堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比优化

温国栋，钱少璇，杨婷婷

（1.江苏天源建设集团有限公司，江苏 淮安 211700；2.江苏省盱眙县水务局，江苏 盱眙 211700）

三轴水泥土搅拌桩应用于水利水电、建筑、交通等工程，主要目的是有效解决双轴水泥土搅拌桩邻桩搭接不完全、成桩垂直度无法保证等技术问题。但三轴水泥土搅拌桩在工程应用中主要面临搅拌桩材料用量、水灰比和成桩质量控制等问题，现行规范中对搅拌桩水灰比的规定并不统一，对搅拌桩强度的争议也较大[1]。为此，本文依托具体的堤防除险加固工程进行成桩试验，探讨三轴水泥土搅拌桩水灰比优化及强度控制问题。

1 工程概况

盱眙县淮河干流滩区城根滩堤防薄弱段应急除险加固工程施工2 标（桩号9+000～16+440）包括堤防加固7.4km，堤防防渗处理7.44km，堤后填塘固基3.17×104m2，拆建大洲引水涵洞1 座，拆建坝拐排灌站出水池及穿堤涵洞，改造大洲排涝站出水口，配套工程管理与堤防巡查设施建设。设计防渗墙轴线沿城根滩圩堤现状堤顶布置，桩顶高程16.5m，桩底高程9～10.5m，水泥搅拌桩设计桩径0.5m，钻孔间距0.4m，搭接厚度约0.3m。为增强加固效果，达到支护、防渗或承载的目的，决定采用三轴水泥土搅拌桩其施工工艺。

为保证施工质量，必须在施工开始前通过成桩试验确定水泥浆水灰比、喷浆提升速度等施工参数取值及具体施工工艺。考虑到密封效果，水泥搅拌桩应设置连续型断面，并将相邻桩套接为一孔施工，邻桩搭接施工间歇控制在16h 以内，若因不可避免的原因而延误搭接施工，必须减缓搅拌速度，确保搭接质量。三轴搅拌桩施工期间，还应始终保持桩基底盘垂直于立柱导向架，并将立柱导向架垂直度偏差严格控制在1/250 以内。

2 施工原理及试桩方案

2.1 施工原理

三轴水泥搅拌桩以水泥为固化剂，借助三轴螺旋钻头进行地基土原位翻转及强制搅拌，切削土体后在下沉及提升搅拌的同时喷浆，并施加高压空气，保证水泥土充分搅拌。在搅拌土未完全固化前比重基本维持在1.5～1.6kg/cm3。三轴水泥搅拌桩施工工艺对环境影响小，施工过程中高压空气持续释放压力，可有效缓解施工对周围土体的侧向压力。本工程采用Ф850 三轴搅拌桩设备套接一孔法两喷两搅施工，并保证桩体范围内水泥搅拌均匀，桩体垂直度误差控制在1/200 以内。施工使用42.5 普通硅酸盐水泥，按照20%确定水泥掺量，水灰比按1.5 确定，墙体抗渗系数10-6～10-7cm/s，桩体28d 无侧限抗压强度至少为1.0MPa。

三轴水泥搅拌桩施工前必须全面探测施工区域地下生活垃圾、块石等障碍物并清理，此后分层夯实。第一批桩施工数量至少为3 根，并保证浆液水灰比、水泥投放量、泵送时间、搅拌桩沉降时间、桩长、垂直度等施工参数完全符合设计要求。桩体施工过程必须连续，通过套接一孔法施工，保证建成的水泥土搅拌墙具备可靠的防渗性能。注浆施工过程若因故暂停，并在恢复压浆前提升或下沉搅拌机0.5m，确保搅拌桩连续。邻桩搭接时间控制在12h 以内，若因特殊原因超出该时间，必须报经监理方及设计方同意后，在搭接处进行搅拌桩补施工。

根据相关规范，三轴水泥土搅拌桩施工时必须二喷二搅，前后两次喷浆的水泥用量分别控制在设计用量的70%和30%，待搅拌头沉降至设计标高后开启压浆泵，使浆液到达喷浆口，此后在搅拌且提升搅拌头的同时喷浆，提升速度必须连续、匀速，待将搅拌头提升至桩顶设计标高以上40cm 后将灰浆泵关闭，并将搅拌头沉降至设计标高。随即开启注浆泵，并实施二次喷浆、提升和搅拌。

2.2 试桩方案

试桩试验安排在该堤防工程场地东侧，选择采取套打连接方式的施工5 组Ф850@600 三轴水泥土搅拌桩，按照1.6 的水灰比和20%的水泥掺量、15m 的搅拌深度成桩。待达到一定强度后进行7d、14d、28d 动力触探试验、标准贯入试验、取芯强度试验、取浆强度试验[2]。试验布置具体见图1。

图1 试桩试验方案

根据相关规范及设计要求进行该堤防除险加固工程防渗三轴水泥土搅拌桩配合比确定及试桩。根据地勘资料，堤防加固段土密度取1.8t/m3，三轴搅拌桩设计长度为30m；为确保桩顶水泥土强度，必须按照设计高程+50cm 确定桩顶实际高程；压浆期间避免出现断浆、输浆管堵塞。拟定基础水灰比为1.5，则对应的水泥制浆量1.82m3/t，单幅桩所需要的浆液量为29.884m3。试桩配合比具体见表1。

