不同地质条件下水泥搅拌桩施工技术的应用

2023-10-29刘锦泽

城市建设理论研究（电子版） 2023年28期

关键词：液态桩基础岩石

刘锦泽

江西中昌工程咨询监理有限公司广东深圳 518000

水泥搅拌桩技术是一种高效的地基加固技术，在实际工程中，它广泛应用于地铁、高速公路、桥梁、大型建筑等不同类型的工程中。水泥搅拌桩施工过程包括钻孔、注浆、搅拌、振捣等多个步骤。该技术采用机械化施工，其施工速度快、安全性高、质量可控。

1 水泥搅拌桩基本概念

1.1 水泥搅拌桩的定义及分类

水泥搅拌桩，是将水泥、砂、水、石料等混合物搅拌均匀后注入地中形成的一种桩基础，是一种具有较高竖向承载力、较好侧向地基稳定性和较好的抗震性能的桩基础。水泥搅拌桩按照不同的分类方式可分为多种类型，包括单桩、联桩、交错桩、网格桩等。

（1）单桩：是指将水泥混合料在钻孔过程中，边挖孔边注浆，形成单个的钻孔，主要适用于单独承载小型建筑物的基础。（2）联桩：是指将多个单桩通过横向钢筋连接，形成一定的桩群力，使之承载能力更高，应用范围较广。（3）交错桩：是指桩与桩之间错开的一种桩基础，一般用于泥土和砂土地基中，能有效提高地基的稳定性和承载力。（4）网格桩：是指将多个水泥搅拌桩通过横向钢筋连接成网格状的桩基础，一般采用在土石方工程中，对于基础土层较软、要求稳定性高的地区，有着较好的效果。

1.2 水泥搅拌桩的施工原理及特点

（1）水泥搅拌桩施工原理：水泥搅拌桩的施工过程主要经过几个步骤。首先是钻孔，将钻杆深入到需要加固的地层，然后将混凝土原料放入钻杆内部开始搅拌，使混凝土均匀地充满整个钻孔。在充满混凝土的钻孔内用钢管送入钢筋，形成水泥搅拌桩的钢筋筒，钢管缩短，便可取出，完成一根水泥搅拌桩。如此反复，可以形成整个建筑物的基础。（2）水泥搅拌桩的特点：水泥搅拌桩是目前应用较广泛的一种桩基础，它具有以下特点：1）适应性广：水泥搅拌桩适用性较广，可以施工于各种不同的地质环境中，包括沙、淤泥、黄土、砾石、砂岩、硬岩等，可以适应不同地质环境的施工要求。2）承载能力高：由于水泥搅拌桩的钢筋筒内充满了混凝土，具有较高的承载能力，能够达到较好的竖向承载力和稳定性。3）施工效率高：水泥搅拌桩施工的效率较高，一般由一台挖掘机和搅拌机协同工作，钻孔、搅拌、充实、钢筋设置等工序连贯不断，可以快速完成施工任务。4）施工质量易受监测：由于水泥搅拌桩施工过程中可进行实时监测，当混凝土达不到预定标准时便能及时发现问题，并及时处理，可保证施工质量。

1.3 水泥搅拌桩的检验标准

水泥搅拌桩的检验标准是在施工过程中进行的，主要是通过检查混凝土的搅拌比例、强度和钢筋的设置是否符合建筑设计和验收标准等来完成，具体主要包括以下几个方面：

（1）混凝土的检验：施工前必须将混凝土的配合比和试块的强度进行检验，检查是否符合标准要求。（2）钢筋的检验：钢筋的设置是保证水泥搅拌桩稳定性的重要因素，检查钢筋的设置是否符合设计要求。（3）桩身的检验：在施工过程中，必须对桩身进行检查，以确保充实度和整体质量。（4）检测混凝土强度：通过取样实验来检测混凝土的强度值，以确保其达到设计标准要求。（5）静载试验：静载试验是对钢筋筒固定性和桩基础承载性能的检验，静载试验结果将作为施工验收的重要依据。

2 不同地质条件下水泥搅拌桩的应用

2.1 岩石地基中水泥搅拌桩的应用

在岩石地基中使用水泥搅拌桩的主要目的是为了加固和加强下部基础的承载力。这种基础主要使用于需要加强基础承载能力的地下建筑物，比如隧道、地下车库等。岩石地基是指地质层中石头层至少占据了一半以上，其中硬岩占据的比例更高。由于岩石地基的硬度大，所以使用水泥搅拌桩进行基础加固较为困难。在水泥搅拌桩施工时，首先需要钻孔，而在岩石地基中钻孔的难度较大，施工周期长。岩石地基中的水泥搅拌桩需要较高的固结度、强度和稳定性，以增加基础承载力。此外，岩石地基中水泥搅拌桩的产生的剩余应力和自重力会增加地基的承载能力。但是，施工过程受到天气、地形环境的影响大，需要采取相应的措施来控制施工质量。

