水泥土搅拌桩施工工艺研究.doc

水泥土搅拌桩施工工艺的研究王勤振1，沙伟1，靖洁洁2 （1.中交水运规划设计院南京分院，江苏 南京 210002；江苏馥久建设工程有限公司，江苏 徐州 221000；2.海军南海工程设计院，广东 湛江 524000；3.徐州高铁港务投资有限公司，江苏 徐州 221000）摘要: 水泥土搅拌桩广泛地应用于复合地基、挡土墙、软地基加固及基坑止水帷幕中，以其经济有效的方式满足地基沉降和承载力的要求。本文结合徐州港顺堤河码头斗轮机轨道基础水泥土搅拌桩施工实例，介绍了水泥土搅拌桩施工过程控制，针对施工质量问题进行了成因分析，对施工工艺进行了进一步改进；结果显示搅拌桩整体搅拌均匀，成桩质量好，综合评定为优良桩。关键词：水泥土搅拌桩；施工质量；工艺；改进中图分类号：U65 文献标识码：AThe study of Cement-soil mixed piles Construction technologyWANG Qin-zhen1 , SHA Wei1, ZHONG Xiao-shuai2,JING Jie-jie3（1. Nanjing Institute of China Communications Planning and Design Institute for Water Transportation, Nanjing 210002,China; Jiangsu Fujiu Engineering Construction Limited Company, Xuzhou 221000, China; 2.Engineering Design Institute of the South Sea Fleet, Zhanjiang 542000,China; 3. Xuzhou High Speed Rail Port Investment Limited Company, Xuzhou 221000, China） Abstract: Cement-soil mixed piles is widely used in composite foundation, retaining walls, the reinforcement of soft foundation and pit curtain, sealing in its cost-effective way to meet the foundation settlement and bearing capacity requirements. In this paper, for instance of the cement-soil mixed piles of Xuzhou port embankment river pier bucket wheel track basis, author introduced throughout the construction process of the cement-soil mixed piles, analyzed the late quality problem, and construction technology were further improved. The results showed that mixed piles was stired evenly into a pile of good quality, and was comprehensively assessmented the fine pile. Keywords: cement-soil mixed piles; construction quality; technology; improve1 水泥土搅拌桩应用现状与可行性1.1搅拌桩应用现状近20年来，水泥土搅拌桩法以其低廉的价格1、较快的施工速度、灵活的布桩形式和水泥掺入量广泛地应用于房屋建筑、铁路、公路、港口、油罐工程的地基处理中2，常用于复合地基、挡土墙、软地基加固及基坑止水帷幕，节省了巨额的投资。随着搅拌桩工艺的推广使用，搅拌桩施工队伍迅速发展，施工素质参差不齐，在整个施工过程中稍有不慎，就会出现水泥富集成块或桩身不连续等质量问题，从而导致工程事故发生。1.2搅拌桩的可行性在地基的5种主要加固方法（置换法、降水法、致密法、固化法和加筋法）中，灌浆法和搅拌桩法是固化法的代表，经常被使用，且认为是以上加固技术中最为有效的技术方法3。水泥土搅拌桩具有桩土界面好，对软土强度提高大等优点4，能保证软土地基基础在较小沉降时提供足够高的承载力，同时能够充分发挥基础材料的强度，即用经济有效的方法满足设计对沉降和承载力的要求5。