水泥搅拌桩在洪福寺闸除险加固中的应用

2019-07-26张奎俊王文欣于升凤

山东水利 2019年6期

张奎俊，王文欣，于升凤

（1.山东省水利工程建设质量与安全中心，山东济南 250014；2.郯城县水利局，山东郯城 276100）

随着水泥搅拌机械的技术研发，水泥搅拌桩的应用范围不断扩展，大功率多头搅拌机可以穿透中密粉土及粉细砂、稍密中粗砂和砾砂，加固深度可达35 m，大量用于基坑截水帷幕、被动区加固、格栅状帷幕解决液化、插芯形成新的增强体等工程。在郯城县洪福寺拦河闸除险加固工程基础处理中，经评审论证，采用了水泥土搅拌桩围封抗渗，两岸抗液化、防绕渗处理工艺。

1 基本情况

洪福寺拦河闸工程位于临沂市郯城县洪福寺村西侧沂河干流上，工程规模为大（1）型。闸基左岸266 m长堤，清基面高程40.0~40.5 m；中部583 m为42孔闸，闸底板底高程37.1 m；右岸为215 m长土堤，清基面高程40.0~40.5 m，闸基础及闸左右岸翼墙基础均位于中粗砂上部；左岸土堤左侧53 m座于壤土中，右侧213 m座于中粗砂；右岸土堤左侧座于细沙上，右侧座于壤土中。左右岸土堤地基部分为土基，部分为砂基，易产生不均匀沉降。为防止地震液化、减少渗漏和避免不均匀沉降，拦河闸闸室上游端及护坦末端垂直水流方向各设一道水泥搅拌桩防渗墙对基础进行围封防渗及抗液化；顺水流方向每两联设一道水泥搅拌桩防渗板墙，与垂直水流方向水泥搅拌桩链接。水泥搅拌桩防渗板墙厚0.4 m，桩径0.65 m，闸室上游端防渗墙深13.6 m，顺水流防渗墙及护坦底板末端垂直水流向防渗墙6.3 m，深入黏土夹姜石层2.0 m；为解决连接堤与沂河大堤两侧绕渗问题，在连接堤上游及沿沂河大堤两岸临水侧200 m堤脚各设置水泥搅拌桩防渗板墙，墙底深入黏土，桩长17.5~23 m左右。

2 水泥搅拌桩施工工艺

2.1 施工工艺流程

根据设备性能采用“两搅两喷”施工工艺。具体流程如下：

场地回填平整→施工放样→开挖沟槽，清除地面、地下障碍物→设置导向定位桩→桩机就位、校正、复核桩机水平和垂直度→制水泥浆液、开启空压机，送浆至桩机钻头→钻头喷浆、喷气并切割土体下沉至设计桩底标高→钻头喷浆、喷气并提升至设计桩顶标高→施工结束，转下一道工序。

2.2 桩机选用

洪福寺闸地基均为中粗砂基，局部夹层存在零星鹅卵石、砾石。施工方案确定前，通过单轴桩机试验，钻头到达砾石、鹅卵石夹层时受阻，造成出现桩机抖动，无法钻进现象。为确保施工质量及安全，经过论证，本工程采用三轴搅拌桩机实施。主要机具详见表1、表2。

ZKD系列多轴钻孔机是使用SMW工法加固软土地基的施工设备，适合在防渗连续墙施工以及在江河堤坝、水利工程施工中进行防渗及软土地基加固等。对某些复杂地层有很强的通过能力。搅拌轴配置多对螺旋叶片，有效搅拌软土和固化剂，使槽孔上下均匀、密度一致，提高墙体强度和防渗能力，配置合理底盘可以方便地在多弯道，小半径堤坝和软弱地基环境施工作业。施工过程具有功率大、扭矩大、移动灵活、施工效率高，相对于单轴或双轴搅拌桩机适用土质广泛，成墙质量高，速度快等优点。

表1 三轴搅拌桩机及配套设备表

表2 设备主要性能参数

2.3 施工参数及顺序确定

现场试桩确定施工参数：搅拌下沉速度为0.8～1.0 m/min，提升速度为 1.0～1.6 m/min，搅拌头回转数50 r/min，水泥掺入量13%，水灰比1.5。为保证桩体的质量，施工时，先加固区外侧两副三轴搅拌桩，再套打中间一副的方式进行施工，搅拌桩桩与桩之间搭接200 mm，以保证墙体的连续性和接头的施工质量。

