砂桩对水泥土搅拌桩成桩效果影响分析

蒋惠雄 江门市新会区水利综合服务中心

我国滨海地区软弱地基分布广泛，土质类型主要有淤泥及淤泥质土等。软弱地基物理力学性质差，具有高度压缩性，地基承载力较低，其承载能力难以满足工程建设的需要。提高软弱地基承载能力的方法一般有预压法、预制管桩、钻孔灌注桩、水泥土搅拌桩等，滨海地区在工程项目对沉降无严格要求情况下，很多选用了水泥土搅拌桩对软弱地基进行处理，使其形成复合地基，在一定程度内提高地基承载能力。但水泥土搅拌桩存在一定的缺点，比如成桩效果难以保证，许多工程项目在进行水泥土搅拌桩设计时加入了砂桩，试图改善其成桩效果。

1.砂桩结合水泥土搅拌桩的设计原理

1.1 砂桩的原理

砂桩属于散桩体复合地基的一种，根据施工方法的不同分为挤密砂桩和振密砂桩，用振动或冲击荷载在软弱地基中成孔后将砂再挤入土中，形成大直径的密实砂桩体的加固地基方法。其加固地基的原理是在成桩过程中通过振密、挤密周边土层，提高松散砂土、粉土地基的承载力。国内外也有一些工程项目用砂桩来处理软弱粘性土，试图通过利用砂桩的置换作用和排水固结作用提高软弱土层的稳定性。砂桩在软弱地基中可以形成砂桩复合地基，堆载预压后进一步提高复合地基的承载力，减少地基沉降量，并提高地基的整体稳定性[1]。

1.2 水泥土搅拌桩的原理和优缺点

水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂，利用施工机械在地基深处就地将软土和水泥或水泥浆液强制拌和，使其在土体中形成具有一定性能和形状的固结体，并与桩间土形成复合地基，提高地基的强度和增大变形模量。

但因为我国滨海地区的软弱土层多为淤泥和淤泥质土，土层含水量大，水泥土搅拌桩在软弱土层中的凝固时间一般较长，对施工工期的影响较大，增大了在建水利工程项目的度汛压力；同时水泥土搅拌桩是水泥和土在地基深处就地拌和形成，属于隐蔽项目，成桩受土质、水泥掺入量、施工工艺等影响，成桩的效果难以保证。

1.3 砂桩结合水泥土搅拌桩

在进行水泥土搅拌桩进行软弱地基处理前，先对其进行砂桩处理，改变和优化地基土的物理力学性能后进行水泥土搅拌桩施工，加快搅拌桩的凝固时间，改善水泥土搅拌桩的成桩效果。

2.砂桩结合水泥土搅拌桩的具体应用

2.1 项目概况

某水闸新建项目位于珠江水系潭江左岸的一级支流，河道最大宽度242m，闸址距离河口约280m，工程区属于冲积平原地貌。拟建水闸为内河水运航道上的通航建筑物，集通航、防洪、排涝、挡潮于一体的综合性水利工程。水闸通航孔居中布置，共2孔，常规水闸共4孔，布置在通航孔两侧，总净宽80m。

2.2 地质勘查情况

在拟建水闸闸址布置勘探钻孔11个，根据钻孔揭露，闸基地层从上至下分别为①层人工填土层、②-1粉质粘土层、②-2淤泥层、②-3粘土层、⑤-1粉砂层、⑤-2中粗砂层、⑤-3含卵石砾砂层、⑤-4圆砾层。根据闸室段勘探资料，拟建水闸闸室、护坦及两岸翼墙为10.6～18.8m厚的②-2淤泥，层底高程为-20.9～-11.89m，该层为高压缩性土，低强度、高灵敏度和微透水性，为不良闸基土，不宜做天然地基持层。淤泥土的物理力学指标粘聚力在4～5Kpa，内摩擦角介于1.3～2.30之间，压缩系数在1.845～2.732之间，压缩模量在1.325～1.535MPa之间，天然含水率w=34%～121.8%，有机质含量在2.06～2.74%之间，小于5%。