徐州港徐州港区顺堤河作业区煤炭码头一期工程设计吞吐能力为1300万t/年。地基处理形式为：斗轮机轨道基础用水泥土搅拌桩复合地基+轨枕道渣结构形式。斗轮机轨道基础采用水泥土搅拌桩复合地基。水泥土搅拌桩桩径50cm，桩长根据软土层分布确定，平均深度取为8m，要穿过3-1流塑状粘土层进入3-2粘土持力层1m以上；采用梅花型布置，间距1m或1.2m（1.2m仅布置于两轨枕间）。该区域地基土主要物理力学指标见表1。表1 地基土主要物理力学指标层号土名压缩系数压缩模量快剪C快剪固快C固快承载力设计值1粘土0.504.06309.03813.01002粘土0.533.87217.52214.290粉土0.1412.891028.61030.21101粘土0.613.53145.92811.0802粘土0.365.243510.94813.1190粉砂2001粘土0.277.134212.06714.92202粘土0.237.765414.57315.82902 搅拌桩施工过程和质量控制水泥土搅拌桩施工桩长为8.3m，按设计要求采用了4喷4搅施工工艺，水泥掺入比为18%，钻进、提升速度为0.91.6m/min，在整个桩长范围内钻进、提升速度相对固定，部分喷浆压力存在1.01.2MPa之间的现象，喷浆速度在成桩期间未作调整。整个施工过程中部分区域水泥土搅拌桩出现“空桩头”现象，见图1。具体表现为大块粘土将叶片包裹，形成圆柱体，换桩时叶片提升至地面后将圆柱体带出，形成“空桩头”，深度为1030cm，部分超过50cm。针对此情况施工方采取一定措施：下钻前先输水，使叶片湿润再进行搅拌，或在钻孔位置的地表加适量的湿砂，以降低土的粘性，且每根桩的成桩时间控制在3537min，但仍没有明显改善这种现象。图1 空桩头3 搅拌桩施工质量检测3.1 质量检测按照规范要求，对施工后的水泥土搅拌桩进行抽样检测，分别进行钻芯取样、无侧限抗压强度分析，总体检测情况如下。（1）检测芯样显示在桩顶标高33.13m以下05m范围内水泥含量较大，基本为水泥石，芯样完整；标高33.13m以下58m范围内水泥含量偏少，芯样不够完整，自西向东第三条搅拌桩基础部分桩体在58m范围基本为素土或芯样松散，自西向东第二条搅拌桩基础在58m范围内水泥搅拌不均，水泥与土部分呈现分离状。钻芯取样见图2。 图2 钻取芯样（2）搅拌桩桩顶标高33.13m以下05m范围芯样无侧限抗压强度为36Mpa，58m范围强度为0.30.4Mpa。检验结果见表2。表2 无侧限抗压强度检验报告试样编号12345678抗压强度（MPa）56d单个试样5.824.536.224.203.040.350.410.33平均值3.11偏差系数0.7942标准差2.47注：该报告为仅列取的一根桩无侧限抗压强度。由无侧限抗压强度检验报告看出，整个桩的无侧限抗压强度偏差系数0.7942大于设计要求的0.35。经钻芯取样分析，目前所施工水泥土搅拌桩主要问题为水泥土搅拌严重不均匀，桩体中存在不同厚度的软弱夹层。3.2 成因分析（1）成桩范围内大部分为粘土，粘性较大，存在粘土沾黏叶片钻杆现象，造成叶片不能有效切割土体，使得浆土不能充分拌合，甚至土壤未能破碎充填水泥浆现象，现场表现为钻取土样中水泥含量很少。（2）喷浆后水泥土搅拌次数不足。包括如下几种原因：成桩过程中钻进、提升速度过快，水泥土搅拌时间短，叶片数量过少，电机功率偏低。（3）喷浆方式不合理。成桩过程泵浆压力较大，同时土壤黏钻提升，形成水泥浆上升通道，水泥浆上冒，造成桩体上部水泥含量大，下部水泥含量少。因此，由于施工机械设备与工艺不合要求，导致工程中成桩质量不合格，确切的说仅上部35m成桩较完整。4 施工工艺改进本项目地基粘土塑性指数较高，针对前述水泥土搅拌桩产生的施工质量问题，在施工设备工艺上做如下改进。4.1 施工设备施工设备采用单轴SP-5水泥土搅拌桩机和WJG-80搅拌机，针对现场地质情况，施工设备做了相应改进。（1）施工搅拌钻头做了针对性的加工，选用齿形四翼钻头，在原有一组叶片下面焊接了4道钻齿。（2）叶片的倾斜度做了适当调整，并留有切割刃口，喷浆口数量适当增加。由于该地层中存在部分粘土层，增加四道纵向钻齿，在钻头下钻的过程中，钻齿先提前与粘土接触，对粘土层进行有效的纵向切割，造成土层破坏，最后在叶片刃口切割作用下，充分搅拌打碎土层。喷浆口数量增加，喷出的水泥浆便于与打碎土层均匀混合。4.2 工艺参数整个施工过程采用六喷六搅施工工艺。具体流程如下：测量轴线钻机就位检验、调整钻机喷水泥浆下钻重复搅拌下钻并喷水泥浆到设计深度反循环提钻至地表成桩结束施工下一根桩。具体的施工工艺参数见表3。