2.4 主要施工方法

1）平整场地。清除施工场地上的障碍物及杂物，整平场地，使施工工作面高程高于设计桩顶高程0.3~0.5 m。

2）测量放线及开挖导向沟。根据施工图要求，用全站仪测放水泥搅拌桩防渗墙顶轴线，用水准仪测放桩顶标高，用钢尺确定桩距，标出桩位。利用挖机按轴线方向开挖导向沟（深1.0～1.5 m，底宽0.85 m），防止搅拌机施工时涌土、浆液冒出地面。

3）桩机就位。开钻之前，检查输送水泥浆的导管是否漏浆或堵塞；水泥制浆罐和压力泵是否能正常工作；发电机或外接电源是否和桩机电路接通。桩机就位允许偏差为20 mm，然后调整桩机机身的竖直度，立柱导向架垂直度≤1/250。主机就位时，调整机身四个液压装置支撑脚，当钻杆上的悬锤线指向中心刻度并紧靠中心度盘时，机身纵横向都竖直；钻头对准桩位，钻进时要经常检查垂直度，同时在钻杆上做好标志，随时掌握钻入深度、复搅深度，并与钻机电脑记录仪显示深度相印证，确保桩长符合设计要求。

4）水泥浆制备。根据加固土的性质、桩承载力、防渗要求，选用P.O32.5级水泥，按照设计，经过试验，确定水泥浆配合比（设计水泥掺入比12%～15%，水泥用量 50～55 kg/m3，水灰比 0.45～0.55，比重1.7～1.8），确保其具有较好的流动性、和易性。制浆时，先加水，后投水泥，搅拌均匀，每次搅拌时间≥4 min，用比重计检测泥浆比重，确保泥浆质量。

5）钻机搅土。施工中，搅拌机头的直径不应小于搅拌桩的设计直径，机头磨损量≤10 mm。根据试桩确定的参数及实际情况，设定搅拌下沉与搅拌提升的速度，每根桩均要进行复搅复喷，使受到搅动的土块被充分粉碎，土体和水泥浆能充分拌和均匀。根据试桩确定的参数，控制搅拌下沉速度及提升速度，下沉将到硬层时提前喷浆并间歇一定时间，再提升钻具，确保底部有足够的浆量；喷浆搅拌提升至整平高程0.25 m处停喷，确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌。

6）水泥浆的压注。施工中，应严格控制水泥用量，配置计量装置，用流量泵调整输浆泵流量及喷浆时间与下沉提升速度相匹配，保证桩中水泥掺量的均匀性，本工程控制注浆工作压力≥2.5 MPa。搅拌钻头提升至桩顶，进行重复搅拌，钻头边旋转、边钻进、边喷浆至设计要求复拌的深度后，再反向边旋转、边喷浆、边提升。搅拌采用少量多次喷浆的方法，保证不少于3次搅拌喷浆，同时确保2次复拌。重复搅拌喷浆提升，直至离整平高程0.25 m处停喷，然后回填砂土并压实。

2.5 质量检验

1）检验方法。水泥搅拌桩成桩3 d可采用轻型动力触探（N10）检查每米桩身的均匀性，检测数量为施工总桩数的1%，切不少于3根。当桩身1 d龄期的击数N10大于15击，或者7 d龄期的击数N10大于30击时，触探的深度一般不超过4 m，桩身强度已能满足设计要求桩。成桩28 d后，用钻 B孔取芯的方法检查其完整性、均匀性及桩长，芯样送实验室做无侧限抗压实验，以测定桩身强度，钻孔取芯频率为1%～15%，对取芯孔用同等强度的水泥砂浆回灌密实。

2）检验结果。施工单位委托具有甲级检测资质单位进行自检，洪福寺闸水泥搅拌桩成桩后，3 d龄期N10击数为21~27，承载力σ：145.0~192.1 kPa，桩身均匀性良好；成桩28 d渗透实验，检测平均渗透系数为 3.0×10-6cm/s≤1×10-5cm/s（设计值），满足设计防渗规定；28 d龄期芯样抗压强度实验，平均抗压强度为2.2 MPa，满足规范要求；成桩28 d后，采用超高密度电法进行探测水泥搅拌桩完整性，实验电阻率图结论显示：墙体无明显缺陷，墙体基本连续、完整，符合设计要求。