采用三轴搅拌桩构建止水帷幕中的质量控制分析

2022-08-30胡福洪胡翔宇

四川建材 2022年8期

陈锋，胡福洪,胡翔宇

(1.武汉地质勘察基础工程有限公司，湖北武汉 430000; 2.武汉轻工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023)

0 前言

随着我国工程建设的不断加快，桩基工程中采用搅拌桩构建止水帷幕正得到越来越广泛的应用，施工原理主要是利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌均匀，使水泥与土体发生一系列物理、化学反应，待稳定固结后提升土体强度，形成工程结构可以有效抵抗基坑周围土体变形和地下水的渗入。三轴搅拌桩具有成桩效率高、成桩效果好的特点，相关研究显示二轴搅拌桩成桩效率不到三轴搅拌桩的1/6，然而工程中所需要面对的复杂地质条件(尤其是水文地质条件)和施工工艺流程仍然是三轴搅拌桩施工中的难点，对施工质量进行有效控制显得尤为迫切，这不仅关乎成桩质量，甚至可能决定整个桩基工程的成败。

1 工程概况

武汉市永清片综合发展项目B10地块桩基及基坑支护工程是我司的重点工程，由武汉瑞安房地产发展有限公司开发。本项目由1栋高度为170 m的住宅、2～5层的商业裙楼和3层地下室组成。基坑开挖深度为13.3～14.6 m。四周采用地下连续墙的围护结构，分两个区域施工，中间采用隔断桩并运用三轴搅拌桩止水帷幕。

2 成桩质量影响因素

三轴搅拌桩施工要经历一系列复杂的工艺流程：首先在搅拌机进场前需要进行场地平整，使路基承载力满足重型桩机平移进场和稳定工作的要求；然后按照提供的坐标基准点进行放样定位和高程引测工作，并且做好永久及临时性标志；接着按照基坑尺寸及工程要求，用挖土机开挖沟槽，若遇地下障碍物应该及时清理，开挖沟槽余土及时处理，避免造成施工障碍，给边坡带来安全隐患；最后进行三轴搅拌桩定孔定位及搅拌桩施工。施工中的每一个流程都将对成桩质量造成间接或直接的影响，笔者根据前人研究及工作经验，结合自身在施工现场遇到的一些问题，经过多次与小组人员讨论，集思广益，从施工中的环境、人员、机具、材料和工艺这些方面出发，分析并提出了三大可能对成桩质量造成影响的因素。

1)软土含水率及水泥使用。含水率、有机质含量和软土土质作为土的重要参数对搅拌桩有不同程度的影响，含水率越大、黏土矿物及有机质含量越高，土质越软、土工程强度越低。掺入水泥形成水泥土通常作为改善土体强度的有效方法，土的含水量多少直接关系到水泥的使用量。相关研究揭示了水泥土强度与软土含水率以及水泥掺入量之间的关系(见图1)[1]，当水泥掺入比(Cw)小于15%时，水泥土的无侧限抗压强度随土中的含水率的增大而降低，由于水泥掺入比较小，水比水泥更容易进入土壤颗粒之间的空隙，从而导致水泥强度逐渐降低；当水泥掺入比大于15%时，水泥土的无侧限抗压强度随含水率的增加先增大后减小，即土的含水率存在最优值，该最优值使水泥浆具有较好的流动性，易于进入土壤颗粒，使其强度增加；而一旦含水率超过最优值，含水率的进一步增加将使水泥中有效成分的浓度降低，影响水泥性能，从而使强度降低。不难看出，在现实施工过程中，土的含水率将在一个变化不大的范围内波动，针对高含水率的土，为了增加其工程强度，增加水泥的掺入量依然为有效的方法，含水率极高的土，除了增加水泥掺入量，还可以调整水泥配合比，增加木钙、生石膏粉及粉煤灰等添加剂使水泥土强度达到工程要求。

图1 水泥土强度与软土含水率及水泥掺入量之间的关系(图中Cw表示水泥掺入量)

2)钻进与提升速度。搅拌头钻进与提升速度直接影响水泥土拌和均匀程度和成桩质量。钻进速度应适当提高并保持稳定，根据不同土层可以做出相应的调整。在搅拌桩钻进的过程中，下钻、复搅、提升速度均要比常规要求的快一些。如果钻进速度过慢，可能导致施工过程中出现的成桩、翻淤和翻灰等工程问题，从而导致工程成本增加、工效降低、施工周期延长，甚至对工程质量产生影响。但是钻进速度过快可能导致憋钻，造成机具损坏。提升是钻进的逆过程，提升速度过快可能导致搅拌体不均匀或出现无水泥浆拌的情况发生。在保持施工机械正常且稳定运行的情况下，应尽量提高搅拌机转速，降低提升速度，边搅拌边匀速提升，确保单位时间内的注浆量基本相等，还可以采用一次喷浆几次补浆或者重复搅拌的施工工艺。由此可知，提升速度的选择异常关键，过快可能使工程质量出现问题，过慢则施工效率低下，根据目前国内搅拌桩的施工现状，钻头提升速度以0.8～1.2 m/min为宜[2]。

