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深层搅拌桩加固软土地基施工技术

摘要 介绍在黄河冲洪积平原区采用深层搅拌桩加固软土地基的施工方法，并详细阐述了该方法的加固机理，施工工艺及质量检测、控制措施。

关键词 搅拌桩 软土 地基加固 施工

1、概述
1.1 工程概况
北京至珠海国道主干线新乡至郑州段高速公路第九合同段起讫桩号K55+700~K61+500，全长5.8公里，沿线分布着广泛的稻田区，上部浅层地基土皆为第四系全新统黄河冲、洪积层及新近沉积土，以低液限粘土为主，呈互层状结构，工程性质较差，地基土容许承载力在90~110Kpa范围内。
1.2 主要工程地质问题
1.2.1 地基土液化
该段地震基本烈度为VII度，浅层地下水位埋深0.90~2.3m，地基土多为饱和粉细砂及中细砂，易液化。
1.2.2 软弱地基土
路线经过区位于黄河冲洪积平原区，上部土层以低液限粘土、低液限粉土及粉细砂为主，粘性土一般为软塑-流塑状，粉细砂为松散中密状，局部夹灰色、灰黑色淤泥质土，含有机质；其含水量高，强度低、压缩性高，为软弱土，易使路基产生过大变形及沉降。软弱土层厚度在3.0~16.0m之间。
1.3 处治设计方案
针对管段内工程地质条件，液化土层和软弱土层都较厚、较深，地下水位较浅，路基填土高度等具体情况，对于软土深厚的高填方路段或施工期间不稳定地段及桥（涵）头过渡段均采用深层搅拌桩进行处治，全线深层搅拌桩总计46800余根，41万余延米。
2、加固机理
粉体喷射搅拌法是利用水泥、石灰等粉体材料作固化剂，通过特殊的搅拌钻机，定时定量地从钻头的喷嘴喷出，就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥柱体而组成复合地基。粉喷法在软土中能吸收较多的水分，特别适用于含水量高的淤泥质土、粘性土、粉土等，故该段采用粉喷法施工。
3、施工方案
3.1 施工机具
根据加固深度及现场的地质情况，选择使用DH-5A型粉喷桩机，钻头直径500mm，能完成12m桩长的机架，单轴并具有正向钻进反转提升的功能，提升力大，并能实现匀速变速提升和钻进。
该机包括钻机、装配有粉料计量电子装置的粉体发送器，空气压缩机、钻头等。
3.2 固化材料控制
固化剂材料为32.5级普通硅酸盐水泥，严禁使用过期、受潮、结块、变质的劣质水泥，对非免检厂生产的水泥，应分批提供有关标号、安定性等试验报告。
桩体水泥用量不小于50kg/m。
3.3 设计标准
桩径不得小于50cm，桩长不小于设计，不得出现断桩，缩径。
搅拌桩桩身强度检测在距桩中心1/4孔径处钻孔取样，进行标准贯入试验，钻孔直径不小于108mm，制成的50mm边长的立方试块，90天龄期无侧限抗压强度不低于1600Kpa。
4、施工工艺
4.1 工艺试桩
不同地区具有不同的地质条件，为了克服盲目性，确保搅拌桩加固地基达到预期效果，在工程桩施工前必须进行工艺性试桩，以掌握该场地的成桩经验及各种操作技术参数。
4.1.1 满足设计喷入量的各种技术参数
确定钻进速度为1.27m/min，提升速度为0.50m/min，搅拌速度为0.68m/min，喷气压力0.2~0.4MPa等。
4.1.2 确定搅拌的均匀性。
4.1.3 根据地层、地质情况确定复搅长度。
本段地基土天然含水量大于液限值，桩间土承载力很低，为提高复合地基承载力，确定采用全桩长重复搅拌。
 4.2 工艺流程
搅拌桩施工工艺流程见下图。