2.2 软弱土地基中水泥搅拌桩的应用

软弱土地基是指土质松散、黏性大，强度和稳定性差的地质条件。由于软弱土地基的土质松散，地基的承载能力较弱，建筑物在该地基上容易出现沉降和位移等现象。因此，在软弱土地基中使用水泥搅拌桩进行基础加固主要是为了提高地基的承载能力和稳定性。水泥搅拌桩一般较适用于黏性土、粉土、淤泥等软质土层，在这些土层中使用水泥搅拌桩能够有效地提高地基的承载能力和抗沉降性能。在软弱土地基中使用水泥搅拌桩，需要注意以下几个问题。首先，要根据土质特点和工程要求合理设计搅拌桩直径，以确保其承载能力。其次，需要对软弱土地基进行充分的预处理，如挖深、地基处理或者是使用加筋土墙等加固措施。最后，施工过程中需要控制搅拌桩的抗拉性能，以保证搅拌桩的质量。

2.3 液态地基中水泥搅拌桩的应用

液态地基指的是钻孔的过程中，遇到大量的水或泥浆。这种地基的固结性和稳定性较差，建筑物容易出现沉降或者位移等问题。在这种情况下，使用水泥搅拌桩进行基础加固是比较有效的解决方案。在液态地基中使用水泥搅拌桩，施工难度较大，主要是因为需要在钻孔过程中随时控制液态地基的状态。同时，施工中需要控制钻孔速度和钻孔压力，以避免液态地基的流失或扩散。此外，施工中需要使用防渗措施来防止液态地基向周边土壤扩散。总之，在液态地基中使用水泥搅拌桩，需要针对具体情况采取相应的施工措施和防范措施，以确保搅拌桩的质量和地基的加固效果。

2.4 饱和土地基中水泥搅拌桩的应用

饱和土地基指的是土壤中含有大量的水分。由于水分的存在，饱和土地基的稳定性会受到影响，地基容易出现沉降和位移等问题。在这种情况下，使用水泥搅拌桩进行基础加固是有效的方法。在饱和土地基中使用水泥搅拌桩，需要注意以下几个问题。首先，需要对孔洞进行处理，以保证混凝土充实。其次，需要采取措施防止孔壁塌方，保证施工的安全性。最后，需要注意控制混凝土的水泥和水的比例，以保证混凝土的强度和固结能力。

3 水泥搅拌桩的设计及施工注意事项

3.1 水泥搅拌桩的设计方法

（1）桩的长度和直径的确定。水泥搅拌桩的长度和直径的确定需要结合工程地质情况、载荷条件、桩身材料等多方面因素进行决策。一般而言，其长度与直径的比值在8∶1～10∶1之间，且直径要求至少为500mm，一般直径范围在500～1200mm之间，桩的长度一般为10～50m。（2）桩的承载力的计算。水泥搅拌桩的承载力的计算方法一般有静载试验、动力触探试验、静力触探试验、桩周应变法、桩身竖向位移法等方法。其中静力触探试验较为常用。承载力计算包括斜桩的计算方法，也即当地岩土地质条件复杂，不能采用垂直于地面的桩基础时，需要采用斜向的桩基础来满足工程的要求。

3.2 水泥搅拌桩的施工工艺及注意事项

（1）预处理工作。在水泥搅拌桩施工之前，需要进行地面平整处理、捣实地面、碾压等预处理工作。对于较软的地层，还需进行加固加硬的处理，以保证桩基的稳定性。（2）设备和材料。水泥搅拌桩施工需要的设备和材料包括钻机、水泥、盐酸、填充料等。其中，钻机需要选择合适的型号，确保其在施工过程中的性能稳定和可靠。水泥应选择优质普通硅酸盐水泥，填充料应选择河砂、石子等经过筛选和洗涤的物料[1]。（3）施工过程。1）钻孔：根据设计要求选择直径和长度，采用钻机进行钻孔。2）搅拌：在钻孔深度到达设计要求的时候，启动钻机内置的搅拌器进行搅拌，使水泥与原土混合均匀。3）填充：搅拌完成后，从钻孔顶部开始向下填充石子等填充料，同时继续搅拌并加入水泥，直至钻孔底部。4）提升钻杆：填充完成后，提升钻杆，使钻杆与桩周原土断开，并将钻杆取出。5）削平：在桩顶部用平板仔削平，并进行标志。（4）注意事项。1）严格遵守安全作业规程，加强人身安全保障，进行施工前的安全检查和防护工作。2）加强施工管理，履行施工管理职责，严格按照设计要求进行施工和质量检查，确保水泥搅拌桩质量。3）合理调度分配施工队伍和设备，把握施工进度，确保施工进度和质量。

3.3 水泥搅拌桩的质量控制

（1）建立质量检验体系。需要建立健全的质量检验体系，包括对原材料的检验、半成品的检验和成品的检验。对原材料进行检验时要关注水泥的标号、强度、含水量等；对半成品进行检验时要关注桩身的直径、混合物的混合情况等；对成品进行检验时要关注桩的承载力等指标。（2）提高施工质量。水泥搅拌桩的施工质量对于其承载力的提高具有至关重要的意义。需要采取一系列措施，如加强施工现场管理、确保材料质量、控制施工工艺等，以提高水泥搅拌桩的施工质量，确保其在工程中稳定可靠地发挥其作用[2]。（3）严格施工监管。水泥搅拌桩的施工监管应该在质量控制的基础上进一步严格化。施工监管应该及时发现和解决施工过程中出现的问题，确保水泥搅拌桩的施工效果和质量，以提高其工程实用价值。

