浅谈软弱地基处理水泥土搅拌桩(湿法)施工

[摘要] 主要介绍全国首条客运专线新建铁路（合宁线三标）软弱地基处理水泥土深层搅拌桩（湿法）在施工工艺、浆液制备、施工工艺流程、质量检查验标等环节主控项目的施工控制方法。

[关键词] 软弱地基 水泥土搅拌桩（湿法） 质量检验方法

1 概述

水泥土深层搅拌桩（湿法）是指机械或人工将土与水泥或水泥系材料混合后形成的圆柱形状水泥土体。是利用水泥或水泥系材料为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深度就地将原位土（软弱土层）和固化剂（水泥浆液）强制搅拌，形成水泥土圆柱体，达到一定的设计要求。施工过程中由于搅拌固化剂与原位土之间产生一系列的物理化学反应，使圆柱体具有一定强度，桩周围土质得到改善，组成具有整体性、水稳性和一定强度的复合地基，提高了地基承载力，满足了工程需求，使软弱地基能承受荷载，改善了特殊性岩土不良地基特性。

水泥土硬化机理与混凝土硬化机理不同，混凝土的硬化主要是水泥在充填充料中进行水解和水化反应，硬化速度快；而水泥土由于水泥掺量少且水泥的水解和水化反应是在具有一定活性细粒土中进行，其硬化机理为：当水泥浆与软黏土拌合后，水泥颗粒表面的矿物很快和黏土中的水发生水解和水化反应，在颗粒间生成各种水化物，通过硬化反应逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物从而使水泥土的强度提高。水泥化合物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，也能提高水泥土强度。

该施工方法可以普遍适用于处理软弱地基特殊性岩土，如正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。水泥土搅拌桩（湿法）加固软土技术具有独特优点，土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降。最大限度地利用了原土，搅拌时无侧向挤出，对环境无污染，施工速度快，经济效益好，与其他类型相比节约成本明显。

2 工程地质条件

以新建铁路合宁线（三标）软土路基为例说明，里程为：L1DK8+350.53～864.3。

地形地貌：坳谷，地形平缓，开阔，多辟为苗圃。

地层岩性：①alQ4粉质粘土，灰黄色，软～硬塑，厚3～5m。②alQ4淤泥质粘土，灰褐色，流塑，厚1.8～4m。③alQ3粘土，褐黄色，硬塑。

水文地质条件：地下水为孔隙潜水，埋深1～2m，不发育。

本段软土路基处理采用水泥土深层搅拌桩，桩径φ50cm，桩长4～7.2m，间距1.3m，正方形布置，桩打入硬底不小于0.3m，浆喷桩水泥浆水灰比采用0.5：1，每延米不小于75kg，桩身28天无侧限抗压强度不小于1.2MPa，单桩布设。

3 施工工艺

水泥土搅拌桩（湿法）施工工艺共两种工艺流程。机械设备采用深层搅拌机，型号为SJB-Ⅰ、SJB-Ⅱ两种机型，施工中有时在钻进贯入时喷浆，另一种是在提升时喷浆，喷浆最佳时机须根据地层的软硬情况和搅拌头的工艺特点而定。同样在重复搅拌过程中是否喷浆应根据土的力学指标和设计要求灵活掌握。总之，从水泥土的加固机理分析看，软土地基深层搅拌加固技术，水泥浆液和原位土之间的强制性搅拌越充分，水泥分布在软弱地基土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的总体强度也越高。

4 施工原理

湿喷桩加固软土地基实际上就是水泥加固土的过程，即采用机械深层搅拌软土与水泥浆进而发生的一系列物理化学反应形成复合地基的过程。

5 施工过程控制

5.1 施工准备

现场施工有关人员应该熟悉设计单位所提供的施工设计图，通过试桩，并进行成桩工艺性试验，确定工艺性参数。工艺参数主要是控制：试验室内配合比、掌握下钻、提升的困难程度、确定钻头进入硬土层电流变化程度、确定水泥浆液比重、确定合适的输浆泵的输浆量、掌握水泥浆到达喷浆口的时间、搅拌机提升速度、复搅下沉、复搅提升速度等参数、了解施工中冒浆情况及采用下沉喷浆和提升喷浆的不同效果。并及时进行复合地基承载力试验，寻求最佳的搅拌次数，以指导大规模下一步水泥搅拌桩施工。湿喷桩施工机械必须选用配有全自动电脑记录仪的定型产品，施工前必须经当地计量部门检验后方可使用。

5.2 平整场地及桩位布置

施工现场做到“三通一平”，表层先进行清苗，若遇条石或块石应及时清除，并根据现场条件因地制宜搭设灰浆搅拌制操作棚和存放水泥临时仓库，水泥垫高20cm以上，防止水泥受潮变质。

根据施工设计图布设桩位，一般采用正方形布桩位，柱状边长1.3m，单桩，现场四周需挖排水沟，对角线处各挖一集水井，以利排水畅通，以不影响施工为原则。

5.3 设备检查调试

施工前应确定灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数，并根据设计要求通过工艺性成桩试验确定施工工艺。搅拌头的直径应定期复核检查，其磨耗量不得大于10mm。

