某三轴水泥搅拌桩深层短桩质量控制及治理措施

2019-09-20刘宏伟郑建璐刘爱民

中国港湾建设 2019年9期

刘宏伟，郑建璐，刘爱民

（1.天津临港公用事业集团有限公司，天津 300450；2.天津市渤海海洋监测监视管理中心，天津 300450；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

深层水泥土短桩的施工方法主要有水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、粉喷桩等[1-2]。水泥土搅拌桩又分为单轴、双轴和三轴等形式，其中三轴水泥土搅拌桩具有相邻桩搭接良好、经济效益高、成桩垂直度有保证、工艺简单、工期较短等优点[3-8]。在公路工程的明挖或暗埋段的基坑底部的地基加固工程中常被采用。在深层短桩施工中，特别是黏性土层中，由于水泥用量受限、黏性土不易搅拌均匀、留浆困难、返浆严重等因素，常遇到成桩困难、强度低、不均匀、桩底标高不足等问题，制约和困扰着工程的施工进度和质量。

本文以孟加拉国某工程为依托，分析了三轴搅拌桩短桩施工的关键影响因素，以控制成桩质量、减少水泥用量、优化施工工艺和解决施工过程存在的问题为目的，通过调整施工工艺、改变水泥掺量等措施，进行了大量的现场验证性试验，总结了丰富的经验，其研究成果可为同类工程提供参考和借鉴。

1 工程简介

1.1 地质条件

工程位于孟加拉国吉大港入海口冲积三角洲区域，地层平缓，地层土体为第四系冲积覆盖层。表层有4.1 m厚度新填筑的松散粉砂层，下部依次为粉质黏土、粉砂、淤泥质粉质黏土、细砂、淤泥质粉质黏土、细砂（见表1）。其中主要加固土层为第6层淤泥质粉质黏土状态以软塑为主，工程地质性质较差，其上下紧邻土层为细砂层，且为富含水层，均是承压水水层。

表1 土体物理力学性能指标Table 1 Physical and mechanical properties of soil

1.2 加固要求

明挖暗埋段基坑底板处于顶板深度15 m处，两侧为地连墙，此处为淤泥质粉质黏土层，下部为密实细砂层。为给地连墙提供更好的侧向受力条件和防止坑底土体隆起，基坑坑底拟采用裙边+条状的水泥搅拌桩加固方式，成桩深度3 m，坑底深度14~16 m，采用准850@600 mm三轴搅拌水泥土桩，42.5级普通硅酸盐水泥，水泥土水泥掺量不小于20%，搭接250 mm，14 d无侧限抗压强度不小于1.0 MPa。桩位布置图如图1所示。

图1 桩位布置图（m）Fig.1 Pile layout(m)

2 试桩试验

2.1 试桩方案及结果

试验用三轴桩基设备的施工能力深度为28 m，最大桩径1 000 mm，步履式桩架，三轴动力头功率为3伊75 kW=225 kW。

搅拌方法、水泥掺量、水灰比、工艺控制、空气压缩机的调控等因素对成桩质量的影响较大，为选择出一组既满足加固要求又经济、快捷的施工参数，通过选择不同的影响因素为变量，进行试桩。不同影响因素下选取1~3根试桩进行试验，以现场14 d芯样试验强度进行分析，来判定三轴水泥搅拌桩的成桩质量，找出最优的成桩方案。试桩方案和结果如表2所示。

2.2 试桩结果分析

2.2.1 水泥掺量

水泥掺量与成桩质量关系密切，参照《型钢水泥搅拌墙技术规程》的条文说明和文献经验，黏性土为主的地区，多采用20%的水泥掺量，以此为依据增减水泥掺量进行试验。深层短桩由于水泥流失、搅拌不均匀、地层及地下水、施工工艺等因素对其成桩质量有较大影响，在保证质量的情况下，水泥用量有很大差别，25%以下的水泥掺量成桩质量都不能满足设计要求，25%到31%的水泥掺量与成桩质量能否满足设计要求与施工工艺有直接关系，31%以上的水泥掺量基本上能满足设计要求。

