谈干法水泥土双向搅拌桩施工技术与控制

刘小和

(南京交通建设项目管理有限责任公司，江苏南京 210000)

1 概述

水泥土搅拌桩是利用特制机械将水泥或水泥浆作为固化剂喷入软弱土体中，就地将水泥土混合物强制搅拌，形成具有一定强度的水泥土加固体，与基土共同作用形成复合地基，从而达到提高承载力及减小路基沉降的目的。该技术具有成本低、工效快、施工简便、振动小、污染少等特点，在需要大面积处理软土地基的工程建设中得到广泛应用。但在以往工程建设应用中，由于水泥土搅拌桩属地下隐蔽工程，其人为因素及地下不确定性因素较大，易发生工程质量问题，致使工程建设者怀疑水泥土搅拌桩的成桩质量及其对软土地基的处理效果，甚至有慎用或限用的态度。

为此，部分优秀的工程建设者对常规搅拌机进行改进，制造出水泥土双向搅拌桩机，并提出相应理论。笔者就在建的某高速公路中采用的干法水泥土双向搅拌桩来了解该桩机的工作原理及相应理论，以供大家参考。

2 水泥土双向搅拌桩机械及成桩原理

2.1 水泥土双向搅拌桩钻机

水泥土双向搅拌桩钻机主要改造了常规水泥土搅拌桩钻机的动力系统以及钻杆和钻头。

1)动力系统改造，设置了正、反两个方向动力设备(见图1)，即外钻杆的动力由磨盘提供，内钻杆的动力由单独的电机提供，同时为了保证搅拌更加均匀，将磨盘和下钻、提升动力分开，下钻、提升的动力由无极调速电机提供，在施工时，将磨盘置于高转速，将下钻、提升置于低转速，提高单位时间里的搅拌次数，使得成桩质量更加有保障。

2)钻杆、钻头改造，设置两个同心圆的内、外钻杆，并在内外钻杆底部钻头处设置两两分开的四层搅拌叶片(见图2)。外钻杆连接外钻头，内钻杆连接内钻头，在外钻杆的内壁设有与内钻杆之间配合的轴承和密封装置。内钻头的外壁上设有上下两层翼片，下层翼片的下部为钻尖，两层翼片之间的距离为20 cm～30 cm，在两层翼片之间靠近上层翼片的内钻杆上开有喷灰口。通过外杆上叶片反向旋转过程中的压灰作用及正向旋转叶片同时双向搅拌水泥土的作用，阻断水泥上冒，把水泥控制在两组叶片之间，保证水泥在桩体中分布均匀，确保成桩质量。

2.2 水泥土双向搅拌桩成桩原理

水泥土双向搅拌桩是指在施工过程中，通过分别设置的动力系统带动安装在钻机上的同轴内、外钻杆同时正、反双向转动，强制内、外钻杆上的两组搅拌叶片同时正、反双向切土，使钻机在施工过程中形成全程复搅，充分搅拌土体，并能阻断水泥上冒通道。从而可提高搅拌均匀性，增加桩身强度;并能有效改善复合地基的承载特性，提高软土地基的承载力，减少地基沉降。

图1 动力设备示意图

图2 搅拌叶片

2.3 施工工艺

双向搅拌粉喷桩施工工艺流程图见图3。

图3 双向搅拌粉喷桩施工工艺流程图

1)按设计要求整平场地，清除地表如树根、垃圾等障碍物，回填沟塘至整平高程。2)按批准的布桩图进行桩位放样，就位搅拌机械，对中桩位。3)下钻搅拌喷灰:启动搅拌机，使搅拌机沿导向架向下切土，同时开启喷粉装置，两组叶片同时正反向旋转，外钻杆逆时针旋转，内钻杆顺时针旋转，切割、搅拌土体。此时内钻杆上的两层叶片作用为:下一层是破土，上一层为搅拌;外钻头上的两层叶片作用为:搅拌、压灰。搅拌机继续下沉，直到设计深度，在桩端应就地保持喷灰搅拌10 s以上才可停止喷灰。4)提升搅拌:搅拌机提升，关闭喷灰泵，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，链条将钻头提升至设计桩顶标高，完成双向搅拌粉喷桩施工。

