水泥搅拌桩在软土基础中的应用

摘要：本文结合工程实例，对水泥搅拌桩技术在水闸软基处理工程中的设计计算和施工过程的技术控制措施展开了探讨。

关键词：水泥搅拌桩；软土基础；设计与施工

前言

在水利工程软土地基处理中，可根据施工方法的不同，采取搅拌桩分为水泥浆搅拌法(深层搅拌桩)和粉体喷射搅拌法(粉喷桩)两种。两者统称水泥搅拌桩，其加固原理是一致的，即利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，边钻进边往软土中喷射水泥浆液或水泥粉体材料，在地基深处就地将软土固化成为具有足够强度、变形模量和稳定性的水泥土，从而达到地基加固的目的。在平原地区，由于雨水充沛，地下水位较高，地层分布中淤泥质土层分布范围大，在水利工程水闸建设的基础处理一般采用沉井基础和桩基础。为解决工期紧，资金不足等问题，在水闸基础设计过程中，应首先采用水泥搅拌桩方法。由于该法具有施工工期短、效率高的特点；在施工过程中，无振动、无噪声、无地面隆起、不排污、不挤土、无环境污染以及施工机具简单、加固费用低廉等优点。在达到设计标准的条件下，能以较低的成本保证水闸工程按时发挥效益。

1水泥搅拌桩在实际施工中的应用

泗阳县西门闸属工程属南水北调骆南湖以南中运河影响工程，该工程位于中运河右堤，桩号为112+248，所在区域地貌属废黄河、淮河泛滥及冲积平原。沿线地势较为平坦，地面高程14.5m（废黄河高程系，下同）。根据场地钻探深度范围揭露，场地上覆土层自上而下分布为：2砂壤土、3软性粘土、4砂壤土、5软性粘土、7砂壤土、软性粘土、粉质粘土、砂性土。根据GB18306－2001“中国地震参数区划图”，场地地震动峰值加速度为0.10g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度，抗震设防烈度为7度。西门闸设计底板高程为12.0m，主要位于4 层上，局部位于 3层上。4层为砂壤土土，松散~稍密状态，力学强度较低，有液化可能；3层为粘性土，软塑状态，力学强度低，压缩性高。综合分析地质情况，场地处于对建筑抗震不利地段，3、4不宜作为本工程基础的天然持力层，拟采用水泥搅拌桩加固处理软弱土地基，处理深度穿过5、7、层进入层粘土层。

1.1地基承载力

该水闸单孔，净孔尺寸为2.5m×2.5m，设计最大过水流量为10.7m3/s，闸室底板顶高程为12.0m，平面尺寸为3.3×13.5m。经荷载组合计算，闸底板地基应力如下：

竣工期：σmax＝88.59kPa，σmim＝47.41kPa，σ平均＝68kPa；

运用期：σmax＝79.77kPa，σmim＝39.81kPa，σ平均＝59.79kPa；

1.2水泥搅拌桩设计

水泥土搅拌桩分为深层搅拌法(简称湿法)和粉体喷搅法(简称干法)。水泥土搅拌法是适用于加固饱和黏性土和粉土等地基的一种方法。本工程根据土体天然的含水量，采用深层搅拌法。

1.3桩的布置与加固范围

水泥土搅拌桩平面布置根据闸上部结构对变形的要求，采用格栅状形式，桩间距采用1m，桩直径采用0.5m，在闸底板基础范围内布桩。

1.4承载力计算

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-91)，搅拌桩复合地基承载力标准值fsp,k按公式（1）计算：

fsp,k=m・Ra/A+β(1－m)fs,k (1)

式中：

fs,k―桩间天然地基土承载力标准值(kPa)

β―桩间土承载力折减系数

m―面积置换率，m=n・Ap/A

Ap―桩的截面积(m2)

n―桩的根数

A―基础面积(m2)

Ra―水泥土桩单桩竖向承载力标准值(kN)，应通过现场单桩载荷试验确定。

当无单桩荷载实验资料时，Ra可按公式(2)估算：

Ra=u∑qsili+αqpAp（2）

并同时应满足公式（3）：

Ra≥ηfcu,kAp（3）

式中：

u―桩的周长(m)

li―按土层划分的各段桩长（m）

qsi、qp―桩周第i层土的侧阻力、端阻力标准值(kPa)

α―桩端天然地基土未经修正的承载力折减系数

η―桩身强度折减系数

fcu,k―与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值(kPa)