综上所述，水泥搅拌桩作为一种常见的基础设施工程中的桩基础，其设计、施工及质量控制都需要充分考虑工程地质情况、载荷条件、桩身材料等多方面因素。在实际工程中，需要加强施工管理、提高施工质量、严格施工监管，以确保水泥搅拌桩的工程实用价值。

4 水泥搅拌桩应用案例分析

4.1 岩石地基中水泥搅拌桩的应用案例分析

在岩石地基中，水泥搅拌桩的作用主要是增加承载力和改善地基的稳定性。水泥搅拌桩在岩石地基中的应用主要有以下几个方面：

（1）高速公路建设。在高速公路建设中，由于道路的负荷和运行速度较高，对道路地基的承载能力和稳定性有较高的要求。而岩石地基本身具有一定的承载能力，但在部分地区岩石地基的岩石裂隙较多，此时需要采用水泥搅拌桩来加强地基的承载能力。例如，在广西三桥段的高速公路建设中，采用了水泥搅拌桩加固岩石地基，最终取得了良好的效果。（2）大型桥梁建设。大型桥梁建设需要在深厚的岩石地基中建立桥墩，而岩石地基表面往往存在不规则的裂隙，这给桥墩的建设带来了很大的困难。为了解决这个问题，可以采用水泥搅拌桩加固岩石地基，使其表面坚实平整，便于桥墩的建设。例如，在宁夏银川至吴忠高速公路建设中，采用了水泥搅拌桩进行岩石地基加固，最终取得了好的效果。（3）城市地铁工程建设。城市地铁工程建设需要在岩石地基中铺设地铁隧道，而岩石地基表面存在不规则的裂隙，隧道的开挖和固定带来了很大的困难。为了解决这个问题，可以采用水泥搅拌桩加固岩石地基，使其表面坚实平整，便于隧道的开挖和固定。例如，在地铁5号线的建设中，采用了水泥搅拌桩进行岩石地基加固，最终取得了好的效果。

4.2 软弱土地基中水泥搅拌桩的应用案例分析

在软弱土地基中，水泥搅拌桩的应用主要是增加承载力和改善地基的稳定性。水泥搅拌桩在软弱土地基中的应用主要有以下几个方面：

（1）建筑物建设。在建筑物建设中，软弱土地基往往会对建筑物的承载能力和稳定性造成影响。为了解决这个问题，可以采用水泥搅拌桩进行加固，增加地基承载能力。例如，在上海的金茂大厦建设中，通过水泥搅拌桩的加固，使得建筑物的承载能力得到了提升。（2）污水处理厂建设。污水处理厂的建设需要在软弱土地基中进行，而软弱土地基的承载能力往往较低，会对污水处理厂的稳定性和运行产生影响。为了解决这个问题，可以采用水泥搅拌桩加固软弱土地基，在增加地基承载能力的同时，还可以提高污水处理厂的稳定性和运行效率。例如，在广东的广州污水处理厂建设中，采用了水泥搅拌桩加固软弱土地基，最终取得了好的效果[3]。

4.3 液态地基中水泥搅拌桩的应用案例分析

在液态地基中，水泥搅拌桩的应用主要是增加承载力和改善地基的稳定性。液态地基往往会给土建工程带来很大的难度，因此采用水泥搅拌桩进行加固是一种很好的解决方案。水泥搅拌桩在液态地基中的应用主要有以下几个方面：（1）建筑物建设。在液态地基中建设建筑物往往会存在土体沉降和侧向移动等问题，这样会对建筑物的稳定性和运行产生影响。为了解决这个问题，可以采用水泥搅拌桩加固液态地基，在增加地基承载能力的同时，还可以改善地基的稳定性。例如，在北京的北京大学医学部建设中，采用了水泥搅拌桩加固液态地基，最终取得了良好的效果。（2）水利工程建设。在液态地基中建设水利工程往往会受到大量的水的冲刷和侵蚀，这会对水利工程的稳定性和运行产生影响。为了解决这个问题，可以采用水泥搅拌桩加固液态地基，在增加地基承载能力的同时，还可以提高水利工程的稳定性和运行效率。例如，在云南的金沙江电站建设中，采用了水泥搅拌桩加固液态地基，最终取得了好的效果。

5 水泥搅拌桩技术的优缺点

5.1 水泥搅拌桩的优点

（1）提高地基承载力和稳定性：水泥搅拌桩可以通过摩擦和土体固结效应，增加地基的承载力和稳定性，减少地基沉降和变形的风险。（2）适应不同的地质条件：水泥搅拌桩适用于各种不同地质条件下的建筑工程，具有较好的适应性和通用性。（3）施工技术简单：相比其他地基加固技术，水泥搅拌桩施工技术较为简单，可以大大缩短工期和降低成本。（4）环境友好：水泥搅拌桩的施工过程不会对环境造成严重污染，对周围建筑物和地下管线的影响较小。