2.3 水闸地基处理方案

拟建水闸闸基高程为-4.1m，置于淤泥层上，水闸地基淤泥层深厚，承载力特征值区间为30～40kPa，远低于水闸计算所需的地基承载力，未经处理不能做天然地基基础。经过比较借鉴本地区水闸地基处理的经验，拟采用能适应地基变形、造价较低的水泥土搅拌桩进行处理，同时考虑加入砂桩，尝试改善水泥土搅拌桩成桩效果。

为检验加入砂桩对水泥土搅拌桩成桩效果的影响情况，更好的确定水泥土搅拌桩地基加固的技术参数，设计2 种不同的地基处理方案进行成桩试验。方案一为砂桩结合水泥土搅拌桩地基处理方式，砂桩直径600mm，桩间距1500mm，水泥土搅拌桩直径600mm，桩间距1500mm，施工顺序为先振动施工砂桩后施工水泥土搅拌桩。方案二为纯水泥土搅拌桩地基处理方式，水泥土搅拌桩直径600mm，桩间距1500mm。试验桩的桩长为20m左右，分别在28d和60d龄期条件下，对试验桩体进行全长钻探取芯，并进行无侧限抗压强度试验。

2.3.1 设计参数

砂桩结合水泥土搅拌桩采用湿喷的施工方法，工艺采用四搅四喷，水泥掺入量有90（kg/m）、110（kg/m）、120（kg/m）3种，水灰比0.45～0.50，每种水泥掺量下共2根试验桩，搅拌桩穿透淤泥层。纯水泥土搅拌桩处理方案同样采用湿喷的施工方法，工艺采用四搅四喷，水泥掺入量有90（kg/m）、110（kg/m）、120（kg/m）3种，水灰比0.45～0.50，每种水泥掺量下共2根试验桩，搅拌桩穿透淤泥层。

2.3.2 试验施工工艺

搅拌杆下沉速率为0.4～0.7m/min，提升速度为0.3～0.5m/min，转速不小于50转/min，10m的搅拌桩的施工时间不小于40min。通过控制提升速度分层加固软土，提升速度纯淤泥段尽量取小值，砂层可取大值，水泥浆泵出口压力保持在0.4～0.6Mpa，并应使提升速度与输浆速度同步，不得离析，泵送保持连续。

施工时保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直，搅拌桩的垂直偏差不超过1%；桩位偏差不大于50mm；搅拌浆液的数量、水泥用量和泵送浆液的时间等及时做记录，严格控制水泥用量。因故停浆，应返回到停浆点以下0.5m，待恢复供浆时再喷浆提升。停机3小时以上，应拆洗管路，正常后重新施工。要求桩径和桩长不得小于设计值。搅拌桩施工时观察、记录地表返泥浆情况，施工后第2天实测返浆的体积后，立即清除表面返浆。

2.4 成桩工艺

搅拌桩成桩工艺效果通常采用成桩连续性和单轴抗压强度两个指标来衡量，图1所示为搅拌桩成桩工艺流程图。通过外观鉴定桩身连续性，有无缩颈及松散情况，搅拌是否均匀；钻孔抽芯进行单轴抗压强度的检测，本次抽芯龄期采用28d，抽芯机械为XY-1A-4型油压高速钻机。

图1 搅拌桩成桩工艺流程图

总体来看，水泥土搅拌桩成桩连续性评价多为一般，砂桩结合水泥土搅拌桩成桩连续性评价多为差，外观鉴定水泥土搅拌桩优于砂桩结合水泥土搅拌桩。抽芯强度两种桩型持平，但水泥掺量120kg/m的水泥土搅拌桩抽芯强度离散性较低。

2.4.1 砂桩结合水泥土搅拌桩成桩工艺

水泥掺量为90kg/m的桩体，外观鉴定芯样胶结一般，呈柱状、块状，局部松散，搅拌不均匀，连续性差；抽芯强度随桩身变化，分布较离散，最大值达到2.5MPa，桩深4-10m范围抽芯强度较高，约1.3MPa～2.5MPa，桩深10m以下桩身强度较低，基本在0.5MPa以下，最小0.14MPa。