5.4 浆液制备

水泥系等深层搅拌桩的浆液制配，按有关规范或设计要求进行，采用425级普通硅酸盐水泥。施工工艺流程过程中，必须严格控制水泥浆液水灰比，现场一般控制为0.45～0.5区间。为改善水泥和易性，以提高水泥土的强度和耐久性，在制作水泥浆液时可掺入适量的外加剂，一般是水泥量的1～2%。以往施工一般使用木质素磺酸钙做减水作用，去增加水泥浆的稠度，有利于泵送，其一般的掺入量是水泥用量的0.2%；还必须强调制好的水泥浆液不得停置时间过长，超过2h应降低标号使用，浆液在灰浆搅拌机中要不停搅拌，直到送浆前，从现场施工情况看，在当地地质情况下施工，可以不用添加木质素磺酸钙，节约了成本。

5.5 施工工艺流程

桩机就位―钻进达到设计要求喷浆到底―提升搅拌 重复喷射搅拌―重复提升复搅―成桩完毕―移位。

施工过程中，有关现场主管人员应负责全过程，特别是泥浆比重控制、注喷浆压力、成桩桩长、层位，当浆液达到出浆口后，应喷浆座底30秒，使浆液完全到达桩端，深度误差不得>5cm、施工过程要特别严格控制钻头下沉和提升速度、供浆与停浆时间，要控制下钻深度、喷浆高程及停浆面，复搅时应避免浆液上冒，记录人员依据设计要求，测定搅拌桩每米灌浆量，发现断桩采取补救措施，同时记录施工中的各种数据，复查桩位等流程工序质量。

5.6 设计参数及要求

(1)水泥掺入比>12％；

(2)室内配合比设计。7d无侧限抗压强度：qu≥0.8MPa，28d无侧限抗压强度：qu≥1.6MPa，90d无侧限抗压强度：qu≥2.4Mpa。

(3)现场质量检测。28d取芯强度：R28≥0.8MPa，90d取芯强度：R90≥1.2MPa，单桩承载力>210KPa，复合地基承载力>170KPa。

5.7 施工控制技术措施

为保证水泥搅拌桩桩体垂直度满足规范要求，在主机上悬挂一吊锤，通过控制吊锤与钻杆上、下、左、右距离相等来进行控制。

预搅：下钻时应进行预搅，将软土尽量在原位就破碎，以利于水泥能很好地均匀拌和，含水量愈低，钻速也应相应的降低。

竖向承载搅拌桩施工时，停浆面应高于桩顶设计标高300~500mm。为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量，第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30秒，进行磨桩端，余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部位进行磨桩头，停留时间为30秒。在开挖基坑时，应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除。

搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应相互匹配，以确保加固深度范围内主体的任何一点均能经过20次以上的搅拌。

所使用的水泥应过筛，制备好的浆液不得离析，泵送必须连续。拌制水泥浆液的罐数、水泥和外掺剂用量以及泵送浆液的时间等应有专人记录；喷浆量及搅拌深度必须采用经国家计量部门认证的监测仪器进行自动记录。

搅拌机喷浆提升的速度和次数必须符合施工工艺的要求，并应有专人记录。喷浆提升速度不宜大于0.5m/min。同时项目部指派专人全过程旁站水泥搅拌桩的施工，确保人员到位，责任到人。

现场施工人员认真填写施工原始记录，记录内容应包括：①施工桩号、施工日期、天气情况；②喷浆深度、停浆标高；③灰浆泵压力、管道压力；④钻机转速；⑤钻进速度、提升速度；⑥浆液流量；⑦每米喷浆量和外掺剂用量；⑧复搅深度。

搅拌机预搅下沉时不宜冲水，当遇到硬土层下沉太慢时，方可适量冲水，但应考虑冲水对桩身强度的影响。

水泥搅拌桩开钻之前，应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象，待水排尽后方可下钻。

施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。每根桩开钻后应连续作业，不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。储浆罐内的储浆应不小于一根桩的用量加50kg。若储浆量小于上述重量时，不得进行下一根桩的施工。

凡成桩过程中，由于电压过低或其他原因造成停机使成桩工艺中断时，应将搅拌机下沉至停浆点以下0.5m，等恢复供浆时再喷浆提升继续制桩；凡中途停止输浆3h以上者，将会使水泥浆在整个输浆管路中凝固，因此必须排清全部水泥浆，清洗管路。

每次施工完一根桩，应仔细检查，如需进行复喷，则在原位下钻进行复搅复喷，符合验收标准后方可移机进行下根桩的施工。

壁状加固时，相邻桩的施工时间间隔不宜超过24h（水泥土终凝前）。如间隔时间太长，与相邻桩无法搭接时，应采取局部补桩或注浆等补强措施。

水泥搅拌配合比：水灰比0.45～0.50、水泥掺量12％、每米掺灰量46.25kg、高效减水剂0.5％。

水泥搅拌桩施工采用二喷四搅工艺。第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻，喷浆量应小于总量的1/2，严禁带水下钻。第一次下钻和提钻时一律采用低档操作，复搅时可提高一个档位。每根桩的正常成桩时间应不少于40分钟，喷浆压力不小于0.4MPa。

