水泥搅拌桩在软土地基处理中的应用

　　摘要：结合工程实例，介绍水泥搅拌桩处理软基的设计、施工、检测原理，结合工程实践介绍水泥搅拌桩在处理软基的有效性。
　　关键词:水泥搅拌桩、软基、设计原理、施工方法、质量控制
　　
　　软基在我国的东部、南部沿海，普遍有分布；同时，该区域也是我国人口众多、经济发达、建筑密集的区域。在该区域修建的道路工程，不可避免的会遇到软基处理的问题。软基一般具有高含水性、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点，一般压缩沉降量大、排水固结慢、地基稳定性差。
　　软土地基处理的方式比较多样，有换填法、预压法、强夯和强夯置换法、砂石桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆等。可根据不同的项目情况选用合适的地基处理方式。
　　其中深厚饱和粘土为主地基的处理方法主要是堆载预压和水泥搅拌（含粉喷）桩等方法。深厚松散沙（粉）土为主地基的处理方法主要有强夯法、挤密砂（石）桩法和水泥搅拌（含粉喷）桩等方法。
　　1． 项目情况简介
　　广东省连州至怀集公路项目，位于广东省西北部山区，是国家高速公路网第7纵线的一段，也是广东省高速公路网规划中第7纵线的一段，是泛珠三角区合作公路、水路交通规划的一部分，是沟通香港、澳门与湖南、广西的又一条重要通道。
　　2． 地质情况分析
　　沿线软土主要由第四系沼泽相淤泥、淤泥质亚粘土（层号为3-0、3-1）组成，以淤泥质亚粘土为主，局部为软塑粉质粘土，层号为2-1r；总体呈点状或带状随机分布于山间洼地或谷地。本项目软土一般赋存较浅（谷地局部较深），沼泽相淤泥、淤泥质亚粘土约2～2.5米的采取换填法，厚度大的采取排水法结合预压处理。
　　3． 地基处理方式的确定及加固机理
　　3.1 综合考虑项目的地质情况、造价、施工工艺等因素以及参考了周边项目的处理方法，两种方式比较合适：预压法、水泥土搅拌法。
　　预压法：是通过堆载或真空预压，使地基土固结的地基处理方法。比较经济、历时较长。需先查清土层、水层、地下水类型等，并取得先期固结压力、空隙比与固结压力的关系、渗透系数、固结系数、三轴试验抗剪强度指标以及原位十字板抗剪强度等。并在预压过程中进行竖向变形、侧向位移、孔隙水压力、地下水位等项目的监测，并进行原位十字板剪切试验和室内土工试验。
　　水泥土搅拌法：是以水泥为主要固化剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体的地基处理方法。优点比较明显：就地搅拌、最大限度利用原土，地基土不会侧向挤出、对周围建筑干扰少，桩体布置形式灵活。但是需要做一定的掺量的配合比。
　　由于预压法的工期较长，需历时半年至一年，考虑到项目的施工工期要求，舍弃该方案，确定为水泥土搅拌法，根据该区域的地质特点，最终确定采用深层搅拌法（湿法）。
　　3.2 水泥土搅拌法加固机理
　　3.2.1 水泥的水解和水化反应
　　水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙为反应物，与水反应，生成一系列的化合物。生成的化合物也会参与反应，继续增加土体强度。
　　3.2.2 粘土颗粒与水泥水化物的作用
　　上述生成物继续发生离子交换和团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用。最终被粉碎的越均匀的土体，水泥土的总体强度越高。
　　3.2.3 其他影响因素
　　水泥土的强度随水泥用量增加而增加；随龄期增长，持续时间约三个月；随水泥标号增加而增加；随土样含水量增加而减少；随土中有机质含量增加而减小，有机质含量高的软土，单纯采用水泥的加固效果不好；部分种类的外掺剂可有效改变水泥土的强度、龄期强度增长等；较好的养护方法和养护条件，可以提高水泥土的早期强度。
　　故，合理确定水泥掺量、减少龄期内扰动、适当选用外掺剂对水泥土强度有较好的帮助。
　　4． 水泥搅拌桩参数确定
　　项目的地基处理情况基本决定了项目的工程质量，特别是整个项目的软土地基完全由水泥搅拌桩控制。
