水泥土搅拌桩施工方法探讨

梁　伟　乔爱英　林彬彬

(1.山东东平湖管理局东平管理局， 山东 泰安　271500;2.福建省江海工程管理有限公司， 福建 泉州　362000)



水泥土搅拌桩施工方法探讨

梁伟1乔爱英1林彬彬2

(1.山东东平湖管理局东平管理局， 山东 泰安271500;2.福建省江海工程管理有限公司， 福建 泉州362000)

水泥土搅拌桩施工方法分干法(粉体搅拌法)和湿法(浆液搅拌法)，按照规范规定“当地基土的天然含水量小于30%、大于70%时不应采用干法”，马山头排水涵洞重建工程施工方法为湿法施工。本文主要探讨水泥土搅拌桩在无法严格执行规范施工的情况下，改进施工工艺及施工顺序，将规范规定的“三搅二喷”或“四搅一喷”工艺变为“四搅四喷”，有效将水泥浆液均匀、足量喷入土体中，保证水泥土搅拌桩施工质量。

地质概况及技术要求；试验桩施工；设备及施工方案选择；参数确定；质量控制

马山头排水涵洞位于山东省东平县银山镇马山头村东北角，山东黄河堤防东平段银马堤桩号0+432处，为黄河丁庄扬水站的穿堤建筑物。该涵洞始建于1967年，至今运行40多年，由于水闸经长期运行，老化严重，设计对其进行拆除重建。重建内容主要包括闸门及闸室拆除、土方开挖、土方填筑、石方砌筑、混凝土与钢筋混凝土工程、闸门安装及金属结构安装等。

马山头排水涵洞设计为涵洞式排水闸，共1孔，孔口尺寸1.5m×2.5m，闸室长8m，涵洞长30m，共3节。闸前铺盖、闸室底板、涵洞底板和护坦段基础范围内布置水泥土搅拌桩，并布置水泥土搅拌桩连续墙进行围封，深入液化层以下1m，以提高地基基础承载力，解决地基地震液化问题。

1　场地岩土地质概况及技术要求

1.1地质概况

该工程地质中水泥土搅拌桩及连续墙有效桩范围内为砂壤土、夹壤土、壤土、黏土，持力层为黏土层。

1.2工程设计图纸技术要求

a.该基础处理工程采用水泥土搅拌桩与连续墙，水泥土搅拌桩单桩直径600mm，沿轴线布置，桩距1.5m。水泥土连续墙沿基础周边布置，由桩径600mm的水泥土单桩连续搭接形成，搭接长度0.1m。

b.单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静荷载试验确定。

c.水泥强度等级选用P.O42.5级及以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺入比不低于18%、搅拌桩抗压强度不低于2.5MPa。

d.试桩的施工条件应与工程桩的施工条件相同，单桩竖向静载试验数量为3根。要求单桩竖向承载力特征值不小于145kN，复合地基承载力特征值不小于140kPa。

e.水泥土搅拌桩设计及施工依据《建筑地基处理技术规范》(JTG 79—2012)、《水闸施工规范》(SL 27—2014)。

2　水泥土搅拌桩试验桩施工

为确保工程桩施工方案的经济可行，在水泥土搅拌桩施工前，先进行现场工艺性试桩。

水泥土搅拌试验桩施工的主要目的为：通过工艺性试验确定施工设备和施工工艺，以确定最佳施工参数，用以指导大批量水泥土搅拌桩和连续墙施工。成桩质量的好坏直接关系到地基处理的效果，其关键是注浆量、水泥浆与软土搅拌的均匀程度。

根据设计图纸要求并结合以往工程的施工经验和施工现场的具体情况，选择打桩机，通过试验确定施工工艺参数的最优值，固定最优参数和其他参数。

3　施工设备及施工方案选择

3.1设备选型

该次试验桩施工采用ZGZ-A型搅拌桩钻机施工，主要机械设备见右侧表。

施工机械设备表

3.2施工方案确定

水泥土搅拌桩施工方法分干法(粉体搅拌法)和湿法(浆液搅拌法)，按照规范规定“当地基土的天然含水量小于30%、大于70%时不应采用干法”，该工程地基范围内土体天然含水量为10.3%～20.1%，均小于30%，施工方法采用湿法施工，试验桩按照设计要求利用3根进行试验。

