砂置换型水泥搅拌桩在大液河水闸工程中的应用

2020-04-14李刘双

广东水利水电 2020年3期

李刘双

(广东省水利水电第三工程局有限公司，广东东莞 523710)

1 工程概况

大液河水闸位于海丰县西南联安镇，工程为Ⅱ等大(2)型，船闸为Ⅶ(2)级。水闸共设9孔，单孔净宽为12 m，水闸挡水总宽度为127 m，闸室结构采用整体式，中部闸孔采用1孔1联，左右岸闸孔采用2孔1联，共5联，水闸设计流量为1 717 m3/s，船闸按50 t级设计，为单线单级船闸。水闸、两岸翼墙、消能工及船闸基础均设计为砂置换型水泥搅拌桩基础。水闸总平面布置示意见图1所示。

2 工程地质

闸址区范围为大液河河床及一级堆积阶地，地形较为平坦、开阔。水闸主体结构下部地质构造根据地

图1 水闸总体布置示意

勘钻孔揭露，上部为原水闸人工回填砂砾石垫层，中部为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质中粗沙层、粉质粘土层和中砂层，下部为沙卵砾石层，基岩为侏罗纪凝灰岩。土层分布及主要物理力学指标如表1所示。

表1 土层分布及主要物理力学指标

该工程②-1层塑性指数为21.8，有机质含量为4.5%，天然含水量为44.0%～63.5%，地基承载力特征值为55～80 kPa；③-1层塑性指数为12.9，有机质含量几乎为0，天然含水量为18.2%～28.3%，地基承载力特征值为60～80 kPa；③-3层地基承载力特征值为230～250 kPa；土体pH值为6.5～7.1，判定结果为无腐蚀～弱腐蚀。

3 砂置换型水泥搅拌桩的方案选择

根据工程地质情况，若采取换填方式进行地基处理，应对全部②-1地层进行换填并对基础下部的②-2、③-1、③-2层沉降及稳定复核；若采用复合地基施工，可采用高压旋喷桩、水泥搅拌桩湿法或CFG桩，桩端持力层选用③-3砂卵砾石层作为持力层。

采用水泥搅拌桩加固地基，因②-1地层为流塑状淤泥及淤泥质土，不宜作为搅拌桩施工地层，故可采用砂桩施工原理，通过在原桩位点施工不小于搅拌桩设计桩径规格的砂桩，施工深度为穿透②-1层且进入下一地层0.5 m，使用中砂将桩身部位原本的淤泥、腐殖质置换掉，随后再施工水泥搅拌桩，相当于水泥浆液直接与中砂结合，形成固结效果更好的水泥砂浆，大幅提升了成桩质量与复合地基承载力。

采用换填方式处理地基，开挖换填深度约为1.10～11.60 m，成本极大，而采用复核地基施工，高压旋喷桩成本为339元/m，CFG桩成本为202元/m，均高于砂置换型水泥搅拌桩144元/m；并且砂置换型水泥搅拌桩既可以应用于联排桩防渗墙，又可应用于单桩加固地基，满足该工程对于防渗及复合地基承载力的需求，而CFG桩常用施工单桩，高压旋喷桩常用施工联排桩防渗墙，砂置换型水泥搅拌桩进行软土地基处理兼顾两者的优点，可以避免施工机械反复进场产生的费用。

4 砂置换型水泥搅拌桩的技术指标

1) 砂置换型水泥搅拌桩，采用桩径为Φ600 mm的水泥搅拌桩+砂桩，布设于建筑物底板下，采用正方形格栅式布桩，桩的纵横间距为1.2 m，先打Φ600 mm砂桩穿透淤泥层，再在砂桩位置大Φ600搅拌桩穿透淤泥层进入③-3层(或③-2层)1.0 m，平均桩长为7.5～15 m，在底板下设0.4 m厚砂碎石垫层。

2) 砂桩施工用砂为中砂，相对密度不小于0.7；砂桩桩径为Φ600 mm，桩底须穿透淤泥层且进入下一地层50 cm；桩位偏差要求小于50 mm，垂直度允许偏差小于1%，桩径、桩长不小于设计值。

3) 水泥搅拌桩桩径为Φ600 mm，搅拌桩采用水泥强度等级为42.5及以上的普通硅酸盐水泥，水泥掺合量不小于20%，搅拌桩采用湿法施工，“四搅四喷”施工工艺，搅拌桩钻进速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。桩位偏差要求小于50 mm，垂直度允许偏差小于1%，桩径、桩长不小于设计值。搅拌桩施工前应试桩，其目的是为现场的基础处理寻求最佳的搅拌次数、确定水泥浆的水灰比，泵送间时、泵送压力、搅拌机提升速度、下钻速度以及复搅深度等参数[1]。

4) 水泥搅拌桩桩身完整性、均匀性、无侧限抗压强度应满足设计要求。具体要求为：成桩7 d后，采用浅部开挖桩头(深度宜超过停浆面下0.5 m)，目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径，检查数量不少于总桩数的5%[2]。

5) 搅拌桩的桩身强度(现场取芯)其90 d龄期单轴无侧限抗压强度：5 m以内不小于1 000 kPa；5～10 m以内不小于800 kPa；10 m以上不小于600 kPa。其28 d龄期单轴无侧限抗压强度应不小于90 d凝期相应强度的80%。

6) 静荷载试验宜在成桩28 d后进行。水泥土搅拌桩复合地基承载力检验应采用复合地基静荷载试验，载荷试验参照《粉体喷搅法加固软弱土层技术新规范》附录D[3]进行。水闸复合地基承载力标准值为135 kPa。