1.5确定计算参数

水泥土搅拌法的设计，首先应进行拟处理土的室内配比试验，本工程水泥掺入比采用0.15，水泥土搅拌桩面积置换率采用0.245，桩的长度采用7m。

1.6计算成果

根据选定桩径及长度，计算成果如下：

（1）单桩坚向承载力标准值Ra＝89.7kN

（2）复合地基承载力标准值fsp，K＝107.1kN

1.7验算桩底基础

复合地基基础底面下卧层经修正后的地基承载力特征值，按公式（4）计算：

f=fk+ηdγm(d－0.5)（4）

经计算，f=172.35kPa

复合地基基础底面应力，按公式（5）计算：

f＇=[fspA+G－As・qs－fs(A－A1)]/A1（5）

经计算，f＇=144.54kPa

由上可知：f＇＜f，满足下卧层地基承载力的要求。

2水泥搅拌桩的施工

2.1试桩

(1)当用于处理泥炭土或地下水具有侵蚀性时，应通过试验确定其适用性。冬季施工时应注意低温对处理效果的影响。

(2)深层搅拌桩施工是借搅拌头将水泥浆和软土强制拌和，搅拌次数越多，拌和越均匀，水泥土的强度也超高。但是搅拌次数越多，施工时间也越长，工效也越低。试桩的目的是为了寻求最佳的搅拌次数、确定水泥浆的水灰比、泵送时间、泵送压力、搅拌机提升速度、下钻速度以及复搅深度等参数，以指导下一步水泥搅拌桩的大规模施工。

(3)每个标段的试桩不少于5根，且必须待试桩成功后方可进行水泥搅拌桩的正式施工。试桩检验可采取7d后直接开挖取出，或至少14d后取芯，以检验水泥搅拌桩的搅拌均匀程度和水泥土强度。

2.2施工准备

(1)深层搅拌桩施工场地应事先平整，清除桩位处地上、地下一切障碍(包括大块石、树根和生活垃圾等)。场地低洼时应回填粘土，不得回填杂土。

(2)水泥搅拌桩应采用合格的325级普通硅酸盐袋装水泥以便于计量。使用前，承包人应将水泥的样品送试验室检验。

(3)水泥搅拌桩施工机械应配备电脑记录仪及打印设备，以便了解和控制水泥浆用量及喷浆均匀程度。并且每天收集电脑记录一次。

(4)水泥搅拌桩施工机械必须具备良好及稳定的性能，所有钻机开钻之前应由工程负责单位组织检查验收合格后方可开钻。

2.3施工工艺

施工工艺流程：桩位放样钻机就位检验、调整钻机正循环钻进至设计深度打开高压注浆泵反循环提钻并喷水泥浆至工作基准面以下0～3m重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度反循环提钻至地表成桩结束施工下一根桩。

2.4施工控制

(1)应该指派专人负责水泥桩的施工，全过程监测水泥搅拌桩的施工过程。所有施工机械均应编号，应将现场技术员、钻机长、现场负责人、水泥搅拌桩桩长、桩距等制成标牌悬挂于钻机明显处，确保人员到位，责任到人。

(2)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。

(3)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。

(4)对每根成型的搅拌桩质量检点是水泥用量、水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。

(5)为了确保桩体每米掺和量以及水泥浆用量达到设计要求，每台机械均应配备电脑记录仪。同时现场应配备水泥浆比重测定仪，以备工程的质检人员随时抽查检验水泥浆水灰比是否满足设计要求。

(6)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%。

(7)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，复搅时可提高一个挡位。每根桩的正常成桩时间应不少于40min，喷浆压力不小于0.4MPa。

(8)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30s，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30s。

(9)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。

(10)施工中发现喷浆量不足，应按监理工程师要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因，喷浆中断时应及时记录中断深度。在12h内采取补喷处理措施，并将补喷情况填报于施工记录内。补喷重叠段应大于100cm，超过12h应采取补桩措施。

(11)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。

3结语

本工程在采用水泥搅拌桩方法处理水闸软土地基中获得了良好的效果。它能够有效地使桩、土形成复合地基，在填土荷载作用下，应力向桩体转移，大大降低了桩间土的应力，从而使地基的压缩量也相应减小。并且是一种能改良地基的无公害或少公害的地基处理手段；技术成熟、可靠；但施工工艺需要进一步完善和提高。合理选用搅拌桩加固软土地基，能有效地加快施工进度，降低工程造价，减小基础沉降。总之，水泥搅拌桩技术是一种具有很广泛的适用性，具有很高的推广价值，具有很好的发展前景的软基处理技术。