3.2.1方案1

a.水灰比选择。按照《建筑地基处理技术规范》(JTG 79—2012)7.3.1第6条规定：“湿法的水泥浆水灰比可选用0.45～0.55”，该工程方案选择水灰比为0.5。

b.《建筑地基处理技术规范》(JTG 79—2012)7.3.3第6条规定水泥土搅拌法施工主要步骤应为：

ⓐ搅拌机械就位、调平；

ⓑ预搅下沉至设计加固深度；

ⓒ边喷浆、边搅拌提升直至预定的停浆面；

ⓓ重复搅拌下沉至设计加固深度；

ⓔ根据设计要求，喷浆或仅搅拌提升直至预定的停浆面；

ⓕ关闭搅拌机械。

在预(复)搅下沉时，也可采用喷浆的施工工艺，必须保证全桩长上下至少再重复搅拌一次。

规范规定的施工方法可简单概括为“三搅二喷”法或“四搅一喷”法。

为保证桩体均匀性，该工程初步方案采取“三搅二喷”法施工，并得到监理工程师可行性批复，其施工工艺见图1。

图1　“三搅二喷”施工工艺

c.实际施工中遇到以下问题。

问题一，浆液配制问题：水灰比为0.5，根据1m直径制浆桶计算出每桶浆液配制比例为300kg水(加水深度0.382m)∶600kg水泥(袋装水泥12袋)=0.5∶1，搅拌均匀后实测配制的浆液比重达到1.810g/cm3，且无法自流到储浆桶内，无法通过加压泵进行水泥土搅拌桩施工。

问题二，按照施工工艺，首先进行钻机钻进施工，实际情况是由于该工程基础范围高于地下水位，地基土体含水量较低(10.3%～20.1%)，钻机根本无法实现干土钻进。

鉴于以上两个主要问题，及时调整施工方案如下。

3.2.2方案2

a.将规范规定的水泥浆比重调整为1∶1，则每次搅拌比例为300kg水∶300kg水泥。

b.钻机初次下钻时即开始边喷浆、边钻进施工。

c.为保证搅拌均匀，增加2次喷浆次数和1次搅拌次数，变“二喷三搅”为“四喷四搅”，即将原方案2次喷浆变为4次喷浆，稀释1/2水泥浆浆液后增加两倍喷浆次数，保证喷入土体的水泥干粉量不变。

调整后的施工工艺见图2，其步骤为：

ⓐ定位。桩机到达指定桩位，对中(钻机的钻杆须垂直并对准桩位)；

ⓑ制备水泥浆。在搅拌机下沉之前，组织按确定的配合比搅拌水泥浆，搅拌均匀后前将水泥浆倒入二次搅拌池中；

ⓒ边下钻、边喷浆至设计加固深度；

ⓓ边喷浆、边搅拌提升直至预定的停浆面；

ⓔ重复边下钻、边喷浆至设计加固深度；

ⓕ边喷浆、边搅拌提升直至预定的停浆面；

ⓖ桩机移至下一桩位，重复进行上述步骤的施工。

图2　“四喷四搅”施工工艺

4　试验桩施工计算、施工过程、试验报告统计分析及参数确定

4.1参数确定计算

水泥掺量18%，水灰比为1∶1。水泥采用P.O42.5级的普通硅酸盐水泥，采用工艺参数为水泥掺入量设计为18%。每米掺灰量计算如下：

每米土的体积：

=3.14×0.32×1

=0.2826m3

每米土重：

该工程地层土湿密度为1.91g/m3。

G=Vδ=0.2826×1.91=0.5398t

18%的水泥掺入量：

M=0.5398×1000×18%=97.2kg

12m桩长， 水泥干粉质量：

97.2×12=1166kg

水灰比1∶1时，12m桩长的水质量应为1166kg。

12m桩长，水泥浆液总质量：

1166×2=2332kg

12m桩长，水灰比为1∶1的水泥浆液体积：

1166kg/(3.1g/cm3) +1166kg/(1g/cm3)=1542L

钻机喷浆量60L/min。

每棵桩一次喷浆总时间：

1542/60=25.7min

为保证水泥土搅拌桩均匀性，采用“四喷四搅”施工方法，12m桩长每次边提升、边喷浆的总速度为：

25.7min/4次=6.4min

施工时每米提升速度为：

12m/6.4min=1.875m/min

4.2试验过程

依照调整后报批的《黄河下游防洪工程(山东段)东平湖防洪工程马山头涵洞水泥土搅拌桩试桩专项试验方案》，选定在涵洞上游南侧10m处基坑底进行水泥土搅拌桩试桩施工，试桩3根，施工时按照“四喷四搅”工艺进行施工，项目部于2016年3月3日16：45开始施工，当日18：44喷浆结束。

