水泥搅拌桩防渗墙生产性试验技术分析

□程谱学 □高建新 □王 珊

（1河南方正水利工程咨询有限公司；2河南省陆浑水库管理局；3河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 概述

南水北调中线一期工程南阳方城段四标桩号TS150+264～TS152+161渠段，其上部为弱膨胀土、砂，下部为软质碎屑岩。渠坡主要由（Q3）粘土、粉质粘土、粉质壤土、砂组成，局部渠底揭露有（N）软质碎屑岩。其中：粘土、粉质粘土、粉质壤土厚5～10m；细砂层厚0～3 m，多呈互层状或渐变状，砂岩具有中等透水性。该段渠道挖深7～9 m，地下水位高于渠底板2～7 m，渠底高程位于富含水的砂层及砂岩地层中，存在涌砂涌水问题。如施工期间采取大面积、长时间的井点降水，一方面会增加排水费用，计列在其他临时施工费用中5%的降水费明显不足；另一方面大面积、长时间抽水会降低周边的地下水位，影响当地居民的生产生活用水，产生补偿费用纠纷，对渠道施工带来不利影响。

施工前需通过生产性试验，验证设置水泥搅拌桩防渗墙的可行性与合理性，试验分两阶段进行，第一阶段通过水泥土结石室内试验，确定水泥搅拌桩合适的浆液浓度和水泥掺入量；第二阶段进行室外生产性试验，主要包括成桩工艺试验、桩体性能测试以及围井渗透特性检验试验，以最终确定水泥搅拌桩防渗墙工艺参数和施工控制参数。

试验取得试验数据648组，经对各项试验数据的统计分析，试验成果达到了设计和规范的的要求。

2 水泥土结石室内试验

在搅拌桩实施渠段，选取有代表性的透水土层中的土料在室内进行水泥土结石试验，采用1.20:1和0.80:1两种不同水灰比的水泥浆液，在强透水的砂性土地层中分别掺入10%，15%，15%水泥+5%膨润土，在弱透水的粘性土地层中分别掺入5%，7.50%，10%水泥，水泥土结石成型后，测试不同龄期（3,7,28 d）的水泥土结石，测试指标包括饱和单轴无侧限抗压强度、渗透系数、允许渗透坡降等。试验共进行12个组，每组试样45个，共取得540组试验数据。

通过对试验成果进行分析，对于强透水层（砂层），当水灰比在0.80:1，掺入15%水泥或15%水泥+5%膨润土搅拌成型的水泥土结石，各项指标能够达到试验大纲要求；对于弱透水层（粘土层）在水灰比1.2:1及0.80:1时，掺入10%水泥搅拌成型的水泥土结石，各项指标均能达到大纲要求。因此，水泥搅拌桩生产性试验宜采用0.80:1的水灰比、15%水泥掺量（针对强透水层）和采用1.20:1或0.80:1水灰比、10%的水泥掺量（针对弱透水层）。

3 单桩生产及桩体水泥土结石试验

3.1 成桩施工工艺试验

3.1.1 水泥搅拌桩成桩试验的主要控制参数

一是选择两种水灰比：1.20:1和0.80:1。二是采用室内试验确定的水泥掺入比作为参照指标进行成桩施工，并在室内试验掺入比基础上分别增加3%，5%作为比较组进行成桩施工。三是搅拌桩施工时的提升速度参考“试验大纲”数值，搅拌头提升速度分别为0.20 m/min，0.05 m/min两种。四是根据确定的水泥掺入比及不同注浆压力下的浆体注入量确定注浆压力。控制的注浆压力在0.20～0.40 MPa。五是搅拌桩施工，弱透水地层中采用两搅一喷方式，强透水地层中采用四搅两喷方式。在水泥搅拌桩成桩过程中，当用水灰比为0.80:1的水泥浆液钻进时，钻机摩阻力很大，电机电流超过70A（额定80A），经常接近或超过80A，经现场人员分析认为可能是浆液浓度过大，造成注浆管内壁摩阻增大，将水灰比改为1.20:1后，发现施工较为顺利，电机电流降至50A左右，可正常施工。根据“试验大纲”要求，单桩试验桩共需6组，每组3根，共18根桩。实际施工试验单桩共18根，桩长平均10 m。

