水泥深层搅拌桩在软土地基处理中的应用

刘 斌

0 引言

某高铁配套项目地处广东沿海、珠江流域，建设用地原为水产养殖基地，场区内鱼塘遍布、沟渠纵横。地勘报告显示，地下存在厚层淤泥软基。为此，需要对原地层进行软基处理，而软基处理的质量将直接影响到路基的稳定性，并对整体工程的营运效果及经济性产生影响。比较常用的有塑料排水板、土工合成材料加筋、加载预压和水泥深层搅拌桩等几种软基处理方法，水泥深层搅拌桩对于处理淤泥、淤泥质土、泥炭土和粉土是一种有效的软基处理形式，同时具有施工周期短、工后沉降相对较小等特点，在高速公路、铁路软基处理中得到了广泛应用，是项目尽快产生经济效益的可靠保证。

1 工程概况

某高铁配套项目是武广客运专线配套工程，同时是铁道部确定的全国四大动车组检修基地之一，其检修范围辐射华南及珠江三角地区，覆盖京广、广深港客运专线、广珠城际和沿海快速通道。按照“安全可靠、经济合理、技术先进成熟”的原则，从工后沉降的控制效果、工程经济性、施工工期、施工工艺及质量检验难易程度、环境保护，结合场内工程地质条件等方面综合考虑，确定在线路咽喉道岔区、设备基础等恒载较大部位采用水泥深层搅拌桩处理软基。

本工程水泥搅拌桩设计数量154万延米。

地勘报告显示，场区地质上部为淤泥层，下部为第四系冲积层。地质情况自上而下划分为:②1层淤泥，灰黑色，流塑(表层有0.5 m左右为种植土)，厚度3.9 m～14 m，地基承载力特征值fak=60 kPa;②2层粉质粘土(局部有此层土)，灰黑色、黄褐色、软塑，厚度0 m～4.5 m，地基承载力特征值fak=120 kPa;②3层粉质粘土，浅黄色、硬塑，厚度0 m～5.5 m，地基承载力特征值fak=150 kPa;②4层粉细砂(局部有此层)，厚度0 m～5.6 m，地基承载力特征值fak=100 kPa;④1层泥质粉砂岩，浅红色，全风化，厚度0 m～9.3 m，地基承载力特征值fak=300 kPa;④2层泥质粉砂岩，浅红色，强风化，厚度12 m～24 m，地基承载力特征值fak=300 kPa;④3层泥质粉砂岩，浅红色，弱风化，厚度6 m～8.3 m，地基承载力特征值fak=500 kPa。

本工程水泥深层搅拌桩设计桩径0.5 m，桩间距1.4 m，按正三角形布置，桩长按桩端进入②2或②3层0.5 m深，且不小于6 m双重控制。水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，水泥用量50 kg/m。成桩后7 d内采用轻型动力触探(N10)检验桩体质量，28 d后取试件做无侧限抗压强度试验，无侧限抗压强度不小于1165 kPa。处理后复合地基承载力特征值fspk=80 kPa，单桩竖向承载力特征值Ra=100 kN。

2 施工准备

1)施工之前由机械操作人员检查钻机、计量人员检查仪器，调试运行正常，避免机械带病作业，其中电脑流量计经过计量单位标定;施工所用P.O42.5级普通硅酸盐水泥经试验室检测合格后使用，数量满足连续施工的要求，另外对现场存放的水泥采用下垫上盖防雨防潮措施，防止其淋雨受潮结块。深层搅拌桩施工场地应事先平整，清除桩位处地上、地下一切障碍(包括大块石、树根和生活垃圾等)。场地低洼时应回填粘土，不得回填杂土。

2)试桩。根据设计要求，大面积展开施工前需要做水泥搅拌桩的工艺性试桩。通过试桩获得最合适的水泥浆水灰比和比重、钻杆下钻和提升速度等成桩工艺和参数(见表1)，使桩体连续、均匀，强度满足设计要求，从而指导下一步的大规模施工。

