水泥搅拌桩在软基处理中的应用

郭讨论

广州市第三市政工程有限公司 广东 广州 510060

软基是指土质状况较差、不宜直接进行建筑物地基的地层，常常存在着沉降、变形等问题。在建筑工程中，软基处理一直是施工建设中的难题，涉及到建筑物的稳定性和安全性。传统的软基处理方法包括加固地基、增加地基承载力等，但这些方法往往成本较高，时间较长，且不一定能取得理想的效果。水泥搅拌桩作为一种新型的地基处理方法，因其具有施工方便、施工速度快、造价低廉、环保等优点，在近年来得到了广泛的应用和研究。本文将探讨水泥搅拌桩在软基处理中的应用，以期为工程实践提供一定的参考价值。

1 水泥搅拌桩的原理与特点

1.1 搅拌桩的概念和分类

水泥搅拌桩是一种用于改良软土地基的地基处理技术，采用钢筋混凝土搅拌桩作为改良体，通过将水泥、砂、石等材料与软土混合，达到加固土体的效果。根据搅拌桩的结构和作用方式，可以将搅拌桩分为圆柱形搅拌桩、方形搅拌桩、砂浆搅拌桩和带钢筋搅拌桩。圆柱形搅拌桩是最常见的一种搅拌桩类型，其直径通常在0.6-1.2m之间，长度可达10-30m。圆柱形搅拌桩由混凝土和搅拌桩机械在地下混合而成，可以改善软土地基的强度和稳定性。方形搅拌桩是近年来出现的一种新型搅拌桩，其主要特点是横截面呈正方形或长方形，相对于圆柱形搅拌桩具有更大的侧向摩阻力和承载能力。方形搅拌桩适用于软土地基的加固、桥梁支撑、基础加固等工程。砂浆搅拌桩是一种采用水泥砂浆替代混凝土作为搅拌桩材料的搅拌桩类型。相对于混凝土搅拌桩，砂浆搅拌桩更加便捷、经济，适用于一些小型工程和软土地基的改良。带钢筋搅拌桩是在搅拌桩的施工过程中，通过将钢筋根据设计要求布置在桩体内部，形成一定的纵向和横向承载能力。带钢筋搅拌桩具有较好的抗震和抗拔能力，适用于软土地基、多荷载工程和高层建筑等工程。

1.2 搅拌桩的施工工艺和参数

搅拌桩施工的工艺过程包括：选址勘探、钻孔、注浆、搅拌、振捣、成桩和养护等步骤。其中，搅拌是搅拌桩施工过程中最核心的工艺环节。搅拌时，通过将搅拌机沿着钻孔的轴线不断旋转并向下推进，将软土与水泥、砂、石等材料混合搅拌，形成一根整体的搅拌桩。搅拌桩的施工参数包括桩径、桩长、搅拌桩机的功率和搅拌时间等。桩径通常在0.6-1.2m之间，桩长可达10-30m不等。搅拌桩机的功率通常在150-300kW之间，搅拌时间视地基的情况而定，一般在5-15min左右。此外，搅拌桩的施工参数还包括水泥用量、砂用量、石用量和水灰比等。水泥用量通常为200-400kg/m3，砂用量为400-600kg/m3，石用量为800-1200kg/m3，水灰比为0.3-0.5。同时，还需要注意施工质量控制，包括搅拌桩的强度、密实度和水泥的充填率等指标[1]。

1.3 搅拌桩的强度与变形特性

搅拌桩的强度一般采用静载试验进行测定，而变形特性主要采用固结试验和动力触控试验等方法进行分析。从强度方面来看，搅拌桩的强度与桩径、桩长、水泥用量、砂用量、石用量等因素有关。通常情况下，搅拌桩的强度随着水泥用量和石用量的增加而增加，但是随着搅拌时间的增加会出现先增加后减小的趋势。研究表明，对于一般软土地基，搅拌桩的单桩承载力可达1000-3000 kN，抗剪强度可达40-100 kPa。从变形特性来看，搅拌桩的变形主要包括沉降和收缩两个方面。沉降主要是由于软土在搅拌桩周围形成一个较为坚实的环带，导致桩周土体的固结和沉降。收缩则是由于桩周土体的压实和水泥的硬化引起的体积收缩。研究表明，随着搅拌桩的施工时间的延长，沉降量逐渐减小，而收缩量则逐渐增大。此外，搅拌桩的变形特性还与地基土性质、地下水位、周边环境等因素有关。