表2 试桩方案和结果Table 2 Scheme and result of test piles

2.2.2 搅拌方法

从表2试桩方案和结果可以看出，水泥掺量为25.4%及以上时，四喷四搅的成桩质量满足设计要求，而同等水泥掺量两喷两搅的工艺无法满足设计要求。在水泥掺量相同的条件下，随着喷搅次数的增加，搅拌桩的成桩质量显著增加，从现场取芯看，成桩均匀、桩体强度均显著提高。

2.2.3 施工时桩底、桩顶标高

通过现场取芯试验验证（图2），实际施工底标高以上约有0.5 m左右的成桩质量较差，无法保证成桩质量，因此为保证有效的桩底标高和桩顶标高，施工时，在距桩顶标高50 cm时开始喷浆，在距桩底设计标高以下50 cm最终施工进尺。因此，现场实际搅拌桩进尺约比设计桩长多出1 m，设计桩身内的桩体质量得到了很好的保证。

图2 四喷四搅工艺25.4%的水泥掺量的取芯试验Fig.2 Core test of 25.4%cement content of four-spray four-stirring process

2.2.4 水灰比

常用三轴搅拌桩的水灰比为1.2或1.5，按经验根据注浆泵喷浆能力要求，最小的水灰比值为1.0。搅拌时水灰比减小会增大浆液密度和黏稠度，减小竖向的翻浆量，同时会减少向周边土体的渗入流失量，因此，有助于减少搅拌时溢出浆量。通过同掺量同工艺的搅拌桩取芯状态来判别，水灰比小的工艺成桩质量要好于水灰比大的，也证实了上述分析的正确性。

2.2.5 工艺控制

正转喷浆搅拌下沉，反转喷浆复搅提升，搅拌时间越长搅拌次数越多，搅拌均匀性越好。主要控制因素为下沉速度、上升速度和静喷时间。试验过程中下沉速度控制在0.8~1.2 m/min，上升速度控制在0.5~1.6 m/min，从试验结果来看，上升速度越小，搅拌次数越多，成桩质量越好，同时为了保证桩底的浆量充足，建议静喷时间60 s。

2.2.6 空压机的调控

空压机喷出的高压气体与浆液混合后，在涡流的作用下穿透力更强，但也有负面的影响，受气压的影响，短桩的部分浆液会向上翻浆，因此，为更多地留住浆液，试桩过程中选择了在最后上拔搅拌和喷浆过程中，停止空压机喷气，并进行了比对试验验证，从所取芯的状态来判别，并没有显著的区别，同时需要重复性的关停空压机，给施工控制带来负面影响，后期未被考虑。

2.2.7 土质对成桩质量的影响

在同一根试桩取芯检测的条件下，粉质黏土中的搅拌桩要比粉土、粉砂中的搅拌桩易出现含泥块、搅拌不均、强度低等成桩质量不好的现象，而且粉质黏土中的搅拌桩无侧限抗压强度比粉土、粉砂中的搅拌桩无侧限抗压强度要低。

2.3 施工工艺确定

综合考虑成桩质量，水泥掺量，搅拌时间等因素，最终确定工程桩为四喷四搅施工工艺，在非成桩进尺区，钻杆在下沉和提升时均需注入水泥浆液或清水。在成桩进尺区，下沉过程中，在距桩顶标高50 cm时开始喷浆，下沉到桩底标高下50 cm后，向上提升2.5 m，再次下沉至桩底标高下50 cm后，静喷60 s，然后再提升至桩顶标高并结束喷浆。水泥掺量25.4%，水灰比1.0，下沉速度控制在1.0 m/min，上升速度控制在0.9 m/min，静喷时间60 s。

工后对大量工程桩进行了取芯试验检测，短桩的无侧限抗压强度代表值都大于1.0 MPa，桩底、桩顶成桩质量良好，满足设计要求。