影响水泥土搅拌桩防渗墙质量因素分析及控制措施

2015-04-06张正荣

陕西水利 2015年5期

张正荣

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安 710043）

近年来，水泥搅拌桩成墙技术在软基处理、边坡防护及水利水电工程渗水层处理中得到广泛应用，并取得较好的工程效益。由于水泥搅拌桩成墙施工难度大，技术要求高，如果控制不当，不仅起不到预期效果，还会给工程留下严重的质量和安全隐患。笔者亲历了部分工程的试验研究和防渗墙施工管理工作，发现施工前通过对影响搅拌桩质量的因素分析，制定和采取相应的质量控制措施，即可有效提高搅拌桩防渗墙的施工质量，达到预期的设计效果。

1 影响水泥土搅拌桩防渗墙质量因素分析

1.1 水泥掺入比

水泥土搅拌桩是利用水泥或水泥浆作为胶凝材料，通过特制的施工机械在地基深处就地将松散土层与注入的水泥一起搅拌，经物理化学反应硬结成具有整体性，水稳性和一定强度的水泥土桩。桩与桩相割搭接形成厚度和渗透性满足防渗要求的水泥土防渗墙。水泥掺入比是指水泥在土料中掺入的重量与被加固土体天然湿重量之比。从成墙机理分析，水泥在土体中发挥填充作用和固化作用，当水泥颗粒充分填充土粒之间的空隙，又能充分固化时，就会形成密实的、具有一定强度和抗渗性的稳定体。工程试验证明，水泥土搅拌桩单轴抗压强度随水泥掺入比增大而增大，抗压强度高、抗渗效果好。因此水泥掺入比对墙体质量起主要的决定作用。

1.2 水泥注入量

深层搅拌桩施工水泥掺入量是通过水泥浆方式注入到土体中的，水泥注入量是否能够充分填充土中的空隙，影响水泥土搅拌桩密实度。充填密实，水泥土强度高，抗渗就好。

1.3 施工工艺

成墙质量的优劣直接关系到地基处理的效果。水泥浆与土体搅拌的均匀程度也是影响墙体质量的关键因素。如同混凝土搅拌原理一样，搅拌次数越多，水泥土搅拌越均匀，质量越好。实践证明，沙性土层容易搅拌均匀，而粘性土粒之间粘结力较沙性土粒之间粘结力高，容易造成土体成团快随搅拌头旋转，因而粘性土不易搅拌均匀，必须降低搅拌头的提升速度，增加搅拌次数，使水泥土得到充分搅拌。从施工技术控制角度分析，质量控制的重点和难点是桩径、桩体斜率和桩体间的相互搭接，搅拌钻头提升和搅拌速度、浆液比重、掺入桨量。成桩过程中，若钻杆垂直度偏离过大，易造成墙体开叉。搅拌钻头由于高速旋转，尤其是在沙性土层和坚硬土层中，极易造成搅拌叶片磨损、脱落，若发现不及时，未及时修补、更换，易造成搅拌桩之间墙体搭接不良或墙体厚度不够，从而影响搅拌桩墙体的整体性和连续性。

2 控制措施

2.1 通过试验选择搅拌桩技术参数

为了取得经济合理的搅拌桩水泥掺入量，施工前必须按照设计提供的地质资料，选取代表性地段进行钻探取样，测定其天然状态的物理性质指标，以便配制水泥土试样。试验室应根据水泥搅拌桩防渗墙的技术要求和被加固土层的情况，拟定不同地层的水泥掺入比，通过测定7d或28d水泥土单轴抗压强度和渗透系数，选择满足设计要求的水泥掺入比。

为达到技术可行，经济合理的目的，针对具体的施工现场地质条件及拟采用的水泥品种、施工设备，在正式搅拌桩施工前，还应按照试验室推荐的水泥掺入比进行现场工艺性试桩，最终优选水泥搅拌桩的技术参数。

2.2 水泥浆注入量控制

浆液注入量以注入土体中的水泥浆充分填充土层中的空隙为佳，需根据水泥掺入比和土体天然重度、桩体直径计算出每米水泥掺入量，再通过浆液的水灰比计算出每米浆液的注浆量。施工过程中，应在每台搅拌设备上配备电脑自动记录仪，以利及时对注浆量进行控制和调整。采用电脑自动记录仪可以随时打印施工资料，对施工过程钻的进深度和注浆量实行全程监测，最大程度的降低人为干扰施工质量。记录仪在使用前必须通过法定计量部门的标验，合格后方可使用。严禁使用由施工单位自制的记录仪。由于固化剂从灰浆泵到达搅拌机械的出浆口需通过较长的输浆管，必须考虑水泥浆到达桩端的泵送时间，为了保证桩底获得足够的水泥浆，所使用的输浆管长度不要超过60m，当搅拌头下沉至设计高程时，应在此停留约30s左右。注浆过程必须保持连续，当设备出现故障，导致断浆、停浆情况时，恢复施工后必须进行补喷，且二次补喷复搅搭接深度不能小于0.5m。施工中注意观察地面泛浆情况，应以桩顶出现少量泛浆时为宜，如在二次喷浆中桩顶不泛浆，可能存在地质缺陷、浆液流失或土层过于松散浆液无法填充密实的情况，应查明原因，采取补救措施。