5 试桩及成果

5.1 施工设备选择

根据设计要求的桩长及桩径，砂桩施工选用DZ55KB型砂桩机。该砂桩机主卷扬拉力为8 t，副卷扬拉力为3 t，功率为90 kW，桩架形式为液压步履式、圆管，提升和下沉速度为0.5～2 ms。水泥搅拌桩施工,选用武汉工程机械研究所制造的PH-5型搅拌桩机。该钻机钻速为27.0～80 r/min，提升速度为0.5～1.7 m/min，行走方式为液压步履式，配备灰浆搅拌机、灰浆泵、压力表、输浆管等。

水泥搅拌桩机可连接泥浆流量记录仪，电子测量钻孔深度、钻进和提升时间以及喷浆量等参数，避免人工测量和记录误差，提高了结果的准确性。

5.2 试桩过程

1) 选取9根试验桩，分3组，每组水泥掺合量分别取22%(93.25 kg/m)、21%(89.02 kg/m)和20%(84.78 kg/m)，水泥搅拌桩试桩搅拌下沉、提升速度和重复搅拌下沉见表2。

表2 水泥搅拌桩试桩钻进提升速度 m/min

2) 水灰比按0.55，采用四搅四喷施工工艺，在钻进至桩底时，保持深度不变持续喷浆搅拌30 s磨桩头，然后按试桩速度喷浆搅拌提升。

3) 试桩施工严格按试桩参数配置泥浆，控制钻进速度，并结合泥浆流量记录仪控制速率和喷浆量。

5.3 施工工艺流程

先进行砂桩施工，通过砂桩机的振锤将一定直径的套管打入设计深度，套管口为活页设计，提升时则打开，下沉则关闭。再将砂从料斗中灌入套管，按照计算灌砂量的1.4倍进行灌入(拔管过程中进行补砂)，提升套管，下部活页口打开，中砂混合水从开口处滑出并振冲密实，待套管完全提上地面，砂桩施工完成,平整场地后再进行水泥搅拌桩施工[4]。

1) 桩位放样

根据布桩图，用全站仪确定施工范围、桩位基线，布置桩点，控制桩位，以利于及时校核桩位。放好桩位后，按桩的施工顺序移动搅拌桩机到达指定桩位，钻头对中。搅拌机定位应保持水平，搅拌轴应垂直，其倾斜度不得大于1%。

2) 浆液配置

按试桩设计参数配置浆液，单根桩所需的水泥浆尽量1次拌制完成。1次拌不完，根据总量分次拌制完成。深层搅拌桩预搅下沉的同时，后台拌制水泥浆液，待压浆前将浆液放入集料斗中[5]。

3) 喷浆搅拌下沉

启动深层搅拌桩机转盘，待搅拌头转速正常后，方可使钻杆沿导向架边下沉边搅拌，下沉速度可通过档位调控，工作电流不应大于额定值。

4) 喷浆搅拌提升

下沉到达设计深度后，保持深度不变原地持续喷浆搅拌30 s后反转匀速提升，使浆液和土体充分拌和。

5) 重复喷浆搅拌下沉和提升

搅拌钻头提升至桩顶以上500 mm高后，重复喷浆搅拌下沉、提升，下沉、提升速度按设计要求进行。保证桩身质量。

6) 清洗

施工完成后，提升钻杆及钻头，进行低压射水，清洗管路中的残浆和桩头软土。

7) 移位

钻机钻头提升出地面后，钻机移位至下一桩位，按上述步骤进行下一根桩的施工。

6 试桩施工效果及出现问题的分析与解决

质量检测单位采用钻芯法对试验桩进行质量检查，发现桩身完整性存在问题，表3为试验桩质量检查结果。

表3 试验桩质量检查

6.1 出现质量问题原因分析

1) 淤泥层不合格原因分析为搅拌提升和下层速度过快，搅拌不均匀。

2) 粘土层土体塑性指数大，且为进行砂置换，水泥浆液和粘土搅拌不充分，结合性差，导致桩身完整性差。

3) 砂卵砾石层成桩效果差，多处未发现完整芯样，分析为该地层地下水较丰富，水泥浆液在固结前被地下水稀释，无法形成完整桩身。

6.2 解决方案

1) 控制水泥搅拌桩下沉和提升速度，搅拌桩钻进速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。

2) 仍然采用四搅四喷施工工艺，但在粘土层加1次搅拌次数，采用如图2示意的“六搅六喷”施工工艺。

图2 六搅六喷施工工艺示意

3) 砂卵砾石层地下水较丰富，经再次试桩确定在水泥浆中添加水玻璃，加快水泥搅拌桩成桩速度，水玻璃掺量通过2次试桩确定。同时辅以轻型真空井点降水，降低地下水位。

6.3 第2次试桩

第2次试桩同样进行9根试验桩施工，分3组，每组3根，水泥参量、钻进和提升速度按第1次试桩参数控制，水玻璃参量按3‰、4‰、4.5‰进行试验，粘土层全部采用六搅六喷，其他施工工艺不做调整。

6.4 试桩成果

试桩施工28 d后，质量检测单位对试验桩进行钻芯法检测，根据检测结果，选用工程桩施工参数为：水泥用量为93.25 kg/m，水灰比为0.55，水玻璃参量为4‰，采用四搅四喷施工工艺(粘土层采用“六搅六喷”施工工艺)，下钻速度不大于1.2 m/min，提升速度不大于0.8 m/min。图3为试桩钻芯法检测芯样。