抗压强度： 1.50 Mpa；
28天无侧限抗压强度： 2.13 Mpa；
水泥掺量13%时 7天无侧限抗压强度： 1.67 Mpa；
28天无侧限抗压强度： 2.43 Mpa；
从试验结果看，按照拟定的水泥掺量制成的水泥土强度符合设计要求。一般来说，水泥土以3个月龄期的强度作为标准强度，考虑到工程工期紧张，在28天强度符合设计要求后，就将配合比应用于实际施工中。
为了进一步了解水泥掺入比、水泥标号、龄期等参数对水泥土强度的影响，项目部试验室进行了多组平行试验，试验方法如下：
在施工场地现取土样，用厚聚乙烯塑料袋封袋，运到试验室后按拟定的配合比搅拌均匀，先在试模（边长为70.7mm的立方体）装入一半试料，击振50下，紧接填入其余试料再击50下，最后将试块表面刮平盖上塑料布，以防止水分蒸发。试块成型1~2天拆模，拆模后用天平称重后放入养护室养护。试块达到龄期取出称重后用压力试验机测定无侧限抗压强度。选用“金首”牌32.5和42.5普通硅酸盐水泥。
根据试验结果，在其他条件相同的情况下，得出以下结论：
1、 水泥土的强度随着水泥掺入比的增加而增大；
2、 水泥土的强度随着龄期的增长而提高，过了28天后仍有明显增长；
3、 水泥土的强度随水泥标号得提高而增加；
4、 水泥土的无侧限抗压强度随着土样的含水量的降低而增大；
四、搅拌桩施工
1、施工准备：

（7）、施工中派专人负责制桩记录，对每根桩的水泥用量、成桩过程（下沉、喷浆提升、复搅等时间）、桩的编号等进行详细的记录。
（8）、当预搅下沉时,遇到较硬的土层而使下沉速度过慢，可适量冲水，但必须考虑冲水成桩对桩身强度的影响。
（9）、特别需要注意的是，设计桩长是按照地质钻探资料推算的，而地质钻孔资料只能说明其具有一定的代表性，并不能完全反映土层的真实情况，因此有可能会出现施工桩长比设计桩长长，也可能会出现施工桩长比设计桩长短。在本工程实际施工中，结合操作人员的施工经验，按照以下标准控制施工桩长：钻到一定深度时，继续往下钻钻机开始摇晃，工作电流达到正常工作电流的120%甚至以上，在整个钻进过程中桩机工作电流高居不下，说明桩机处于超负荷工作状态，此时应停止钻进，可以提升喷浆搅拌。后来根据施工结果表明，实际施工桩长与设计桩长基本相符，说明此桩长控制方法具有一定可行性。
四、质量检验
经设计、业主、监理和施工四方商讨决定，采取了三种方法对水泥搅拌桩的施工质量进行检验，即动力触探试验、取芯检验、复合地基承载试验。
1、 动力触探试验。
待水泥搅拌桩达到7d龄期后，采用轻型触探试验，根据贯入30cm的锤击数N10，推算容许承载力（R）Kpa，检验桩身强度。根据以往施工经验，7d的水泥土桩身强度一般可达到设计强度70%左右。当每贯入30cm的击数大于30击时停止贯入，继续贯入则桩头可能发生开裂或损坏，影响桩头质量，由于轻型触探试验打入的深度有限，一般只在7d龄期左右进行。
2、 取芯检验。
待水泥搅拌桩达到28d龄期后，由监理工程师选定一定数量的水泥搅拌桩，用钻机钻取水泥搅拌桩桩芯，用直径108mm的钻管取芯，送到试验室制成试块，进行无侧限抗压强度试验，检测桩身强度是否符合设计要求。
本工程所有选取的水泥搅拌桩的桩身强度均满足设计要求，通过对芯样的观察，芯样搅拌均匀，含灰量一般，固结较好，呈长柱状。
用钻孔取芯的方法，能够真实反应水泥搅拌桩强度，而且比较直观地检验搅拌桩的均匀性以及桩身的连续性，在实际水泥搅拌桩桩身强度检测中应用较广。
3、 复合地基承载试验。
根据设计、业主、监理和施工四方商讨决定，由监理工程师在下闸首、闸室各随即选取一组桩，每组2根桩，进行两根桩的复合地基承载力。
试验参照JG79-2002《建筑地基处理技术规范》，采用慢速维持荷载的方法，使用平台结构反力架，用堆载的方法（本工程选用沙包堆载），分级加载试验。本工程复合地基试验委托浙江省公路技校检测实验室实施。承压板采用2550mm×1514mm×40mm的钢板，安装时使承压板中心与桩的轴心相吻合，并在承压板两侧对称安装最大量程为50mm、最小读数为1/100mm的百分表两只，用以侧读复合地基的沉降量。
根据JG79-2002《建筑地基处理技术规范》，试验方法如下：
一、 加载等级分为10级。最大加载压力不小于设计要求压力值的2倍；
二、 每加载一级荷载前后均读记承压板沉降量一次，以后半小时记一次。当一小时内沉降量小于0.1mm时，可加下一级荷载；
三、 卸载级数为加载级数的 一半，等量进行，每卸一级，间隔半小时，读记回弹量，等卸完全部荷载后间隔三小时读记总回弹量。
当出现下列现象之一，可终止试验：
1、沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显隆起。
2、承压板的累计沉降量已大于其宽度的6%。
4、 当达不到极限荷载，而最大加载力已大于设计压力值的2倍。
试验结果如下表：
试验
编号
桩基
编号
设计承载力
（KN/M2）
最大试验荷载
Qmax（KN）
最大承载力
（KN/M2）
复合地基承载力特征fspk（mm）
对应Qmax
沉降量
s（mm）
试1
XZ3-5#、6#
140
1100
285
142
6.30
试2
SV3-6#、8#
195
1500
388
194
5.16
在加至最大试验荷载工程中，各级沉降均稳定、连续、无突变，从表中数据可知，复合地基承载力满足设计要求。
施工体会：
1、基坑开挖后经观察，土质与地质资料对照，基本吻合；
2、下闸首地质钻探孔位距离下闸首较远，实际桩长与地质资料确定的桩长对照，桩长基本符合设计要求；
3、闸室第五段施工的部分桩，经对照桩长基本符合设计要求；
4、根据轻型触探检验桩身承载力的试验，施工中所确定的水泥掺量，桩身承载力能够达到设计强度要求。
5、根据施工情况，目前我部搅拌桩的施工工艺是成熟的，质量控制是可靠的。
但尚有如下问题，请设计明确：
1、当桩长较大时（大于7.0m），复搅难度较大，部分桩复搅凭自重无法到底，相差0~2.5m，是否允许；
2、搅拌桩施工后，基坑开挖及浇注垫层、浇注底板及上部结构有无时间限制。