表1 搅拌桩试桩轻型动力触探数据

通过5根试桩施工，确定了桩机钻杆的下钻和提升速度、喷浆压力、水灰比、水泥浆比重等参数:桩机下钻速度1.4 m/min，提升速度1 m/min，喷浆压力0.4 MPa～0.6 MPa，水灰比0.58，水泥浆比重1.791 g/cm3。工程所在地虽为农村，为减少水泥粉尘对环境大气的污染，采用了湿喷工艺，提前配制水泥浆，也保证了桩体的匀质性。

3)开钻前，机械操作人员要熟悉桩位布置图，桩机据图合理就位，便于打桩连续进行，相邻桩机间互不干扰。桩机移动到所打桩位处，使钻头中心，桩中心，钻杆中心保持在同一竖直线上，保证搅拌桩桩体垂直度满足验标要求。

3 工艺流程

1)施工工艺按“四喷四搅”进行施工，钻杆下钻和提升都带压喷浆。局部承受集中荷载的位置，要求桩顶1/3范围内复搅复喷(水泥用量增加30 kg/m)，该部分桩体水泥浆用量通过现场控制复搅复喷时钻杆的下钻和提升速度来保证。

2)施工工艺流程。a.桩机就位:检查钻杆长度，钻头直径，连接好输浆管路，将桩机移到指定位置对好桩位，由现场质检人员检查确认无误后开始开机作业。b.制备水泥浆:根据试桩结果，水泥浆水灰比取定为0.58，比重为1.791 g/cm3，桩体每米水泥用量50 kg，用水量为29 kg。c.下钻喷浆搅拌:在主离合器分离时，启动主电机，主电机运转正常后，挂离合器，将动力传给变速箱正反挡变速箱及涡轮涡杆减速箱等，使转盘正转，钻头旋下钻进，边旋转边喷浆，自动电脑流量泵控制输浆速度，注浆泵出口压力保持在0.4 MPa～0.6 MPa之间，下钻速度控制在1.4 m/min左右，自地面一直下沉到设计要求的地层，在钻杆上作标记，钻进的速度由电机的电流监测表控制。d.提升喷浆搅拌:搅拌机下沉到设计深度后，传动系统驱动钻头反转，边喷浆边旋转，边提升搅拌机，输浆同下钻时，搅拌提升速度控制在1 m/min，采用深度表和地面所测高程共同控制停灰面。e.重复上、下搅拌、喷浆:再次将搅拌机钻头下钻、喷浆沉入土中，至设计加固深度，停留约30 s，保证底部喷浆量充足，搅拌均匀，再将搅拌机匀速提升、喷浆至地面，当喷浆口到达停灰标高时，停止提升，搅拌数秒，提高桩顶成桩质量。f.清洗:向集料斗中注入适量的自来水，开启灰浆泵，将管路中残存的水泥浆清洗干净，清洗搅拌头上的残留土。g.现场施工人员填写施工原始记录，并收集电脑小票。h.移动到下一根桩位置，重复上述步骤。

表2 水泥搅拌桩28 d无侧限抗压强度报告(部分)

4 质量控制措施及验收标准

1)水泥搅拌桩的质量控制贯穿于施工的全过程，施工中随时检查施工记录。重点检查水泥用量、桩长、搅拌下钻和提升速度、复搅次数和复搅深度、停浆处理方法等。

2)成桩质量按设计图纸及TB 10414-2003铁路路基工程施工质量验收标准的要求进行检验。

3)搅拌桩成桩后7 d内采用轻型动力触探(N10)检验桩的质量(试验结果略)，28 d后取试件做无侧限抗压强度试验检测桩体强度，结果见表2。

4)水泥搅拌桩施工质量主要外观检查:a.桩体圆匀，无缩颈现象;b.搅拌均匀，无夹心;c.群桩间距均匀，桩顶标高平齐。检验标准见表3。

表3 水泥搅拌桩桩径、间距、垂直度允许偏差及检验标准

5)单桩承载力和复合地基承载力检测。单桩承载力检测共66组，复合地基承载力检测共414组，单桩竖向承载力和复合地基承载力均达到设计要求。

5 沉降观测

1)观测点位的布设。一般软土路段每100 m布设一观测断面，在一般处理段、过渡段接头处离开接头各10 m的位置分别设置一组沉降观测点，以观测不同处理方案的沉降差异。在地质情况明显变化的分界线两侧各10 m处，应分别布置一组沉降观测点。