表1 单幅防渗三轴水泥土搅拌桩配合比

在三轴搅拌桩试桩期间，当水灰比取1.5～1.6时，所对应的废浆量较大，现场所估算的废浆量高达7m3/幅，通过进一步考察该除险加固工程堤防工况条件发现，造成这种现象的原因主要是基坑内地下水位较高，所实际测得的地下水高程为-0.5m；堤防防渗桩在高程约+8.0m 的堤顶向下开挖施工，内外侧水位标高均值均达到+2.5m，堤身其余高度内则无地下水位补给。

结合6d 龄期静力触探试验检测结果，所检测得4 根三轴水泥搅拌桩均匀性比原状土明显改善，但是静力触探比贯入阻力曲线存在较大波动，均匀性一般；6d 龄期三轴水泥搅拌桩强度也比原状土有所提升，最大提升幅度为2.03 倍，堤防加固效果较为显著。

3 水灰比优化

按照设计，三轴水泥搅拌桩水泥掺量应至少为20%，并将基于理论计算所得到的水泥浆液29.884m3均匀掺入桩体内。但施工期间，水泥浆混合物返浆外溢现象较为明显，溢浆主要通过导流槽导入储浆坑，达到固化状态后外运弃置。这一情况会直接造成桩体水泥掺量达不到20%的要求，并会影响成桩质量。

结合调查，沉桩区域内地下水位较高，使得配置好的水泥浆液无法彻底融入待加固土体内，故应降低水灰比，从而在保证水泥掺量20%的情况下提升浆液配置浓度，控制浆液体积。笔者调查到的现行规范中所规定的水灰比具体有3 种：①《建筑深基坑工程施工安全技术规范》中所规定的三轴水泥土搅拌桩水灰比，具体见表2。②《建筑地基处理技术规范》所规定的固化剂应选用强度等级至少32.5 的水泥，单轴及双轴水泥土搅拌桩水泥掺量应为13%～15%，三轴水泥土搅拌桩水泥掺量应按照20%～22%控制；湿法水泥浆水灰比应确定为0.45～0.70，以保证其可喷性和施工的方便性。③《型钢水泥土搅拌墙技术规程》中将三轴水泥土搅拌桩水灰比规定在1.2～2.0，具体见表3。

表2 JGJ311-2013 所规定的三轴水泥土搅拌桩水灰比

表3 JGJ/T199-2010 所规定的三轴水泥土搅拌桩水灰比

结合笔者调查，市场上现有的三轴搅拌桩机供浆系统工作水灰比基本按照1.5～2.0 设计，如果调整水灰比，必须更换机械供浆系统，势必会增大工程造价。综合考虑后该除险加固工程决定采用《型钢水泥土搅拌墙技术规程》所推荐的水灰比下限，并将水灰比调整为1.2，据此计算，水泥制浆量达到1.52m3，单幅桩所需要的制浆量则降为24.959m3。调整后的配合比具体见表4。与原水灰比相比，在水泥掺量不变时，调整后的水灰比下总浆液量减少4.925m3，且每幅搅拌桩现场实测的废浆量仅为2m3。三轴搅拌桩施工结束28d后成桩质量检测结果显示，桩身强度、取芯率等均满足设计。

表4 调整后的单幅防渗三轴水泥土搅拌桩配合比

《普通混凝土配合比设计规程》规定，必须基于试拌配合比展开混凝土强度试验，并应在该规程所规定的试拌配合比之外，至少采用两种不同配合比，且这两种配合比的水胶比应在试拌配合比的基础上±0.05，砂率±1%。基于以上规定，还可以进行该堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比的进一步优化[3]。

此外，进行待搅拌土层含水量原位测定，并将此部分含水量纳入三轴搅拌水泥土水灰比计算。试桩过程中应依据经验确定水灰比，基于此再将水灰比增加±0.5，水泥用量不变的情况下调整用水量。在确保地基处理所需桩体强度及渗透系数的情况下进行水灰比试桩返浆量实测，并以返浆略微高出地面为准确定最有水灰比。针对所确定出的最小水灰比调整水泥用量后展开沉桩试验，并进行符合桩体强度与渗透系数的水泥用量确定，将合格保证率控制在95%及以上。混凝土配置强度按照下式确定：

式中：fcu,0—混凝土配置强度，N/mm2；fcu,k—混凝土标准抗压强度，N/mm2；σ—混凝土强度标准差，N/mm2。

4 结论

综上所述，该堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比降低后，堤防防渗加固效果明显提升，并使得水泥地基土充分水化，加固均匀性有保证，有效避免了原水灰比下用水量过多，浆液流失严重，前期固结速度慢等系列问题，浆液外溢及固体废物污染也得到有效遏制。虽然水灰比降低会因三轴搅拌桩机供浆系统的更换而增加工程造价，但是与所产生的工程效益相比，微乎其微。按照本文所提供的思路，还可以进行三轴水泥土搅拌桩水灰比的进一步优化，不断推动三轴水泥土搅拌桩施工工艺的发展和完善。