3 工程实例

3.1 项目概况

建设中的某高速公路软土地基设计采用干法水泥土双向搅拌桩处理，场地地势平坦低洼，线路区域主要为软土及软弱土，连续分布，土性为淤泥、淤泥质粉质粘土(粉土)，局部地段夹粉砂、粉土薄层，具高孔隙比，高压缩性。有机质含量为0.5%～4.84%，平均值3.38%，层厚4.3 m ～17.5 m，最高层厚达 32.4 m，含水量为35.1%～86%。水泥土双向搅拌桩的布桩为正三角形，桩间距1.5 m，桩径500 mm，水泥固化剂采用42.5号普通硅酸盐水泥，设计水泥用量为65 kg/m，桩长17.0 m。

3.2 质量控制

水泥土搅拌桩属地下隐蔽工程，施工中由于人为因素较大，需要控制的参数较多，因此施工中常会出现一些质量问题。为此，在工程建设开始时，业主聘请相关专家组织“某高速软基处理技术培训班”，提出水泥土搅拌桩相关控制技术参数及控制要点，并明确各参建单位软基处理相应职责及填报水泥土搅拌桩施工管理表格。笔者作为工程建设参与者，针对干法水泥土双向搅拌桩处理软基实际情况，提出以下几点控制要点，以备参考。

3.2.1 加强对施工机械设备管理

干法水泥土搅拌桩施工机械可根据设计要求和试桩资料选取专门的施工机械，建议选用定型产品。每台桩机的粉体发送器必须配置粉料电脑计量装置，并记录水泥的瞬时喷入量和累计喷入量。且计量装置上的任何一个可操作的按钮和开关不得用于设定或操作时间、深度、喷粉重量、桩位编号等参数，防止伪造施工记录。桩机上所有检测记录设备如气压表、转速表、电流表、电子秤必须经过计量部门检验标定并铅封，不合格的仪表必须更换。监理单位也应制作封条对计量仪表进行铅封，并在日常巡视中经常检查封条的完好性。在每台桩机的钻架上画上钻进刻度线，标写醒目的深度，且每台桩机钻架上设置吊线锤，并画上垂直线。

3.2.2 加强对水泥的管理

施工单位应对多家水泥厂进行考察，择优选购质量稳定的水泥厂生产的水泥，确保水泥质量、数量能满足施工要求。施工、监理单位应按规定频率进行水泥质量检验，满足规范要求，严禁使用过期、受潮、结块、变质的水泥。施工单位应指派专人负责水泥的供应、统计工作，每个施工班组、项目部及监理应分别建立水泥使用台账。监理单位应对每日水泥用量进行统计，及时分析水泥用量与水泥搅拌桩施工量的关系，纠正施工中的不正常现象。

3.2.3 加强工艺性试桩管理，严格开工报告审批制度

在施工前，项目经理部应对参加本项工程施工的全体人员进行技术、安全交底，认真学习技术规范、设计文件及学习业主组织的“软基处理技术培训”文件，领会各项质量指标及安全规定，以确保本项工程能够保质保量按期完成。根据设计文件及业主相关规定绘制施工布桩图，并上报签认。选择典型地段按设计文件提供的地质资料及室内配合比试验结果进行工艺性试桩。且每种配合比不少于3根，总桩数不少于10根，以验证室内配合比，确定主要施工工艺指标。通过试桩掌握满足设计单桩喷灰量的各种技术参数，如钻杆下沉和提升速度，喷粉压力、搅拌机转速及进入持力层电流和钻进速度等。另外，通过工艺性试桩掌握下沉和提升的阻力情况，从而选择合理的搅拌钻头形式、钻机功率及搅拌叶片的宽度和倾角等。

根据工艺性试桩结果，编写施工组织设计、安全操作条例，严格执行开工报告审批制度，未经监理工程师批准不得开始施工。按照设计要求对施工场地进行整平，清除障碍物、回填沟塘，根据签认的布桩图放样，定位桩位。

3.2.4 加强对施工现场管理

监理单位应加强对旁站人员的培训及职业道德教育，高度认识水泥搅拌桩施工质量的重要性，认真履行监理职责，完善监理程序，细化监理职责，应做到全方位、全过程的施工监理。水泥土双向搅拌桩质量控制应贯穿施工全过程，应坚持全过程施工监理，并制定每日值班表。

