关于水泥搅拌桩(湿法)理论与施工知识总结

简要：本人从事水泥搅拌桩（湿法）的设计与施工已有多年，对水泥搅拌桩的施工及理论有较长时间的接触，现在总结一下，希望借此进一步提高自己的认知水平。从定义上讲，水泥搅拌桩是近年来开展起来，用于处理软土地基的低强度摩擦桩。水泥搅拌桩――它是通过特别的水泥搅拌桩机，在地基深处就地将软土和水泥浆进行机械搅拌混合，水泥浆和软土发生了一系列物理－化学反应，使两者最终结成“水泥土”――一种具有整体性、水稳定性、和一定强度的优型地基。水泥搅拌桩具有造价低、速度快、无振动、无噪声、无污染，造价比一般灌注桩低30～40%，并可节省大量钢材。下面就从水泥搅拌桩的固化机理、应用特点、施工工艺、承载力计算及施工中遇到的一些问题分步分析总结。

一、 软土加固的机理

软土和水泥浆通过机械搅拌到凝结成为强度较大的水泥土，其间经历了一系列的物理化学反应。其中对软土加固志主要作用的是水泥的水解水化作用和水泥水化物与粘土颗粒之间的作用。

1、水泥矿物硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、硫酸钙等，在软土中发生水解和水化肥反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙可迅速溶于水中，使分子虽然可以继续深入水泥颗粒的内部，使水泥颗粒继续发生水解和水解反应。此外，水泥中的硫酸钙、铝酸三钙与水作用生成3CaO.Al2O3. CaCO3.32H2O（水泥杆菌）,使大量的自由水变成结晶水的形式固定下来,这对增加含水量软土的强度有着重要的作用。

2、水泥水化物与软土颗粒之间的作用

水泥的各种水化物生成后，一部分自身继续硬化，构成水泥石骨架；另一部分则与周围一些具有一定活性的颗粒发生离子交换，如氢氧化钙中的钙离子可和软土中的二氧化硅与水作用后形成的钠离子或钾离子的硅酸胶体微粒进行当量吸附交换，而使小的土颗粒形成较大的土颗粒，从而增加了土体的强度。

与水泥颗粒的表面积相比，水泥水化反应生成的凝胶粒子的表面积发生了巨幅增长，由此产生了较大的表面能，有较强的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成了水泥土的团粒结构，提高了水泥土的强度。

经与水泥浆搅拌后，在土粒周围充满了水泥胶体，随着水泥土龄的增长，这些水泥凝胶逐渐形成大量纤维状结晶，并不断延伸填充到原土颗粒间的孔隙中，形成纲状结构。以后纤维状结晶继续呈轴射状向四延伸，连结成空间网状构造，使水泥的形状与土颗粒的形状逐渐分辨不清，从而提高了水泥土的强度。

通过上述作用，水泥土的强度得显著增加。由于水泥搅拌桩中水泥的掺量较少，通常是被加固湿容重的7-15%，水泥的水解和水化反应是在软土的包围中进行的，所以硬化速度较为缓慢。通常需3个月后，水泥土的硬凝反应才能充分完成。

二、 水泥搅拌桩的应用特点

1、适用范围：水泥搅拌桩适用于加固各种软土地基，但不宜用于碎石土、砂土和坚硬的粘性土的地基加固。由于连云港市上部地层中普遍存在着一层很厚的淤泥，含水量大，强度低，因此水泥搅拌桩在连云港市范围内得到广阔的使用。

2、加固深度（桩的有效长度）：主要取决于钻塔的高度，一般为8～15m。如有特殊需要，加固深度可适当增加。

3、用途：⑴作为建筑物或构筑物的地基。⑵大面积地基加固，以防止码头崖壁的滑动、深基坑开挖时边坡坍塌和减少软土中地下构筑物的沉降。⑶在基础开挖和施工中有地下重要管线和地面重点保护建筑物时，可作为连续墙、防护墙使用。

三、 施工工艺

1．定位：桩机移到指定桩位，桩机安装必须平正稳定，搅拌轴必须垂直并对准中心。

2．拌制灰浆：根据设计要求确定的水灰比，水泥过磅或以包计量，水用专用定量容器计量。用灰浆搅拌机搅拌水泥浆，搅拌时间每次不少于3分钟。水泥浆拌制后通过细筛过滤倒入集料斗内。

3．钻进喷浆搅拌：首先开启灰浆泵，检查输浆系统是否畅通。待水泥浆通过输浆管从喷嘴喷出时，开动桩机以1m/min和60r/min的速度匀速钻进、喷浆、搅拌。至设计桩长时，在原地搅拌、喷浆30秒钟。

4、提升搅拌：当钻进喷浆过程中水泥掺量已达设计要求时，则关闭灰浆泵，桩机倒转匀速搅拌提升，直至地面。当钻进喷浆搅拌中水泥掺量未达设计要求时，则在提升搅拌中应继续均喷浆。

5、重复搅拌：为了使地基土和灰浆得到充分搅拌掺合，在不喷浆的情况下，重新开机匀速钻进搅拌至设计桩长，再匀速反转提升搅拌至地面。

6、清洗输浆管路：施工结束后（包括施工期间停机半小时以上）应及时清洗输浆管路，严防水泥浆结块。每日完工后应彻底清洗一次。

四、 水泥搅拌桩的单桩承载力及复合地基承载力计算

1. 水泥搅拌桩承载力特征值应通过现场载荷试验确定，初步设计时可按下式估算：

Ra=up∑qsili＋αqpAP;