　　确定复合地基处理目标：承载力120KPa，沉降要求≤0.3m，工后差异沉降控制在2%。
　　4.1 桩间距确定
　　根据项目需要、规范要求，确定桩径0.5米。由于桩周土的力学性质很差，拟定采用桩间距1.2米的三角形布置。由于该处地基情况很差，地下情况复杂，桩端要求进入持力层最小深度0.8米。
　　4.2复合地基计算
　　按照最不利位置的桩基布置进行复核。
　　4.2.1单桩承载力计算
　　桩身强度计算：
　　Rk1=qs*l*S+a*Ap*fk=131.51KN；Rk2=η*quc*Ap=137.80KN；根据计算结果，单桩承载力取值采用较小值。
　　4.2.2复合地基承载力计算
　　面积置换率m=0.190512，复合地基承载力fk=m*Rk/Ap+β*(1-m)*fs=137.83KPa。
　　根据计算的结果，单桩承载力满足设计要求，复合地基承载力也可以满足设计的要求。
　　4.3桩顶褥垫层设计
　　考虑到项目水泥搅拌桩和淤泥的性质差别较大，为保证复合地基的整体受力性能，故考虑在桩顶设置50cm砂垫层，并保证桩顶进入砂垫层10cm。
　　4.4沉降分析
　　竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括两个部分：搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1和桩端下未加固土层的压缩变形S2。
　　4.4.1复合地基的沉降分析
　　搅拌桩的压缩模量Ep=1.8X105kPa；桩长范围内的Es=2.68MPa；复合土层的压缩模量为Esp=m.Ep+(1-m).Es=34294Kpa
　　搅拌桩复合土层顶面的附加应力Pz为120KPa。根据Esp/Es=12.78，z/b=12/12=1查表得θ=300。搅拌桩复合土层底面的附加应力为Pzl=b(Pk-Pc)/(b+2Z*tanθ)=55.7KPa。
　　搅拌桩复合土层的压缩变形S1=（Pz+Pzl）*l/(2*Esp)=30.7mm
　　4.4.2桩端土的压缩变形
　　复合地基底面的附加应力为55.7KPa，自重应力为140Kpa，土层的压缩模量为30MPa；6米下的附加应力为46.9KPa，自重应力为200kPa；对应的e值=e1-e2=0.015。经过计算并参考周边项目的e-P曲线，在桩端6米范围内，压缩量<5cm。
　　4.4.3经计算和分析，复合地基的沉降量<10cm。满足规范的要求。
　　4.5管基、井底等特殊部位处理
　　项目的污水管的管底高程低于复合地基顶面标高，为保证污水管的管底有足够的承载力，在管底部位至少保证有三根桩形成复合地基来承载。并保证管底有50cm砂垫层。
　　井底也采用同样的方式来处理。附图。
　　　
　　5． 水泥搅拌桩施工方法
　　5.1材料要求
　　采用32.5级以上的硅酸盐或普通硅酸盐水泥。
　　采用饮用水，使用非饮用水需控制硫酸盐和含盐量。PH值≥4。
　　5.2施工方法
　　5.2.1 清理平整施工场地
　　施工前开挖排水沟及时排除地面积水，平整施工场地，回填50cm碎石并碾压密实作为施工面。搅拌桩停浆面高于设计桩顶面50cm,搅拌桩施工结束后，回填50cm砂垫层，碾压密实后作为路基垫层。
　　5.2.2 标出钻孔位置
　　在整平后的场地上按设计要求标出搅拌桩位置(误差不得大于2cm)，并测量场地的高程，确定喷浆标高和停浆标高。
　　5.2.3 前台钻机定位、钻进及后台拌合水泥浆
　　钻机就位，对正桩位(桩位误差不大于2cm)，调平桩机机身,保证桩的垂直度(允许偏差1.5%)，启动主电机钻进至设计深度(搅拌桩穿透淤泥层进入持力层约50cm)。在前台就位钻进的同时，后方应按照试验室提供的水泥浆配合比制浆，制备好的水泥砂浆不得离析,泵送必须连续，注浆压力控制在0.4MPa～0.6MPa。水泥浆池宜设两个，一个用以控制配比，一个做泵送池。控制浆液的罐数、水泥及外掺剂的用量及泵送浆液的时间应由专人记录。针对施工现场施工班组操作人员作业水平不高的现象，可以在拌浆桶上用油漆标识水位线，然后交底给现场作业人员，在注水到该水位线时，加多少包水泥搅拌就是设计的配合比。以简单明了的方式保证水泥搅拌桩浆液符合设计要求。