水泥掺量为110kg/m的桩体，外观鉴定芯样胶结一般，呈柱状、块状，局部松散，搅拌不均匀，连续性差；抽芯强度随桩身变化，分布离散型较高，最大值达到1.46 MPa，最小值仅有0.02 MPa，桩身上部4m强度在1.0 MPa以上，6～20m范围内强度较低，除局部有0.5～0.8 MPa，其余强度整体在0.2MPa以下。

水泥掺量为120kg/m的桩体，外观鉴定芯样胶结一般，呈柱状、块状，局部松散，搅拌不均匀，连续性差；桩身4～8m范围内抽芯强度随桩深分部较离散，且随桩深快速降低，8～20m范围内分部较均匀，但整体强度较低，最大0.47 MPa，最小0.09 MPa。

2.4.2 水泥土搅拌桩成桩工艺

水泥掺量为90kg/m的桩体，芯样基本完整，坚硬，搅拌基本均匀，呈柱状，部分呈块状，连续性一般；抽芯强度离散型较高，最大1.15 MPa，最小0.02 MPa，3～8范围基本无强度，8m桩深以下强度基本在0.4 MPa以下。

水泥掺量为110kg/m的桩体，芯样基本完整，坚硬，搅拌基本均匀，呈柱状，部分呈块状，连续性一般；抽芯强度在桩深3m以上强度较高，最大2.45 MPa,3m以下强度在0.02～0.58 MPa。

水泥掺量为120kg/m的桩体，芯样基本完整，坚硬，搅拌基本均匀，呈柱状，部分呈块状，连续性一般；抽芯强度除局部降低，最小值0.14MPa，其余强度在0.71～1.98 MPa之间。

3.砂桩对水泥土搅拌桩成桩效果影响分析

3.1 效果影响分析

通过两种不同桩型的对比试验，在本次试验中砂桩对搅拌桩成桩效果没有体现出明显的改善和提高作用。分析其原因主要有：

（1）砂桩成桩质量难以控制。砂桩一般适用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基，本项目加入砂桩主要用于淤泥层地基，砂桩在地层太软弱部位容易出现缩颈、扩颈、沉降、塌孔等现象。加上项目方案中砂桩用相对密度作为质量检测参数，具体施工中用总灌砂量来控制，实际上淤泥地基吃砂量大，砂桩可能难以成桩或密实，砂桩最终成桩效果如何难以判断和保证，套打水泥搅拌桩后成桩质量效果没有真正得到改善[2]。

（2）砂桩实际上没有起到排水固结作用。项目地基淤泥层深厚，含水率高，砂桩周边土地的水分由于砂桩的加入，形成了渗水通道，水分聚集在桩体周围排出，振动式砂桩打入后未进行静置和抽降水措施，导致砂桩加快地基排水固结的作用没有体现，地基土层含水量没有降低，对成桩效果的正面影响性没有显现出来，外观连续性不如预期[3]。

3.2 改善砂桩影响效果的建议

（1）尽量保证砂桩的质量。可以控制每段砂桩的灌砂量，尽量保证成桩后桩的直径达到设计要求，桩管拉拔时不宜太快，保证桩身连续性。

（2）减少对桩体的扰动。建议采用后退式制桩方法，从中间向外围施工，这样可以在制桩结束后减少对桩体的扰动。

（3）要做好抽排水工作。砂桩形成后有了良好的渗水通道，周围土体中的水分向砂桩聚集，要做好基坑中特别是桩体所在处的抽排水措施，加快砂桩处水体的排出，让土体有排水固结的过程，减少土层含水量，可以加快搅拌桩桩体的凝结，从而改善其成桩质量。

4.结语

许多水利工程建设项目比如泵站、水闸等很多选用水泥土搅拌桩进行地基处理，使其形成复合地基，提高基础承载力。其施工方法较为简单，但成桩质量难以保证，因此加入砂桩以改善成桩效果。工程实践中也有不少砂桩结合水泥土搅拌桩的成功案例，但是在项目具体应用过程中，不可盲目偏信砂桩对改善水泥搅拌桩成桩效果的改善作用，应该分析不同项目的适用性，在正式施工前宜通过试验选择经济、合理的基础处理方式。