3)注浆工艺。对注浆工艺来说，在搅拌桩注浆过程中应注意以下方面[3]：①出浆口位置不应选择在搅拌轴上，这样将使浆液多集中在喷浆口的桩轴附近，叶片外缘缺浆，使搅拌不均匀，因此出浆口位置宜设置在搅拌叶中部；②采用下沉注浆可能因土体不均匀引起浆液在土中的分配不合理，待首次下沉、土体完全被搅碎之后，应变下沉注浆为提升注浆，注浆速度要与钻杆提升速度相匹配；③提升速度偏快、叶片数量偏少、搅拌轴上下循环次数不够将导致水泥土搅拌不足、稳定性与结构强度不够，为此可以采用增加注浆次数和循环提升注浆的方法，使土与水泥浆充分混合，以达到良好的效果。

3 成桩质量控制

由上文分析的成桩质量影响因素可知，在选用搅拌桩作为止水帷幕构建方法之前，应该先对工程地质条件进行研究，搞清地下土质及地层分布情况和水文地质特征。

施工场地属于长江Ⅰ级阶地地貌，地势变化较小。本次勘察的野外钻探、原位测试及室内土工试验资料显示，场地表层分布有建筑杂填土(Qml)，厚度约为0～1.2 m，持力层为K-E砾岩、泥质粉砂岩，深度为45～57 m，介于持力层和表层杂填土之间，由下往上依次分布Q4al+pl砂土夹黏性土(深度8～45 m)、Q4al一般黏性土(深度1.2～8 m)。勘察期间测得其上层滞水稳定水位埋深为0.90～3.60 m，相当于绝对标高为21.30～24.20 m，在本场地通过上部隔水和抽水试验钻孔观测得承压水稳定水位埋深为8.50～9.99 m，相当于绝对标高15.00～16.27 m，场地内未测得基岩裂隙水水位。

依据工程地质特征及基坑设计施工需要，设计三轴搅拌桩桩长20.3 m，桩径为850 mm。由上文可知水泥掺入量应根据软土含水率和桩体强度要求合理选择，资料调研得知，武汉地区一级阶地黏性土天然含水率为31.4%～45.6%，同时考虑施工经济效益因素，设计水泥掺入量不少于20%，采用P·O42.5级普通硅酸盐水泥，在填土、淤泥质土等特别软弱的土中以及在较硬的砂性土、砾砂土中，水泥用量宜适当提高。钻头钻进与提升速度控制在1 m/min，遇软弱地层适当降低抬升速率。注浆工艺按照成桩质量影响因素中所涉及的注浆工艺要求严格完成，尤其注意搅拌速度和水泥土拌和均匀性。

由于施工场地紧邻长江，地下含水量丰富，一旦基坑开挖，易发生渗水、透水工程事故，因此本次三轴搅拌桩同时需要起到构建止水帷幕的作用，且甲方对止水帷幕要求严格，要求做到无漏水点。在前文所提及的三轴搅拌桩质量控制的基础上，为了保证工程质量和完成甲方要求，对武汉类似地区多个采用三轴搅拌桩构建止水帷幕的施工工艺基坑技术资料进行了分析与搜集，这些项目的工程地质环境及搅拌桩施工技术参数与本次施工选取的类似，相关资料见表1。

表1 武汉类似地区采用三轴搅拌桩构建止水帷幕相关资料

从武汉类似地区采用三轴搅拌桩构建止水帷幕的相关资料中不难看出，相关工程均出现了不同程度的开叉和渗漏，表明这一地区工程地质条件苛刻，地下含水丰富，用搅拌桩构建止水帷幕具有一定难度，给本次止水帷幕构建造成了不小的挑战。为了搞清导致三轴搅拌桩止水帷幕出现渗水和开叉等工程质量问题的原因，选取了开挖深度、接头方式、帷幕桩长和桩径大小这几个可能的影响因素进行分析，从表1中不难看出，接头方式和桩径大小(相对于设计桩径)对工程质量影响明显。以开叉点和漏水点为判别指标，进一步分析这两个主要因素分别对三轴搅拌桩止水帷幕的影响程度如何。将各个项目按接头方式分为套接和搭接，把这两种接头方式所构成的止水帷幕中的开叉点和漏水点个数统计制成直方图(见图2)，从图2中可以看出，采用套接方式构建止水帷幕的工程项目，开叉点和漏水点明显少于采用搭接方式构建止水帷幕的项目。同样的方法，将各个项目按桩径大小分为正常和偏小，把这两种桩径所构成的止水帷幕中的开叉点和漏水点个数统计制成直方图(见图3)，从图3中可以看出，桩径正常的止水帷幕工程项目，开叉点和漏水点明显少于桩径较小的止水帷幕项目。因此在施工的过程中，要采用套接一孔的接头方式，并严格控制搅拌桩桩径复合设计标准，在含水较多的地段，遇含水丰富的层系，可适当增加施工桩径。