搅拌桩施工工艺流程图

放线定位
钻孔对位
钻 进
设计加固深度
成 桩
设计桩顶
复 搅
移 位
放线定位
钻孔对位
喷粉搅拌提升
停止喷粉

4.2.1 平整场地
水田地段，清除地表30cm厚种植土，碾压三遍后填筑细粒土，其顶面作成三角形，其宽度不小于设计宽度；旱田地表，清除地表植物根系，碾压三遍后填筑细粒土，其顶面作出三角形（同前）。
4.2.2 放样定位
桩径500mm，桩距1.4m或1.6m，正方形进行布置，用全站仪采用极坐标法定出左、中、右控制桩，然后用钢尺按设计桩距定出各桩中心，中心点位偏差不大于10mm。
4.2.3 钻孔对位
移动钻机，准确对孔，对孔误差不得大于50mm，利用支腿油缸调平钻机，钻机主轴垂直度误差应不大于1%。
4.2.4 钻进
启动主电动机，根据施工要求，以I、II、III档逐级加速的顺序，正转预搅下沉。钻至接近设计深度时，应用低速慢钻，钻机应原位钻动1-2min，为保持钻杆中间的送风通道的干燥，从预搅下沉开始直到喷粉为止，应在钻杆内连续输送压缩空气。
4.2.5 提升喷粉搅拌
在确认加固料已喷至孔底时，按0.5m/min的速度反转提升，当提升到设计停灰标高后，应慢速原地搅拌1-2min。
4.2.6 重复搅拌
为保证粉体搅拌均匀，须再次将搅拌头下沉到设计深度。提升搅拌时，其速度控制在0.6～0.8m/min之间。
4.2.7 停钻
为防止空气污染，在提升喷灰距地面0.5m时，应减压，距地面0.2m时应停止喷粉。在施工中，孔口应设喷灰防护装置。
4.2.8 移位
钻具提升至地面后，钻机移位对孔，按上述步骤进行下一根桩的施工。
4.2.9 表层处治
桩施工完毕后，平整场地，表面压实至规定的压实度，并清理表面硬凸出物，铺设土工格栅，铺设时应拉直平顺，紧贴下承层，土工格栅强度最大方向应与路线方向垂直，在路堤每边各预留足够的锚固长度；然后上铺30cm厚碎石垫层，碎石摊铺采用轻型推土机或前置式装载机，对于摊铺不到的边角部分，人工配合平整，用轻型压路机分层压实；碎石垫层摊铺平整、碾压密实并经检验合格后，上铺一层土工布，其施工方法与土工格栅相同，接缝搭接采用移动式缝合机对面缝缝接，接缝宽度不小于30cm。
所用土工格栅为抗老化玻璃纤维土工格栅，外涂PVC，设计抗拉强度大于30KN/m，对应的应变小于6%；碎石采用粒径为2-5cm级配的未风化碎石，含泥量小于5%；土工布采用经纬同强的编织型土工布，抗拉强度大于30KN/m，对应的应变小于10%，CBR顶破强度大于4500N。
5、质量控制措施
5.1 搅拌桩施工应根据成桩试验确定的技术参数进行；操作人员应随时记录压力、喷粉量、钻进速度、提升速度等有关参数的变化。
5.2 应控制钻机下钻深度，喷粉高程及停灰面，不得中断喷粉，确保桩体长度；严禁在尚未喷粉的情况下，进行钻杆提升作业。
5.3 必须要有有效的电脑自动记录仪，正确记录各种参数并自动打印输出：桩长、日期、始打和结束时间、设计桩长、实际桩深、每延米的粉喷量及累计数量、搅拌深度等，确保搅拌桩的质量。
5.4 施工中，发现喷粉量不足，应整桩复打，复打的喷粉量应不小于设计用量。如遇停电、机械故障等原因，喷粉中断时，必须复打，复打重叠长度不得小于1m。
5.5 定时检查搅拌桩的成桩直径及搅拌均匀程度，对使用的钻头定期复核检查，其直径磨耗不得大于10mm。
5.6 储灰罐容量应不小于一根桩的用灰量加50kg；当储量不足时，不得对下一根桩施工。