2)观测频率。桩顶填土施工期间每填两层或每3 d观测一次，直至稳定再转入正常观测。正常观测每月观测一次，至交工验收。

3)水准点的设置。水准点应设在不受垂直和水平方向变形影响的坚固的地基或岩石山体等处，并以通视无碍、方便观测为佳，每三个月对设置的临时水准点校核一次。

6 操作注意事项

1)搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度相互匹配，确保加固深度范围内任何部位的土体搅拌次数在20次以上。

2)钻机就位后的垂直度偏差不大于1%(垂球法检测，经纬仪配合抽检)，在钻机四个支座处加设较大面积的钢板，使钻机在钻进过程中保持平稳，钻进时要经常检查垂直度，如发现偏差则立刻调整;在水泥搅拌桩开始钻进时保持较慢的钻进速度，待机身稳定后再加快速度。

3)配制水泥浆时严格按照水灰比进行，使水泥浆比重控制在1.791 g/cm3，水泥用量误差不大于8%，以保证桩体的质量，随时用比重计检测水泥浆比重。施工时泵送水泥浆必须连续，水泥浆用量以及泵送水泥浆的时间采用电脑流量计记录。配备好的浆液不得离析，停滞时间不得过长，超过2 h的浆液不得使用。

4)灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达喷浆口时间以及钻头起吊提升速度按试验确定参数进行。

在钻至设计桩长搅拌喷浆30 s后提钻，确保底部有足够的灰量，提钻速度为1.0 m/min，确保搅拌均匀。施工时应严格控制喷浆时间、停浆时间和喷浆量，确保水泥搅拌桩质量，发现喷浆量不足时，应整桩复打。

5)前台操作与后台供浆应密切配合，前台搅拌机喷浆提升的次数和速度与试验桩已确定的施工工艺参数相吻合。

泵送浆液前，管路应保持潮湿，以利输浆。供浆必须连续，拌和必须均匀。后台供浆停机时，及时通知前台以防止断桩和缺浆。一旦因故停浆，为防止断桩和缺浆，使搅拌桩机下沉至停浆点以下0.5 m，待恢复供浆时再喷浆提升。停机后3 h，将输浆管拆下，妥为清洗。喷浆搅拌提升的速度和搅拌次数符合设计及施工工艺要求，喷浆量及提升速度等由流量计控制并有专人记录。

喷浆时要密切注意压力表所显示的压力，防止输浆管堵塞，造成爆管。

6)水泥搅拌桩施工过程中做好施工记录——施工的孔位、孔深，每个桩位地下障碍物、洞穴、涌水及工程地质情况现场应作详细记录;操作人员打桩记录内容:桩号、日期、天气情况;喷浆深度、停浆标高;灰浆泵压力;下钻和提升速度;水泥浆流量;复搅深度。

7 结语

1)水泥深层搅拌桩软基处理技术工艺成熟，适宜处理淤泥、淤泥质土、泥炭土和粉土，其质量控制点贯穿施工的全过程，下钻深度、下钻和提升速度、喷浆(粉)数量、停灰标高、复搅深度、复搅次数等指标必须严格控制才能确保工程质量，全方位全过程的施工监督管理非常重要。2)水泥搅拌桩复合地基属于弹性或半刚性地基，从本项目的施工情况看，工后沉降量达到50 mm～140 mm，对于工后沉降要求较高的慎重采用。