2 水泥搅拌桩在软基处理中的应用

2.1 搅拌桩与传统软基处理方法的比较

首先，搅拌桩可以在较短的时间内形成一根整体的改良体，因此可以快速改善软土地基的工程性质，缩短施工周期。传统的软基处理方法，如挖土换填、加筋土等，需要耗费较长时间和大量的人力物力，施工周期较长。其次，针对不同的软土地基采用不同的施工参数和搅拌材料，从而实现更加精确的地基改良效果。而传统的软基处理方法则通常采用相同的施工方法和材料，改良效果相对不稳定。此外，搅拌桩施工不受季节和天气等因素的限制，可以在任何时候进行施工，同时施工过程中对环境和周围建筑的影响较小。传统的软基处理方法，如加筋土等，往往需要在干燥的天气条件下进行施工，对环境和周围建筑的影响较大。

2.2 搅拌桩对软基的改良效果分析

从强度和变形两个方面来看，搅拌桩可以显著改善软土地基的工程性质，提高地基的承载力和变形特性。从强度方面来看，搅拌桩可以增加软土地基的剪切强度和抗压强度。搅拌桩在施工过程中通过将软土与水泥、砂、石等材料混合搅拌，形成一根整体的搅拌桩，这样就可以增加软土的强度，提高其承载力。同时，搅拌桩的强度也受到材料的选择和施工参数的影响。因此，合理选择搅拌材料和施工参数可以进一步提高搅拌桩的强度。从变形特性来看，搅拌桩可以显著减小软土地基的沉降和收缩。搅拌桩通过将水泥、砂、石等材料与软土混合搅拌，形成一种新的土体结构，可以提高软土的抗压性和刚度，从而减小软土地基的沉降和收缩。研究表明，搅拌桩在软土地基的改良中具有较好的沉降控制效果，可以将沉降控制在合理的范围内。

2.3 搅拌桩在不同软土地区的适用性探讨

搅拌桩作为一种新型的软基处理技术，其适用性取决于软土地区的土质特征、地下水位、环境条件等多方面因素。在软粘土地区，搅拌桩的适用性较好。这是因为软粘土地区的土层比较厚，土性相对均一，而且粘聚力较大，可以很好地与水泥、砂、石等材料混合搅拌，形成稳定的改良体，提高地基承载力和变形特性。在软砂土地区，搅拌桩的适用性相对较差。这是因为软砂土地区的土层较薄，土性松散，容易形成大孔隙和松散层，不利于搅拌桩的施工和稳定性。因此，如果需要在软砂土地区使用搅拌桩进行地基加固，需要对地层情况进行详细勘探和分析，采用合适的施工参数和材料进行施工。在泥质地区，搅拌桩也具有一定的适用性。泥质地区的土性比较复杂，容易受到地下水位和环境因素的影响，但是搅拌桩可以通过混合土体，提高其强度和稳定性，从而达到改良地基的目的。

3 水泥搅拌桩在软基处理中的应用实例

3.1 工程概况

珠海市金湾区红旗水质净化厂工程设计采购施工（EPC）总承包工程为新建市政污水处理厂、市政桥梁、道路等项目，其功能主要是为了减轻污水对城市环境的影响以及对周边流域的危害，改善投资环境；同时，改善项目片区的排水和环境状况，为区域人民群众生命财产安全和经济社会的可持续发展提供有利保障。本项目工程包含两小一大共三个深基坑，开挖深度为4.1～9.35m，深基坑采用旋挖钻孔灌注桩作为基坑围护体系，泥浆护壁，基坑外采用双排D800水泥搅拌桩作为止水帷幕，坑内采用水泥搅拌桩加固被动土区域；基坑内设置两道支撑及格构立柱。开挖深度4.1～9.35m，其中三级生物滤池最深，标高为-6.85m，场地标高为+2.0m。