确保加固桩体的强度和均匀性：

①施工过程中，设专人实施全过程跟踪记录，包括所打的每根桩的编号、深度、喷浆量、二次喷浆的用量及完成各工序的时间，并及时汇总，交工程部分析后，及时反馈给施工队，进行参数改正和事故处理，做到信息化施工。

②在送灰过程中不允许有断灰的现象，应有专人监视送浆设备，防止集料斗中无灰，或管道堵塞。

③搅拌程度和送灰量：严格按照设计要求控制喷浆量及提升速度，以保证桩体内每一深度均得到充分拌和。

④由于桩头部分直接接触上部构筑物，会产生应力集中，故在桩顶以下2.5m范围内应降低提升速度，并按设计要求在桩顶处原位搅拌1分钟，以利于提高桩顶强度。

⑤严格控制桩的有效桩长质量关，为保证桩头质量，要求提升至设计桩顶高程0.5m位置。水泥搅拌桩头50cm范围内由于施工时覆盖力小，搅拌质量差，应予以凿除。设计桩长为凿除桩头后的实际长度。

6 质量检验

水泥土搅拌桩（湿法）施工质量控制应贯穿在施工的全过程。施工单位与监理单位应坚持全程的施工质量控制，施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录，对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定。检点包括：①水泥用量、浆液配比率；②桩长；③搅拌头转速和提升速度；④复搅次数和复搅深度；⑤停浆处理方法等。

6.1 施工质量检验可采用以下方法

(1) 成桩7d后，采用浅部开挖桩头（深度宜超过停浆面下0.5m），目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径，检查量为总桩数的5%。

(2) 成桩3d后，可用轻型动力触探（N10）检查桩身的均匀性。施工单位会同试验室有关人员现场检验，按有关规范确定单桩承载力，数量为施工总桩数的1%，且不少于3根。

(3) 加固土强度标准值宜采用试块作无侧限抗压强度测试。

(4) 按有关规范竖向承载的水泥土搅拌桩的竣工验收应采用单桩载荷试验检验其承载力。

(5) 地基开挖后，如桩数与桩顶质量不符合设计要求，应采取有效补强措施。

6.2 外观鉴定

(1)桩体圆匀，无缩颈和回陷现象。(2)搅拌均匀，凝体无松散。(3)群桩桩顶齐，间距均匀。

6.3 实测项目：见表1。

7 注意问题

7.1 材料不同。水泥土搅拌桩由胶凝材料与原状土和天然水硬结形成，基中不掺加粗细骨料。

7.2 承载性状不同。桩基中的桩为刚性桩，直接承担建筑物主体结构荷载。水泥土搅拌桩在受压时产生一定的（压缩）变形，因而属塑性桩，与桩间同作用。

7.3 单桩承载力的决定因素不同。决定水泥土搅拌桩承载力的因素除土对桩的支撑约束外，还有桩身强度。

7.4 确定标准强度试件的龄期的试件强度，水泥土搅拌桩标准强度则采用90d龄期的试件强度。

7.5 复合地基中的土不可忽视水泥土搅拌桩作为地基中的一部分，与地基土组成复合地基共同承担上部荷载。因此在桩设计和桩检测中不能忽视复合地基中的土。在对水泥土搅拌桩处理地基进行效果检测时，同样要进行复合地基承载力静载检验，而不能仅作单桩承载力检测。

7.6 应区别对待复合地基承载力。复合地基承载力一般根据单桩和桩间土承载力之和来确定。它并不是单桩与土承载力简单的相加，而应根据桩所处地层土质情况区别对待。当桩身和桩底处于较好土层时，复合地基在一定荷载下沉降较小，水泥土搅拌桩承担大部分荷载。由于可压缩性大，桩间土只能发挥部分承载力。反之，当水泥土搅拌桩处于软弱地层中，地基沉降量大，桩间土才能充分发挥地基承载力。

8 结语

软弱地基处理属于隐蔽工程施工，作为软基处理一种比较有效的施工工艺，水泥土搅拌桩（湿法）是比较可行的，通过上述控制施工，合宁全线水泥搅拌桩全部检测合格，符合设计要求，设计200公里的路基动车试验速度最高达到282公里，创下当时国内动车试验最高时速，受到铁道部领导高度评价。

施工质量过程控制是关键，特别是施工中工艺参数的设定是十分重要，若施工工艺控制不当，极易构成质量隐患。因此，必须认真确定工艺参数，抓好过程施工质量控制，杜绝工程质量问题的发生，每道工序严格按规范操作，质量检查验标是对可能出现的质量问题的一种切实有效的防范措施。

参考文献

[1] 铁建设（ [2005]160号）.客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准.

[2] 北京城建集团. 地基与基础工程施工工艺标准.

[3] 王恩远,吴迈.工程实用地基处理手册[M].北京:中国建材工业出版社,2005.