水泥土搅拌桩施工排土的计量与应用

吴争光，罗明亮，翟翠文，刘一鸣

(1.深圳市建筑工务署文体工程管理中心,广东 深圳 518000; 2.铁科院(深圳)研究设计院有限公司,广东 深圳 518000)

0 引言

水泥土搅拌桩是以水泥为主要固化剂在软土地基中搅拌、混合,就地成桩的软基处理方法,其广泛应用于机场、公路、铁路等领域的软基处理中。从水泥土搅拌桩成桩机理中可以看出,搅拌桩施工是在深层土层中就地搅拌,会对桩周土产生一定的扰动。目前各研究多针对水泥土搅拌桩施工产生挤土效应,导致周围土体的侧向位移、地表隆起及其控制措施等[1-8],均未涉及搅拌桩施工排土量的研究。

针对像机场等大面积搅拌桩软基处理工程,水泥土搅拌桩施工会产生大量的排土,图1为深圳某机场软基处理工程中搅拌桩施工排土现场图。对于像深圳等土方弃置困难的城市,排土引起的土方外弃会造成工程造价和工期的增加。因此,对于水泥土搅拌桩施工排土的准确计量是很有必要的。本文基于深圳某机场软基处理工程,采用理论计算、现场试验的方法研究水泥土搅拌桩施工排土的计量和处理,对类似工程具有一定的参考意义。

1 工程概况

工程位于深圳西部填海区,场地有较深厚的海积淤泥层,平均厚度超7.0 m。场地主要地层及其物理力学性质指标见表1。该工程设计水泥土搅拌桩复合地基处理面积近68万m2,搅拌桩施工总长度达380万延米。

表1 主要地层物理力学性质指标

在深圳以往的软基处理工程中,搅拌桩复合地基普遍采用直径D550 mm或D600 mm的水泥土搅拌桩,受水泥掺入量和单轴施工机具等因素影响,搅拌桩施工质量较难整体控制,特别在大面积软基处理工程中,处理效果参差不齐。而本项目深圳机场软基处理工程,处理面积大,处理标准高,搅拌桩复合地基选用大直径D800 mm水泥土搅拌桩,并采用四搅四喷施工工艺,保证搅拌桩施工质量。搅拌桩主要设计参数见表2。

表2 水泥土搅拌桩设计参数表

2 水泥土搅拌桩施工排土的原因

水泥土搅拌桩施工时,搅拌头通过搅拌叶片强行切割、搅拌土体,破坏土体原有结构,对周围土体产生一定的扰动,进而不可避免地会产生裂隙。另外,搅拌机施工一边搅拌,一边注入水泥浆,水泥浆注入时的压力,也必然会对周围土体产生扰动,导致周围土体已有的裂隙进一步扩大,从而使水泥浆液的进入更加容易。

因此,搅拌桩施工喷入的水泥浆液,难免有部分浆液会沿着周围土体的裂隙从桩顶地面排出,尤其在搅拌头上提过程中,一边喷浆一边搅拌,在临近地面时,水泥浆液会更容易地通过周围土体的裂隙从桩顶地面排出,产生排土效应。

在深圳以往的水泥土搅拌桩软基处理工程中,一般采用直径D550 mm或D600 mm的水泥土搅拌桩,搅拌桩施工对周围土体产生的扰动范围和影响程度均较大直径D800 mm的水泥土搅拌桩小,所以排土效应较小,排土量少。本工程采用大直径D800 mm水泥土搅拌桩,且采用四搅四喷施工工艺,搅拌头上提、下沉四次,均喷浆搅拌,搅拌桩施工排土量会大于以往的搅拌桩软基处理工程。因此,对本工程水泥土搅拌桩施工排土量的准确计量是很有必要的。

3 水泥土搅拌桩施工排土的计量

3.1 水泥土搅拌桩施工排土理论计算

水泥土搅拌桩是通过向地基深处注入水泥浆并将软土和固化剂强制搅拌的一种工艺。从上述搅拌桩施工排土的原因分析看,搅拌桩施工排土量的最大理论值,即为向地基注入的水泥浆体积。本工程按表2中搅拌桩的设计参数,分别计算单轴和三轴的每延米单根水泥土搅拌桩的水泥浆体积,最大理论排土量分别为0.142 m3和0.2 m3。

3.2 单轴水泥土搅拌桩施工排土现场试验

现场选取9块总面积约8 000 m2典型地层场地进行单轴搅拌桩施工排土现场试验,如图2所示。为保证排土计量的准确,采用两家测量单位分别对试验场地前后地形独立实测、计算。两家测量单位对9块试验场地排土量的计算偏差均小于3%,在误差允许范围内,两家实测数据均可采用。