6、施工质量检验
本工程主要解决的问题是消除地基土的液化，提高软弱土地基承载力，减少路堤变形沉降，针对本地区土性以及地基处治方法，决定采用静载荷试验、标准贯入试验、面波和钻探取样相结合的综合检测方案。检测时间为施工完28天。
6.1 桩身质量检测
采用钻探取芯和标贯试验判断桩身质量，检查频率为总桩数的1%；分上段和下段，上段（约5.0m长）为胶结段，以取芯和无侧限抗压强度为准，桩身强度检测在距桩中心1/4孔径处钻孔取样，钻孔直径不小于108mm，制成的50mm边长的立方试块90天龄期无侧限抗压强度不低于1600Kpa，根据试桩成果，28天强度按90天强度的75%折算。下段以标准贯入试验锤击数为准，标准贯入试验是利用一定的锤击动能（锤重63.5±0.5kg，落距76±2cm），将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔，根据打入的贯入阻抗来判别。钻孔至规定位置，清孔后，予贯15cm，每10cm记一阵击，记录累计30cm的锤击数N；当击数已达50击而贯入深度未达到10cm时，记录实际贯入深度终止试验。
整根桩以钻探取芯和标准贯入试验进行综合评价。
6.2 瑞利波检测
瑞利波检测仪器选用E2404型综合工程检测仪，震源选用63.5kg大锤重锤锤击激发，4.5Hz低频检波器接收信号，以评价地基处治的均匀性，判断地基土的液化特性；按网格状布置测线，横向间距50m，纵向2条间距40m平行测线。
6.3 静载荷试验
试验采用慢速维持荷载法进行，试验加荷等级分为8-12个等级，总加荷量不应少于设计要求值的2倍，每施加一级荷载，在加载前后应各测读承压板沉降一次，以后每隔半小时测读一次，当一小时内沉降增量小于0.1mm时即可施加下一级荷载。采用静载荷试验主要检测单桩、柱间土、复合地基承载力。载荷试验是最直接、最科学的评定地基土承载力的方法。
7、几点体会
7.1 目前影响搅拌桩质量问题的关键是粉体的计量。虽然目前有多种计量方法，如电子秤、气固二相流量仪等，但这些方法还存在一些缺点，需要进一步研究解决。
7.2 由于地质条件千变万化，软土基底不可能象“镜面”一般平整，设计中不可能把每根桩处的地质情况都详尽地勘察出来，搅拌桩实际施工桩长应由以下两个方面进行控制：一是根据施工图设计文件中地质勘察孔或施工过程中的补斟孔，所勘察的深度；二是根据钻机在钻进时电流的变化情况，一般情况下，当钻机以II档，即0.8m/min钻进过程中，钻机电流表电流值达到75A以上时即可认为达到了持力层。
7.3 复搅长度，根据试桩成果，复搅桩体水泥土的无侧限抗压强度比未复搅拌桩体水泥土的无侧限抗压强度大2～3倍以上，可见复搅对提高水泥土均匀性，提高桩体强度是必不可少的，本段属高含水量地区，桩间土承载力很低，为了提高复合地基承载力，达到设计要求，故采用全桩长复搅。
7.4 地基土的含水量对搅拌桩质量的影响。搅拌桩质量的优劣主要反映在桩的强度指标上，这不仅与掺入粉体的质量有关，而且与施工工艺、地基土的性质也有关，特别是地基土的含水量。规范规定，地基土的天然含水量小于30%及大于70%时不宜采用。若土的含水量小于30%，土中的水分不足以使粉体进行水化作用，但当含水量大于70%时，若按常规掺入粉体数量，由于水分过多，水泥土桩体强度不够，在这种情况下，必须增加粉体的掺入量和采用全桩长复搅的施工工艺。