施工前，监理人员应对水泥原材质量、计量设备、搅拌叶片的伸展直径和机械性能进行检查;应对桩位放样进行抽查，其容许偏差应控制在±50 mm;应检查机架垂直度、机架底盘的水平度。

施工过程中，监理人员应随时检查施工记录和计量记录，严格控制桩长、单桩水泥用量及单桩施工时间。随时检查机架的垂直度、机架底盘的水平度、搅拌机提升和下钻速度以及到设计桩长最后30 s的电流和钻进速度等。

如遇机械故障、停电等原因喷粉中断时，监理人员应督促施工单位在3 h内采取补喷措施，其重叠长度不应小于1 m。如果无法在原桩位补喷时，应紧靠原桩位旁进行补桩，并在施工记录备注中填写完整，做好记录备查。

单桩施工结束后，应立即打印成桩资料，严禁补打资料，所有在桩机移位后或室内打印的电脑小票均视为假资料。旁站监理应监督作业班组打印成桩电脑小票，打印好的成桩电脑小票交旁站监理保管。旁站监理应在打印好的电脑小票上手写编号，格式采用:施工标段→桩机编号→旁站监理姓名→日期→序号，其中序号按时间顺序递增且必须连续。施工单位需安排专人负责收集、扫描每日打印的成桩电脑小票，上报监理及业主。

3.2.5 加强对施工、监理单位内业资料的管理

在施工过程中，项目经理部、监理单位应认真做好水泥搅拌桩施工管理工作，细化管理程序。根据各自的管理特点，制定各单位用表。

项目经理部:水泥搅拌桩施工承包协议登记表，水泥搅拌桩施工桩机登记表，水泥搅拌桩施工桩机日工作量统计台账，水泥搅拌桩水泥调拨台账，水泥搅拌桩施工现场记录表等。

监理单位:水泥搅拌桩施工情况日报表，旁站监理工作安排台账，水泥搅拌桩桩机性能验收表，水泥搅拌桩水泥用量台账，水泥搅拌桩施工监理记录表。所有表格应保存完好，及时归档。

4 结论与展望

桩体工程施工结束，经建设单位委派的两家第三方检测公司自检、强检，干法水泥土搅拌桩芯样完整，综合质量评定优良率为96%。

4.1 水泥土双向搅拌桩的优点

1)水泥土双向搅拌桩正、反向同时搅拌，形成全程复搅，使水泥土混合物能得到充分搅拌，从而能使搅拌桩桩体搅拌更均匀，水泥与土充分混合，胶结好，成桩质量高。2)工艺简单，克服人为减少复搅的因素，减小管理难度。3)扰动减少，由于设置同轴的正、反双向钻头，相互抵消了土体对钻头产生的水平旋转力，从而降低钻杆的左右晃动及钻头对桩周围土体的扰动。4)施工的桩长增长，且因机械改进减少复搅施工过程，从而大大缩短了单根桩成桩时间。5)更加经济，由于双向搅拌桩能使桩体搅拌更均匀，大幅度提高桩身强度，从而可以扩大桩间距，使单位体积的软土地基处理工程量减少，达到降低造价的目的。

4.2 干法水泥土双向搅拌桩的缺点

虽然干法水泥土双向搅拌桩能有效解决常规水泥土搅拌桩由于施工过程中冒粉、搅拌不均匀等引起的桩身质量问题，提高桩身质量。但也存在不足之处:对于地下水位以上桩体部分，水泥土水化反应不够充分，水泥土呈颗粒状，桩身成桩质量较差，特别在1.5 m范围内，水泥土标贯击数过低，对桩体质量等级评定严重不利，有望对桩机进行改进。

4.3 展望

对于水泥土双向搅拌桩钻机来说，是土木建设领域中机械的一次革新，大大缩短搅拌桩成桩时间及降低了软基处理施工难度。因此，笔者希望有以下改进:

1)能否结合干法和湿法优点，研制出下部采用干法而上部采用湿法施工的机械。笔者认为水泥土双向搅拌桩钻机作为干、湿法两用机有望能实现。

2)干法水泥土双向搅拌桩钻机送粉与钻进由两人在不同地点控制，存在时间差异，人为因素很大，能否电脑统一控制，自动控制喷粉与钻进。

[1] JGJ 79-2002，建筑地基处理技术规范[S].

[2] JTJ 017-96，公路软土地基路基设计与施工技术规范[S].

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