表3 工艺参数参数单位数量水泥浆压力MPa0.1-2.0流量L/min80比重g/cm31.55-1.6下沉速度m/min0.7-1.1提升速度m/min1.1-1.3旋转速度r/min30掺入比18%针对以上工艺参数做如下说明：（1）水泥浆的喷浆压力控制区间为（0.12.0）MPa，可调控性高，无压注液以浆液注入孔内为原则。（2）水泥浆比重控制在1.551.6 g/cm3为最佳状态，在实际施工中，浆态黏稠是没法施工的，考虑到桩体下部地下水位较高，可适当提高水泥浆不重，水灰比控制不宜超过0.6。（3）下沉速度为0.71.1m/min，上提速度为1.11.3m/min，但要根据施工的情况来定，当没有浆返时要调整。钻进过程中，出现泥浆漏失，孔口不返浆，应查明原因，采取有效措施，直至孔口返浆再继续钻进。不同性质的土层钻进速度有所区别，对于桩体下部4.38.3m位置处的粘土粉砂层增加两喷两搅，钻进、提升速度控制在1m/min以内。（4）钻头旋转速度为30 r/min，复杂地层采取快搅慢提的方法。（5）水泥的掺入比为18%，在实际施工中要考虑到水泥的损失及粘土中水泥浆的利用率。水泥的损失为2%，粘土中水泥浆的利用率为90%（经验值）。4.3 施工质量检测结果分析搅拌桩的现场水泥土强度与水泥和土搅拌的均匀程度密切相关6。水泥土搅拌桩的强度较低，一般在0.51.5MPa。施工完成7天后可采用浅部开挖桩头（深度宜超过停浆面以下0.5m），目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径；14天后可钻芯取样检查。分别对龄期22天的3根桩及龄期29天的1根桩采用钻芯取样分析、标准贯入试验及水泥土芯样无侧限抗压强度分析，见表4。表4 水泥土芯样无侧限抗压强度试验成果及得分表孔号龄期深度(m)硬度状态得分标贯击数杆长折算击数龄期折算击数得分强度(MPa)折算强度(MPa)得分每层得分上下得分综合得分综合评定1290-1.5坚硬1005050501002.972.9410010095.395.7优1.5-3坚硬1005050501003-4.5硬塑75191717850.750.7410085.84.5-6硬塑7518171610096.296.26-8硬塑751916161001.931.911003220-1.5坚硬1005050501002.842.8410096.289.289.3良1.5-3硬塑751919199582.23-4.5硬塑75171616800.80.81004.5-6硬塑751514149589.389.36-8硬塑75151313900.930.931006220-1.5坚硬1005050501001.861.8610010010095.7优1.5-3坚硬1005050501003-4.5坚硬1005046461000.680.681004.5-6硬塑7518171710091.391.36-8硬塑751715151000.700.70100硬塑751715151000.830.831008220-1.5坚硬1005050501001.951.9510010010095.7优1.5-3坚硬1005050501003-4.5坚硬1005046461002.852.851004.5-6硬塑7550464610091.391.36-8硬塑751815151000.830.83100硬塑751815151002.862.86100总体检测芯样显示：在桩顶标高33.13m以下04.5m范围内水泥含量均匀，为水泥土混合体，芯样完整；标高33.13m以下4.58m范围内水泥含量较均匀，芯样较完整；整体成桩完整；4根桩无侧限抗压强度平均值均不小于1MPa，满足设计要求；综合评定为优良桩。5 结论（1）在粘土、粉土地基处理过程中，水泥土搅拌桩普遍存在成桩搅拌不均匀，芯样不完整等工程质量问题。主要原因为搅拌桩施工工艺不够合理，未针对不同的地质情况，做出相应的工艺参数调整。（2）对于粘土层夹杂粉砂的地质情况，要改进现行的施工工艺，施工设备搅拌桩钻头要进行加工改造。质量检测与施工工艺有效的结合起来，加强现场质量管理。参考文献1 何开胜.水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方办法.岩土力学,2002,23(6):778-779.2 林奕禧,张伟丽，黄良机，蔡键.水泥土搅拌桩复合地基承载力折减系数和的试验研究.岩石力学与工程学报,2009,28(2):3816.3kamon M. 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