水泥土深层搅拌桩在工程中的应用及质量控制

王利民

0 引言

深层水泥搅拌桩是以水泥浆液作为固化剂,通过深层搅拌机械在地基深处将软土和固化剂强制搅拌,同时利用两者之间产生的一系列物理和化学反应,使水泥土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的半刚性桩,并与桩间土组成复合地基。该法适用的土质范围较广,包括淤泥质土、粉土和软黏土等,具有施工简单、工期短、造价低、适用范围广、地基处理效果好等优点,现已大量应用于建筑工程的软基加固工程中。下面结合太原市万柏林中心医院地基加固实例探讨水泥搅拌桩在软土地基加固的应用。

1 工程概况

太原市万柏林中心医院位于太原市大众街以南,众纺路以东,地下2层,地上12层,结构形式为框架—剪力墙结构,基础形式为梁筏基础,基础底标高-9.90 m。根据山西省勘察设计研究院提供的勘察报告,场地地貌单元属汾河东岸Ⅱ级阶地,该工程场地范围内的地层分布自上而下依次为:素填土、粉质黏土、细砂、粉土、细砂、粉质黏土、细中砂、圆砾、粉质黏土。该场地土类别为Ⅲ类,拟建场地为较稳定性场地,天然地基视为不均匀地基,场地土无液化。勘察期间实测稳定水位埋深介于7.4 m～8.7 m之间,地下水对钢筋混凝土无腐蚀性。根据地质情况和工程上部结构情况,设计单位确定采用水泥土深层搅拌桩实施地基处理,桩径500 mm,桩长7.50 m,桩间距 1.0 m,正三角形布桩。桩端落入第⑤层细砂层,共布桩2 479根。材料选用32.5矿渣硅酸盐水泥,水泥掺量为每延米66.5 kg,湿法作业,水灰比控制在 0.50～0.55,施打顺序为隔行隔桩跳打,施工工艺采用两喷四搅。要求单桩承载力特征值不小于140 kN,处理后的复合地基承载力特征值不小于200 kPa,桩体无侧限抗压强度不小于2.5 MPa。成桩28 d后开挖基槽,进行成桩质量检测。

2 深层水泥搅拌桩的加固机制和特点

2.1 深层水泥搅拌桩的加固机制

软土与水泥加固的基本原理是基于水泥与软土的物理化学反应过程。施工过程中软土首先被搅拌切削成大小不等的团块,水泥浆掺入后,水泥包裹土团。由于水泥的掺量很少,水泥与软土之间的不充分混合,水泥土中会产生强度较大和水稳性较好的水泥区和强度较低的土块区。水泥土的物化反应是一个缓慢的过程,水泥与土粒表面先反应,然后逐渐向土粒中间发展,经过较长的时间,土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下,逐渐改变其性质。因此,水泥和土之间的强制搅拌越充分,土块被粉碎的越小,水泥分布到土中越均匀,水泥土结构强度的离散性越小,宏观的总体强度也越高,无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增加。

2.2 深层水泥搅拌桩的特点

1)处理地基设备简单,费用较低,技术效果明显,可用于大范围软基处理。2)利用固化材料可提高加固土的早期强度,大大缩短工期,由于固结屈服应力很大,故上部承重时,不会产生固结沉降。3)施工过程中无振动、噪声和污染,对周围环境无不良影响,适合闹市区附近施工。

3 深层水泥搅拌桩的施工工艺及技术要求

1)桩机定位:平整场地利用自行移动将深层搅拌机移至指定桩位并对中,为保证桩位准确,必须使用定位卡,控制其对中误差不大于50 mm,导向架和搅拌轴应与地面垂直,控制其偏差不大于1%;2)浆液配制:采用32.5R矿渣硅酸盐水泥,沿桩体每延米水泥用量70 kg。搅拌桩的水灰比控制在0.5～0.55,水泥应抽检合格,用水量应准确,搅拌时间不少于3 min;3)喷浆成桩:开启泵机并确认喷嘴喷出浆液后,启动桩机下旋钻进喷浆成桩,喷浆应连续,控制钻进速度低于1.0 m/min,喷浆速度低于0.8 m/min,转速约60 r/min,喷浆压力 1.0 MPa～1.4 MPa,喷浆量30 L/min,钻进喷浆至设计桩长或层位后,原地喷浆30 s,再反转匀速提升;4)提升搅拌:搅拌头自桩底反转匀速搅拌提升至地面,如有软土包裹则应及时清除;5)重复钻进搅拌及提升搅拌成桩:仍按上述步骤进行,喷浆量如已达到设计要求,则只需复搅而不再送浆,成桩后开动浆泵清洗管路中的残留水泥浆,使成桩直径和桩长达到设计要求;6)搅拌桩施工应严格按照设计桩位、桩长、桩数、喷浆量以及试验确定的参数进行,质量控制应贯穿在施工的全过程,并应坚持全程的施工监理。检查的重点:水泥用量、桩长、搅拌头转数和提升速度、复搅次数和复搅深度、停浆处理方法等。

4 桩基检测方法及结论

1)成桩7 d后,采取浅部开挖桩头,深度超过停浆面下 500 mm,目测搅拌的均匀性,量测成桩直径,检查数量为总桩数的5%。本项目检查125根,全部合格。2)轻型动力触探(N10)检查桩体均匀性,检查数量为施工总桩数的1%。本项目检查25根,Ⅰ类桩18根,Ⅱ类桩7根,无Ⅲ类和Ⅳ类桩。3)成桩28 d后,开挖基槽,进行水泥土深层搅拌桩的单桩载荷试验13组和复合地基载荷试验13组,承载力全部满足设计要求。荷载—沉降P—S曲线全部呈圆滑形,特征点不明显,无明显陡降段;沉降—时间S—lg t曲线无明显向下弯曲,全部桩体在试验范围内未达到破坏。4)为保证桩体质量,采用双管单动取样器钻芯取样8根,桩体通长水泥土搅拌较均匀,检验芯样抗压强度平均值大于2.5 MPa。

5 结语

本工程地基处理采用搅拌桩对地基土的加固效果良好,质量稳定可靠。该工程项目正在建设中,各观测点沉降比较均匀,目前沉降量较小。由此可见,水泥土搅拌桩是一种具有工程造价低、处理效果好、质量易控制、周期较短、施工工艺受环境制约少的成熟地基处理技术,在软土场地施工中有较高的推广意义。在实际应用中建议搅拌桩桩端落入承载力较高的土层,每延米水泥用量根据土质情况适当增加,由于搅拌桩后期强度增长较大,应适当延长桩的养护时间,以期达到良好的工程质量和经济效益。

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