3.2 工艺及要求

1、本工程Φ800搅拌桩桩位垂直偏差不得超过1.0%，桩位偏差不得大于50mm，桩径偏差不得大于2%。2、水泥搅拌桩的固化剂掺入量应从现场取土根据设计要求的立方体抗压强度进行试配确定，综合基坑坑内D800加固搅拌桩水泥掺量为180kg/m，坑外D800止水搅拌桩水泥掺量为208kg/m；反冲洗泵房及清水池、反冲洗废水池基坑坑外D800搅拌桩水泥掺量为208kg/m，坑内D 5 0 0 搅拌桩水泥掺量为60kg/m；出土车道D800搅拌桩水泥掺量为180kg/m；塔吊基础D800搅拌桩水泥掺量为163kg/m。为提高水泥土强度，可等量替换掺入水泥质量1%的水玻璃。3、必须保证桩与桩的搭接质量，其搭接时间不应大于24小时，如果间隙太长应采取局部补桩或注浆措施[2]。4、止水桩成桩深度必须穿过砂层1m，坑内加固搅拌桩空桩较长，空桩部分快速下钻和提升，止水单轴搅拌桩和坑内加固搅拌桩错开施工。5、施工前，应查明是否有地下管线，若有则应先将使用中管线移位，如果废弃不用的管线则清除，此外应清除地下障碍物（如建筑旧基础，树根等）。

3.3 施工工艺

定位桩机：

将深层搅拌机移至预定的桩位置，确保双向垂直对中。调节机器主体，保持设备水平并使搅拌轴保持垂直状态。

桩成型：

（1）浆液搅拌下降：根据设计的配合比准备水泥浆，倒入料仓或储罐中。使用输浆软管将料仓与搅拌桩机连接，启动灌浆泵，待钻头出浆后，开启电机，使搅拌机顺导向架切土下沉。通过电流监测表控制喷浆的下沉速度，工作电流不应超过额定值。同时进行喷浆。

（2）浆液搅拌抽升：在深层搅拌机下沉至设计深度后，留在孔底搅拌喷浆30秒，然后反转搅拌头，匀速上升搅拌并喷入水泥浆液，直到达到设计桩顶高度。

（3）再次搅拌下降至设计深度：进行第二次浆液搅拌下降至预定深度。

（4）再次浆液搅拌抽升至孔口：将搅拌头再次抽升至设计桩顶高度。关闭灌浆泵，料仓或储罐中的水泥浆应完全排空。

关闭搅拌机并清洗：桩成型后，清除搅拌叶片上的土块和喷浆口。若暂停施工，需立即向料仓中注入适量清水，并开启灌浆泵，将管路中残留的水泥浆冲洗干净。

转移到下一个桩位置：移动搅拌桩机至下一个位置，按照前述步骤完成下一根桩的施工。

3.4 施工方法

基坑采用双排搅拌桩作止水帷幕，桩径500@350mm普通单轴搅拌桩止水帷幕。根据设计图纸对搅拌桩进行编号，水泥搅拌桩有效桩长为20m。具体如图1所示。

图1 500@350mm水泥搅拌桩止水帷幕大样图

3.4.1 水泥搅拌桩施工技术措施

（1）深层搅拌机的定位：将深层搅拌机放置在指定的桩位上，并进行对中操作。如地面不平，使用搅拌机的液压平衡装置保持吊装设备水平。

（2）搅拌机预下沉：在深层搅拌机冷却水循环正常后，开启搅拌机电机，松开吊索，让搅拌机沿导向架切土下沉。下沉速度可通过电机电流监测表控制，工作电流不宜超过70A。若下沉速度过慢，可通过输浆系统补充清水以便钻进。