　　5.2.4 水泥搅拌桩采用四搅四喷成桩的施工步骤
　　设备就位：搅拌机的钻杆须垂直并对准桩位，检查深度计转轴中心是否位于刻度盘中心，确保搅拌桩深度计量准确。
　　第一次钻进：在确认浆液从搅拌叶的出浆口喷出后，方可启动搅拌机，以60r/min的转速和不大于1m/min的钻进速度，顺时针方向边钻边喷浆，直至设计桩长(在不变动档位的前提下，电流表电流突变后，再向下钻进50cm)，再继续喷浆30s后，改逆时针方向搅拌喷浆提升至设计桩顶。
　　第二次钻进：以同样方式再次顺时针方向钻进注浆，直至复搅喷浆到设计桩长后，改逆时针方向搅拌喷浆提升到设计桩顶标高,再原地继续喷浆30s，停止喷浆。
　　两次循环钻进成桩：经过上下两次循环钻进提升，使水泥浆液在桩孔内搅拌4次成桩。
　　5.2.5 桩机移位
　　复搅完成后，将钻头提出地面,停止主电机、填写施工记录并将桩机移至下一孔位。
　　5.3施工注意事项
　　国内目前的水泥桩搅拌法多为中心管喷浆方式和叶片浆喷方式。后者是使水泥浆从叶片上若干小孔均匀喷出，对大直径叶片和连续搅拌比较合适，但喷孔易堵塞，且只能用纯水泥浆；前者是从搅拌轴中间另一中心管喷出，若叶片直径在1米以下，不影响搅拌均匀度，且适合多种固化剂。根据本项目的特点，推荐使用前者。
　　5.3.1施工前进行水泥加固土的室内试验，确定合理的水灰比，本项目根据计算结果以及参考其他周边项目的成功经验，并满足设计和施工技术规范的要求，确定水泥用量为55kg/m，并推荐水灰比为0.45～0.55，最终以试验为准。
　　5.3.2施工前，进行场地平整，并需进行不少于5根的试验工艺桩，以校核机具性能及施工参数。包括灰浆稠度、工作压力、钻进和提升速度参数。
　　5.3.3施工时应控制喷浆速度，注浆泵出口压力应控制在0.4～0.6MPa。
　　应尽量连续施工、连续供浆；如因故短时间停浆，应将搅拌头下沉到停浆点下0.5米重新喷浆搅拌。超40分钟，应清洗输浆管。
　　搅拌桩顶部1米，应重复喷浆；桩底0.5米内，应减慢速度，保证有足够的喷浆量；为保证桩端施工质量，当浆液达到出浆口后，应喷浆座底30s，使浆液完全充满桩端，这个对保证工程质量尤其重要。
　　5.3.4应控制施工机具的平整度，保证施工中的稳定性，不发生倾斜和移动，机架和钻杆的倾斜度应≤1.0%，施工中应采用吊锤观测钻杆的倾斜度，并对倾斜的钻杆进行调整。
　　控制对中误差≤20mm。
　　5.3.5制备好的泥浆应不得离析，并控制停置时间≤2h。
　　5.3.6应控制搅拌机的下沉和提升速度≤1.0m/min。
　　5.3.7定期检查桨叶的尺寸，钻头直径损耗≤1cm。
　　5.3.8对桩长采用电流和长度双控的原则进行，保证工程质量，确保水泥搅拌桩进入持力层足够的深度。
　　6． 水泥搅拌桩施工观测、检测要求
　　水泥搅拌桩施工完，应进行N10检测、抽芯试验、单桩载荷试验、复合地基载荷试验。并应进行沉降观测。
　　6.1成桩龄期7d内用轻便触探器进行N10检测，监测频率为10%总桩数。
　　6.2成桩28d后进行抽芯、单桩以及复合地基承载力监测，该试验需剔除桩头0.5米。
　　6.2.1按照1%频率进行抽芯试验，对重点部位以及持怀疑的桩进行重点抽测。
　　6.2.2进行单桩、复合地基承载力的检测。
　　6.3道路每100米，进行道路断面的沉降观测。每断面设置三个沉降观测点。
　　应控制推算的工后沉降量小于设计容许值，并连续两个月观测的沉降值≤5mm/月，方可进行下道工序的施工。
　　7． 施工中质量控制
　　7.1建立完善的施工质量保证体系；并根据试桩结果、质量体系要求确定合理的施工技术方案，供现场人员操作。
　　7.2按照施工工艺要求进行施工，并建立完整的施工技术档案。
　　7.3坚持第三方全过程监理、旁站。并执行工程质量见证取样和送检制度的实施。
　　8． 结语
　　 在已处理软基段，通过以上的设计以及技术控制，再对路基路面的观测以及对沉降观测结果的分析表明，水泥搅拌桩对该段路基的处理是成功的。
　　
　　参考文献：
　　1. 《公路地基处理》刘松玉东南大学出版社
　　2. 《控制工后沉降处理深厚软土地基》赵维炳等人民交通出版社
　　3. 《建筑地基基础设计计算实例》于景杰等中国水利水电出版社