根据现场试验数据,分别得到单轴搅拌桩的每延米搅拌桩的排土量(m3/延米)、每平方米场地的排土量(m3/m2)以及排土量占注入水泥浆体积的百分比(%),现场试验结果汇总见表3。

表3 单轴搅拌桩施工排土现场试验结果汇总表

3.3 三轴搅拌桩施工排土现场试验

现场选取总面积约4.1万m2典型地层场地进行三轴搅拌桩施工排土现场试验,如图3所示。同样采用两家测量单位独立实测、计算的方式,两家排土量的计算偏差小于3%,两家实测数据均可采用。

根据现场试验数据,可分别得到三轴搅拌桩的每延米单根搅拌桩的排土量(m3/延米)、每平方米场地的排土量(m3/m2)以及排土量占注入水泥浆体积的百分比(%),现场试验结果汇总见表4。

3.4 水泥土搅拌桩施工排土现场试验结果

单轴水泥土搅拌桩现场试验结果总结如下:

1)每延米单根搅拌桩的排土量为0.09 m3～0.12 m3,平均为0.1 m3。2)每平方米场地排土量0.30 m3～0.64 m3,平均为0.5 m3。3)搅拌桩排土量占注入水泥浆体积的百分比为56.70%～87.69%,平均为71.23%。

三轴水泥土搅拌桩现场试验结果总结如下:

1)每延米单根搅拌桩的排土量为0.16 m3。2)每平方米场地排土量为2.67 m3。3)搅拌桩排土量占注入水泥浆体积的百分比为79.17%。

表4 三轴搅拌桩施工排土现场试验结果汇总表

4 水泥土搅拌桩施工排土的应用

从搅拌桩施工现场来看,搅拌桩施工排土一般为掺有水泥浆且经充分搅拌后的水泥土,晾晒后强度较高。为研究搅拌桩施工排土的压实效果,确定排土的应用处理方式,采用现场压实试验验证其作为路基填料的可行性。

现场选取3处场地分别进行压实试验,试验场地面积共约340 m2。每处试验场地分两层碾压,每层虚铺厚度0.3 m,填筑总厚度0.6 m。填土料选用场内经晾晒后的搅拌桩施工排土。碾压采用22 t单钢轮振动压路机光面碾压8遍。填土碾压后,进行压实度检测,且一天内进行小标贯N10测试,测试每层填土的击数。试验结果见表5,分析总结如下:

1)3处试验场地共进行18点次的压实度检测,压实度88.0%～97.1%,最佳含水率(质量分数)25%～30%。压实度普遍大于90%,仅个别检测点小于90%,可能由于试验区局部排土存在板结成团,且碾压施工前未经充分破碎造成。建议搅拌桩施工排土经晾晒、破碎、筛选后使用。

2)3处试验场地共进行39点次的标准贯入试验N10检测,每10 cm厚度平均击数为10击～21击。根据广东省标准DBJ 15-31—2016建筑地基基础设计规范相关规定,搅拌桩施工排土承载力特征值达80 kPa以上。

表5 搅拌桩施工排土压实试验结果

由上述搅拌桩施工排土压实试验检测结果分析表明,水泥土搅拌桩施工排土经晾晒、破碎、筛选后,可作为一般路基填料,压实度大于90%,承载力特征值可达80 kPa以上。

5 结论

基于深圳某机场软基处理工程,采用理论计算、现场试验的方法研究水泥土搅拌桩施工排土的计量和处理,主要结论如下:

1)单轴水泥土搅拌桩:每延米单根搅拌桩的排土量为0.09 m3～0.12 m3,平均为0.1 m3;每平方米场地排土量为0.30 m3～0.64 m3,平均为0.5 m3;搅拌桩排土量占注入水泥浆体积的百分比为56.70%～87.69%,平均为71.23%。

2)三轴水泥土搅拌桩:每延米单根搅拌桩的排土量为0.16 m3;每平方米场地排土量为2.67 m3;搅拌桩排土量占注入水泥浆体积的百分比为79.17%。

3)水泥土搅拌桩施工排土经晾晒、破碎、筛选后,可作为一般路基填料,压实度大于90%,承载力特征值可达80 kPa以上。

4)大面积水泥土搅拌桩软基处理工程,建议在设计阶段考虑一定的搅拌桩施工排土量,避免后续增加土方弃置费用。