3.1.2 水泥搅拌桩成桩施工过程

3.1.2.1 施工工艺流程

水泥搅拌桩施工流程主要分为定位→水泥浆制备→喷浆搅拌下钻→喷浆搅拌提升→重复上下搅拌→清洗移位等几个步骤。

3.1.2.2 施工技术要求

一是深沉搅拌压浆用的浆液主要材料为水泥，水泥在使用前应进行复检，合格后方可使用，搅拌水泥浆液所用的水应符合混凝土拌合用水的标准。二是孔位偏差±2～±5 cm，桩体偏斜率≤0.20%～0.50%。三是水泥浆应严格过滤，并在水泥制浆罐与储浆机之间设一道过滤网。四是水泥浆搅拌采用高速制浆机制浆，水泥液应随配随用，为防止水泥浆发生离析，在储浆罐中不断搅动，以保证浆液质量。五是供浆必须连续，一旦中断，应将喷管下沉于停供点以下0.20 m,待恢复供浆时再搅拌提升并适当考滤复搅。当因故停机超过半小时，应将钻头提出地面，并对泵体和输浆管路及钻杆进行妥善清洗。若在水泥土初凝之前恢复施工，搭接长度≥1.00 m；若在初凝后施工，则做事故处理。六是搅拌机喷浆下沉提升的速率必须符合施工工艺的要求，应记录桩机下沉和提升的时间及喷浆量。深度记录误差≤100 mm,时间记录误差≤5 s。

3.2 桩体性能测试

根据“试验大纲”要求，单桩成桩后，在不同龄期对6组、18根试验桩分别进行了取样检测。18根桩体，每根在不同部位取样6个，共取样108个，

通过对单桩成桩试验取样检测资料的数据分析，砂性土地层的水泥掺入比为15%、粘性土地层中水泥掺入比为10%不能完全达到试验大纲要求的相关技术控制指标。而对水泥掺入量进行上调3%和5%后的成果数据表明，上调3%后，在不同提速下，28 d抗压强度均符合要求，21 d抗压强度91.70%符合要求。上调5%后，14d抗压强度66.70%符合要求，21,28 d抗压强度均符合要求。经综合分析，砂性土地层的水泥掺入比为18%（即15%+3%），粘性土地层中水泥掺入比为13%（即10%+3%），提升速度0.50 m/min，注浆压力0.20～0.40 MPa，既节约材料成桩速度又快，能够保证“试验大纲”的相关单桩成桩的技术控制指标。

3.3 水泥搅拌桩施工参数选择

经对室内试验成果和单桩成桩试验检测结果的分析和比较，并参照以往类似的施工经验，初步拟定水泥搅拌桩防渗墙围井的主要施工技术参数：桩体有效搭接厚度≥25 cm,渗透系数砂性土k≤5×10-6cm/s，主要成桩施工工艺参数：水灰比1.20:1，注浆压力0.20～0.40 MPa，供浆流量30～50 L/min，水泥掺入比粘土、粉质粘土中掺入量为13%，15%，砂性土土层18%。

4 防渗墙渗透特性检验试验

根据“试验大纲”，生产性试验应对搅拌桩防渗墙形成后的渗透特性进行抽水试验检测，测试搅拌桩防渗墙的综合渗透性，为渠道工程渗控设计提供依据。水泥搅拌桩防渗墙渗透特性试验围井，分2区布置，每个区域为封闭的矩形，尺寸2 m×10 m×10 m，围井单桩桩长10 m,共计84根，围井成墙面积为：714 m2。在围井内进行开挖检查，开挖深度达到砂性土层顶面以下1.20 m左右，对暴露出的搅拌桩防渗墙体外观进行拍照和检查。

5 降水抽水试验成果及分析

降水抽水试验采用单井分级降水方式，按试验方案要求测试围井内外稳定水位，然后根据检测数据，分析防渗墙的截渗性能。经对观测记录计算，两个封闭区域的渗透系数K分别为：1.45×10-5cm/s，1.40×10-5cm/s，均 ＜5×10-5cm/s的要求。从现场开挖检查结果看：一是搅拌桩防渗墙体之间的搭接良好，防渗墙体完整，轮廓清晰，防渗墙表面光滑，基本保持在一条线上，未见搭接不上或搭接簿弱部位，开挖后的防渗墙壁上无渗、漏水现象。二是从围井内侧墙体之间的轮廓看，防渗墙体的垂直度偏差极小，墙体上、下部的搭接基本一致。三是开挖后围井内基本干燥无水，通过7d的观察，围井内基本无地下从墙壁和井底部渗出，水泥搅拌桩防渗墙的截渗效果理想。防渗墙渗透特性检验试验结果表明，围井试验测得的渗透系数K均满足设计＜5×10-6cm/s要求。

确定水泥搅拌桩截渗墙施工主要工艺参数：砂性土地层的水泥掺入比为18%，粘性土地层中水泥掺入比为13%，水灰比1.2:1，搅拌机提升速度0.5 m/min，注浆压力0.2～0.4 MPa，供浆流量30～50 L/min。

6 结语

该试验成果在方城段四标渠道工程中得到了应用，防渗效果较好，渠道开挖和衬砌工程施工基本不受地下水的影响，既保证了工程进度，又节约了降排水费用，达到了预期的效果。