2.3 施工工艺控制

为了保证墙体的均匀性，施工中应严格控制喷浆提升速度。提升速度是通过工艺试桩确定的，施工中严禁随意改变。为了保证水泥土搅拌均匀，搅拌次数不宜低于四次，喷浆过程不少于两次。两次喷浆是为了最大限度的减少喷浆的不均匀性，尤其是二次喷浆，可对首次喷浆量不足的区段进行补浆。具体施工程序为：首先将搅拌机钻头下沉至设计深度，开启灰浆泵在拟定压力下，将水泥浆压入地层中，边喷浆边旋转搅拌，待钻头提出地面后，再次搅拌沉入土中，到设计深度后再注浆搅拌提升至地面。在粘性土含量较高的地层应适当降低钻进、提升速度，并采用合理的注浆压力，以保证水泥浆注入量及其与被加固土体充分搅拌均匀。

针对施工过程中的难点，需加强施工过程中搅拌桩机钻杆的垂直度控制，在搅拌桩机上安装垂直观测仪进行钻机调平。移位时，必须精确对准桩位。为防止桩机倾斜、偏移，对桩机支撑面基础必须进行平整夯实加固。坚持交接班时，必须检查一次搅拌头叶片直径，发现磨损达到1cm时，必须予以修补、更换。搅拌头与钻杆连接必须牢固，每次搅拌头提升出地面时应注意观察，防止搅拌头脱落。

3 工程实例

陕西省泾惠渠西郊水库位于三原县县城以西约2km的清峪河干流上，坝上游左右两岸393.5m～399.5m高程为渗水层。393.5m～399.5m，渗水层处理方案为水泥土搅拌桩连续墙，防渗墙左右两岸长分别为216.66m和193.05m，防渗墙外缘厚度800mm，水泥搅拌桩直径450mm，双排布置，间、排距均为350mm，桩长12.5m，处理后防渗墙渗透系数k≤1×10-6cm/s，单轴抗压强度≥1.0MPa。要求通过试验选择水泥掺入比。

根据渗水层处理设计方案，处理深度为12.0m，高程从392.5m至404.00m。393.5～399.5m为主要渗水层，将其划分为一区，其余地层称为二区。分别在这两层土中采取土样，测得土料天然重度平均为19.0kN/m3，平均含水率23.6%。依据地层土情况，拟定水泥掺入比：12%、13%、15%、18%。按照《土工试验规程（SL237-014-1999）》中有关渗透试验、《公路路面基层施工技术规范（JTJ034-93）》及《公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTJ057-94）》中水泥稳定土的有关方法进行试验，通过测定水泥土渗透性与抗压强度，初步选择水泥掺入比。

室内试验结果表明：随着水泥掺入量的增加，渗透系数在降低；28d单轴抗压强度随掺入比增加呈直线增长，渗透系数值为1.23×10-8cm/s～1.3×10-7cm/s，平均 4.59×10-8cm/s；单轴抗压强度值为1.79～3.98MPa。试验结果符合一般规律，并满足设计要求。

根据室内试验结果，初选掺入比12.5%。按照桩径45mm计算，水泥每米掺入量37kg，当水灰比采用0.55∶1，注浆量为57kg/m。在正式打桩前，按此参数现场进行工艺性试验由于土层较密实，含水率偏低，钻进较困难，故在预搅下沉过程中少量加水，钻进较为顺利通过现场试桩，最终选用强度等级为32.5R普通硅酸盐水泥，水泥掺入比13.0%，水泥掺入量 39kg/m，水灰比 0.55∶1，浆液注入量60.5kg/m。

搅拌桩机和电脑自动记录仪为武汉工程机械研究所生产，记录仪在使用前均经过法定部门标验。施工依据《建筑地基处理施工技术规范（JGJ79-2002）》进行，施工前编写了施工组织设计，规定施工工序为四搅两喷，即预搅下沉至设计深度，开启注浆泵，在0.25～0.3MPa压力下将灰浆压入到被加固土层，边喷浆边提升，提升至地面后，重复以上过程。提升速度为0.2～1.0m/min，在土层坚硬密实、钻进困难、粘土含量高的区域，降低提升速度；并在桩底适当停留搅拌，以提高搅拌次数，确保搅拌均匀。

施工完成后，在墙体两侧进行开挖检查桩与桩之间连接较好，桩体完整、墙体连续，防渗墙外缘厚度达到800mm。采用双管钻孔取芯进行抗单轴压强度试验和渗透试验，结果表明，墙体28d单轴抗压强度大于1.0MPa，渗透系数k＜1×10-6cm/s，满足设计要求。