Ra=ηfcuAp;

fcu――与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm立方体，也可采用边长50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（KPa）;η――桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.30，湿法可取0.25～0.33;

up――桩的周长（m）;qsi――桩周第i层土的厚度（m）；li――桩长范围内第i层土的厚度（m）；α――桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，承载力高时取低取；Ap――桩的截面积（m2）；

2. 水泥搅拌桩复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定，也可按下式估算：

fspk=m×Ra/Ap＋β（1－m）fsk

fspk――复合地基承载力特征值（KPa）；m――面积置换率；Ap――桩的截面积（m2）；

fsk――桩间土天然地基承载力特征值（KPa）；β――桩间土承载力折减系数，当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值时，可取0.1～0.4,差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.5～0.9，差值大时或设置褥垫层时可取高值。

五、 施工中常遇的问题及解决措施

1．常遇的问题：水泥搅拌桩施工中常遇到以下问题主要有桩顶标高偏差；水泥用量不足、水灰比过大；钻杆提升及下沉速度过快，搅拌不均匀；垂直度偏差、桩位偏差，直径偏差等。

⑴.标高偏差问题：标高问题主要有设计及施工两方面原因，设计方面原因主要是设计人员不了解施工实际情况及地质资料不准等造成，如搅拌桩实际施工时，由于搅拌桩在停止喷浆后，钻机继续搅拌，喷浆管道中的余浆继续喷出，加上搅拌过程中上部土体变松散后向上冒出，在停浆面以上仍然形成桩体，甚至超过自然地面约40～50cm,使得实际桩顶标高偏高；或者由于水泥用量偏小或喷浆量不均，搅拌不均匀等原因，水泥搅拌桩施工后，桩顶也会出现下沉，沉桩较大者，桩顶下沉2.0m以上。导致桩顶标高偏小。

⑵. 搅拌桩的水泥用量不足、水灰比过大。主要是由于施工队伍素质差，为了追求高额的经济利益而不择手段地减料，人为提高水灰比，减少水泥用量；施工现场又缺少强有力的监管力度等方面的原因，导致水泥掺量大减严重影响水泥搅拌桩的成桩质量。

⑶.钻杆提升及下沉速度过快，无法保障搅拌深度内每一个点均能达到20次以上的搅拌次数。加上现有的送浆设备限制，仅靠人工控制泵阀来控制送浆量，即使能保证每米内的用浆量达到要求，却无法保障每米内的送浆量呈均匀分布，水泥浆搅拌不均，也严重影响了搅拌桩的成桩质量。

⑷. 垂直度偏差、桩位偏差，直径偏差在作为基坑围护桩使用时，影响搅拌桩质量表现的更为明显。用于围护的水泥搅拌桩，因为要达到止水目的，所有桩必须连成整体，形成地下防渗墙，没有窟叉、断桩等不良现象，这对深层水泥搅拌桩的成桩质量提出了更高的要求。《软土地基深层搅拌加固法技术规定》（YBJ225-91）规定，水泥搅拌桩的桩位误差不大于50mm，桩身垂直度误差不超过1.5%即可认为施工质量合格。但作为防渗帷幕的搅拌桩，如设计采用桩径为Φ400的水泥搅拌桩，桩长10m，搭接为100mm，不考虑桩位的误差，单是允许的垂直度误差1.5%，单桩就可达到150mm；如果两个桩相背偏差，中间窟叉就可能达到150×2-100=200mm；如果再加上桩位偏差，桩径偏差，防渗帷幕的作为将完全失去截水作用。

2.解决措施：针对影响水泥搅拌桩的各种原因，分解到影响施工质量的五大生产要素中，即劳动主体、劳动对象、劳动方法、劳动手段、监管措施，从而保证施工质量符合规范及设计要求。

⑴.劳动主体的控制：劳动主体：即作业者、管理者的素质及其组织效果。劳动主体的质量包括参与工程各类人员的生产技能、文化素养、生理体能、心理行为等方面的个体素质及经过合理充分发挥其潜在能力的群体素质。即种类全体工程人员必须参加过专业技能培训且具备相应的专业技能，确保各方人员都应持证上岗。

⑵.劳动对象的控制 ：劳动对象：即材料、半成品、工程用品、设备等的质量。对于水泥搅拌桩，加强原材料、半成品及设备的质量控制，是提高工程质量的必要条件。

⑶.劳动方法（施工工艺）的控制：劳动方法：即采取的施工工艺及技术措施。施工工艺的优劣是直接影响工程质量的关键因素，在工程项目质量控制系统中，制订和采用先进合理的施工工艺并严格执行是工程质量控制的重要环节。

⑷.劳动手段（施工设备）的控制 ：劳动手段：即工具、模具、施工机械、设备等使用条件。对施工所用的机械设备，应根据工程需要从设备选型、主要性能参数及使用操作要求等方面加以控制。

⑸. 监管措施的控制：施工各方均须建立质量保证体系，制定相应的质量保证措施，责任落实到每个人。应加强现场全天候监管力度，确保现场施工时，施工、监理及业主三方代表方同时监督，严格操作流程，规范施工，现场打印原始资料并认可工作量，遇到问题桩时及时采取补救措施，严格控制好现场施工时的水泥质量、水灰比、桩位质量、桩顶标高、垂直度偏差、搅拌速度及水泥用量等几个重要指标，特别应严厉打击施工中的偷工减料行为，这样才能保证水泥搅拌桩的质量。