4.3工程试验

试桩完成后按照规范7d天进行开挖检测成桩的直径及均匀性，经实测，1号桩平均直径0.613m，2号桩平均直径0.616m，3号桩平均直径0.613m(详见成孔直径测量表)。成孔28d委托某工程质量检测中心依次进行水泥土搅拌桩单桩竖向抗压承载力试验、复合地基竖向抗压静载试验及强度检测，检测从2016年3月31日开始，至2016年4月7日试验结束，历时8d，实验结果如下：

a.单桩竖向抗压承载力：实测单桩竖向抗压极限承载力均不小于290kN，全部合格。

b.复合地基竖向静载试验：试验时首先对1号桩及桩间土进行复合地基竖向静载试验，加载至设计两倍设计承载力特征值时终止加荷，实测值远远大于设计要求的地基承载力特征值140KPa。

c.鉴于以上试验远远超过设计要求，只对1号桩分别在1m处、4m处、11m处取芯做强度试验，强度最小3.22MPa，最大6.41MPa，均满足设计强度2.5MPa要求。

4.4试验方法及参数确定

水泥土搅拌桩施工采用“四喷四搅”施工方法，水泥掺量18%、水灰比为1∶1，提升速度为1.875m/min。

5　质量控制

施工过程中，随时检查作业记录和计量记录。桩体的施工作业过程质量检验包括桩位，桩顶、桩底高程，桩身垂直度，浆液水灰比，桩身水泥掺入比，水泥用量，搅拌头上提喷浆速度，复搅次数，复搅深度，停浆处理方法及每桩施工作业全过程检验。

a.搅拌机喷浆提升的速度和次数必须符合试验工艺的要求并有专人记录，每完成一根桩，施工人员须在记录上签字，并将其交给技术人员。

b.拌制水泥浆按有关参数严格执行，控制水泥浆的比重，禁止在拌制完的浆液中加水或水泥。

c.施工到顶端0.3～0.5m范围时,因上覆土压力较小，搅拌质量较差。因此，其场地整平标高应比设计确定的基底标高再高出0.3～0.5m。

d.所使用的水泥过筛，制备好的浆液不得离析，泵送必须连续，拌制浆液的罐数、水泥掺入量以及泵送浆液的时间等由专人记录。

e.为保证桩端施工质量，当浆液达到出浆口后，应静喷30s，使浆液完全到达桩端。

f.当喷浆口到达桩顶标高时，停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实。

在大面积水泥土搅拌桩施工时，严格按照试验桩确定的方法和参数进行施工，经实体检验，水泥土搅拌桩单桩桩径、均匀性、强度、单桩承载力、复合地基承载力全部满足设计要求，水泥土搅拌桩连续墙连续性、搭接长度、强度均符合设计要求。

6　结　论

在土体比较干燥且土体内夹杂黏土时，选取施工方法时宜采用“四喷四搅”法施工，更加容易保证水泥土搅拌桩施工质量。

Discussion on soil-cement mixing pile construction method

LIANG Wei1, Qiao Aiying1， LIN Binbin2

(1.ShandongDongpingLakeAdministrationDongpingManagementBureau,Tai’an271500,China;2.FujianJianghaiEngineeringManagementCo.,Ltd.,Quanzhou362000,China)

Soil-cement mixing pile construction methods are divided into dry method (powder mixing method) and wet method (slurry mixing method). It is regulated in the specification that ‘dry method should not be adopted when the natural water content of foundation soil is less than 30% and more than 70%). Wet method is adopted as construction method in Mashantou Discharge Culvert Rebuild Project. In the paper, the improvement of construction process and construction sequence is mainly discussed under the condition that specified construction cannot be implemented strictly. ‘Three-mixing and two-injection’ or ‘four-mixing and one-injection’ process regulated in the specification is changed into ‘four-mixing and four-injection’, so that the cement slurry is efficiently injected into soil evenly and sufficiently to ensure the construction quality of cement-soil mixing pile.

geological survey and technical requirements; test pile construction; equipment and construction plan selection; parameter determination; quality control

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.003

TV223

A

1005-4774(2016)10- 0009- 04