（3）水泥浆制备：当深层搅拌机下沉至一定深度时，根据设计配合比开始制备水泥浆（使用PO42.5普通硅酸盐水泥，每米用量为208Kg）。在压浆之前，将水泥浆倒入集料斗。

（4）喷浆搅拌提升：搅拌机下沉至设计深度后，启动灰浆泵将水泥浆压入地基中，边喷浆、边旋转，并严格遵循设计规定的提升速度。

（5）上、下搅拌重复：当搅拌机提升至设计深度顶面标高时，集料斗中的水泥浆应排空。为使软土与水泥浆充分混合，可再次将搅拌机旋转并下沉至设计加固深度，然后将搅拌机提升至地面。采用四喷四搅工艺，喷浆搅拌时钻头提升或下沉速度应≦0.5m/min，压浆速度与钻头提升或下沉速度相协调，确保桩身长度范围内浆量分布均匀[3]。

3.4.2 试桩及施工工艺

（1）施工前应进行工艺性试桩，确定施工技术参数，如钻进深度、输浆量、水灰比、掺入量、搅拌轴转速和提升速度等。

（2）水泥搅拌桩固化材料建议选用42.5R普通硅酸盐水泥。水泥浆液水灰比应根据工程地质条件通过试验确定，一般为0.5～0.6。水泥搅拌桩采用单轴搅拌桩，实施四搅四喷的施工工艺。

（3）施工过程中采用四喷四搅工艺,钻头提升或下沉时全桩搅拌一次为“一搅”，提升或下沉时全桩喷水泥浆一次为“一喷”。具体施工工艺可根据现场试桩检测结果进行调整。

（4）水泥搅拌桩的固化剂掺入量应从现场取土根据设计要求的立方体抗压强度进行试配确定，综合基坑坑内D800加固桩水泥参量为180kg/m，坑外D800止水桩水泥参量为208kg/m。反冲洗泵房及清水池、反冲洗废水池坑外搅拌桩水泥参量为226kg/m；D500水泥搅拌桩水泥参量为60kg/m。坑外D800搅拌桩水泥掺量为208kg/m；出土车道D800搅拌桩水泥掺入量为180kg/m。为提高水泥土强度，可等量替换掺入水泥质量1%的水玻璃。

（5）在搅拌过程中，使用线锤确保搅拌机的垂直度，不允许超过1%的倾斜度。严格监控放线和桩机的误差，确保桩位置偏差在50mm以内，且桩径偏差不超过2%。定期检查并焊接搅拌钻头，以满足搅拌桩桩径偏差不大于设计要求。

（6） 为了确保桩端施工质量，建议在桩座底部喷射浆液至少30秒，确保浆液充分到达桩底。接着，均匀搅拌并提升至桩顶设计标高，搅拌几秒钟，以保证桩头的均匀密实性。

（7）施工过程中如遇停浆情况，将搅拌轴下沉至停浆点以下的0.5米处，待恢复供浆后再喷浆提升。若停机时间超过1小时，为避免浆液硬化堵塞管道，应拆除输浆管路并进行彻底清洗。

4 结语

本文主要对水泥搅拌桩在软基处理中的应用进行了探讨，总结了搅拌桩的概念、分类、施工工艺和参数，分析了搅拌桩的强度和变形特性，比较了搅拌桩与传统软基处理方法的差异，探讨了搅拌桩在不同软土地区的适用性。并且对珠海市金湾区红旗水质净化厂工程设计采购施工总承包工程，发现成桩28d后，进行搅拌桩抽芯检测。检验数量为施工总桩的1%，且不少于3根。但是，由于不同软土地区的土性特征不同，搅拌桩的适用性也有所不同，需要在实际应用中进行详细勘探和分析，选择合适的施工参数和材料，从而达到最好的改良效果。