浅谈水泥搅拌桩施工质量控制

祝启峰

摘要： 水泥搅拌桩在处理正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基方面应用广泛，具有较好的经济效益和社会效益。本文在理论分析和现场实践的基础上，总结了水泥搅拌桩的现场施工工艺，将水泥搅拌桩的施工质量控制要点总结为“把关料源，控制过程”，为水泥搅拌桩的应用提供参考。

Abstract： Cement mixing piles are widely used in the treatment of foundations such as silt， silty soil， saturated loess， plain fill， cohesive soil and saturated loose sand with no flowing groundwater， and have good economy benefits and social benefits. On the basis of theoretical analysis and field practice， this paper summarizes the site construction technology of cement mixing pile， and summarizes the construction quality control points of cement mixing pile as "control source and control process"， which provides reference for the application of cement mixing pile.

关键词： 水泥搅拌桩；复合地基；软基处理；施工工艺；质量控制

Key words： cement mixing pile；composite foundation；soft foundation treatment；construction technology；quality control

中图分类号：TU71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）08-0137-03

0 引言

水泥搅拌桩的施工是通过各种深层搅拌机沿深度方向将软土与固化剂（水泥浆或水泥粉、石灰粉、粉煤灰）外加一定量的掺合剂就地进行强制搅拌，使土体与固化剂发生物理化学反应，形成具有一定整体性和一定强度的水泥土加固体[1]。与其他软基处理方法相比较，水泥搅拌桩具有软基处理效果好、施工工期短、成本低、环境的破坏程度小等典型特点。近年来学者们对水泥攪拌桩的研究较为全面，理论分析的深度和现场应用的广度不断增加[2]，笔者以基于水泥搅拌桩的施工工艺的总结系统分析了水泥搅拌桩的质量控制要点。

1 工程概况

铁路经过滨海冲积平原区，地层为第四系全新统冲击粉质黏土、粉土、海陆交互沉积粉质黏土、粉土、粉砂、上更新统海陆交互沉积粉质黏土、粉土。地下水为第四系潜水，地下水位埋深1.2-1.8m，地下水环境类别为氯盐环境和化学侵蚀环境（以硫酸盐和镁盐侵蚀为主），环境作用等级分别为氯盐环境L2～L3、硫酸盐侵蚀H1～H2。部分路段存在软塑的粉质粘土、淤泥质土，承载力相对较低，采用水泥搅拌桩进行软基处理，设计水泥搅拌桩呈正三角形布置，桩径0.5m，桩间距1.2m，桩长9m～12m，施工设置范围是路堤坡脚外至少布置一排桩。要求水泥搅拌桩桩身材料90天龄期无侧限抗压强度不小于1.80MPa，单桩承载力116.6kN，处理后的复合地基承载力不小于125.1kPa。

2 水泥搅拌桩的作用机理

水泥搅拌桩通过机械利用固化剂将软土和固化剂强制搅拌，使软土硬结成一定强度的水泥搅拌桩，同一区域内多个相邻水泥搅拌桩与桩间软土共同组成水泥搅拌桩桩复合地基[3]，从而提高该区域的地基承载力，减少沉降变形。

当应力作用于水泥搅拌桩复合地基时，同一区域内水泥搅拌桩和桩间软土组成复合地基共同受力。水泥搅拌桩是复合地基的增强体，而桩间软土为复合地基基体，两者共同分担载荷[4]。

由于水泥搅拌桩的强度远高于桩间土体，在载荷作用初期，“硬集多载”效应迫使水泥搅拌桩承担大部分的载荷。在应力持续作用的过程中，随时间增加，水泥搅拌桩在持续应力作用下发生一定沉降，桩间软土间的侧向应力集中程度增加，水泥搅拌桩承担的一部分荷载逐渐向桩间软土转移，导致桩间软土的应力不断增加[5]。同时由于水泥搅拌桩的模量远大于桩间软土的模量，桩间土表面变形大于桩顶变形[6]，桩间土承载力得以发挥，从而减少地基变形。

3 水泥搅拌桩施工工艺

水泥搅拌桩的施工涉及料源、场地、机械、人工等多方面的因素，按照施工的顺序可以分为施工准备和桩体施工两个阶段。

3.1 施工准备阶段

3.1.1 现场准备

①施工场地平整。水泥搅拌桩施工场地一般位于地下水位较丰富的软土区域，其地表杂草、灌木及农作物等植被较为丰富，为了方便后期路基施工作业，必须对场地彻底清表。对洼地、水沟等低于设计标高的易积水区域抽干积水，用粘性土分层回填夯实整平，回填土每层厚度不得大于0.5m，压实度在70%-85%间。水泥搅拌桩的施工场地平整合格后及时通水、通路和通电，并在场地两侧开挖排水边沟保证场地不积水。

②人员机械准备。水泥搅拌桩的施工需要有能够长时间持续作业的搅拌机械设备和熟练的操作工人，机械设备整体进场前必须做专业检测，满足要求后方可进场。对拆卸运输，进场组装的搅拌机需要在场地完成组装后进行试生产，经试桩合格后方可具备生产资格。设备开钻之前组织检查搅拌机械的主要监测设备，电脑记录仪、压力表、密度计等各种仪器仪表必须进行标定。在钻头落地的情况下标示出钻杆“零”起点的位置，然后在桩机的钻杆上准确画出每米的深度标示线，并在设计桩长处做醒目标志。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通过试桩确定。

水泥搅拌桩的施工班组一般由水泥工、司机、测量工、维修工、技术员及管理员等基本工种组成，全部专业工种必须持证上岗，且经技术培训考核合格后方可施工。

③料源准备。根据设计要求，水泥搅拌桩的主要原料为用P·S·A 42.5矿渣硅酸盐水泥和沟渠水，水泥按规范要求取样，检测合格后方可使用。施工场地外建好水泥专用存储库，基底铺设塑料布，防止水泥受潮，堆放高度不得超过10袋；沟渠水使用前做水质化验，满足要求后后方可使用，并设置两道滤网，滤除杂质。

3.1.2 技术准备

①依据工程地质勘察资料和室内配合比试验，水泥掺量为被加固湿土重量的16%，掺入量61kg/m，水泥浆水胶比0.52，水泥浆液比重为1.730g/cm3。

②在施工前组织现场施工负责人及桩机组机长召开技术交底会，主要落实施工工艺、施工过程中的管理制度、关键点、资料的统一、桩基检测等内容。

3.2 桩体施工阶段

该工程水泥搅拌桩施工采用“四搅两喷”法施工，其施工工艺如下：

测量放线→桩机就位、对中→制备水泥浆→搅拌喷浆下沉→喷浆、搅拌、提升→重复搅拌下沉→重复搅拌上升→成桩结束移位→地基处理效果检测

①测量放线。按设计要求，进行现场路基设计坡角进行测量放线，重点对控制性轴线、桩位进行复查，定出桩位，并打入小木桩，并报监理验收。

②桩机就位、对中。本工程采用双轴型钻头桩机，移动桩架到达指定桩位，使钻头中心对准设计桩位。施工前检查钻头的直径，确保桩径符合设计要求。待桩机就位后，用吊锤检查调整钻杆与地面垂直度，垂球重量不可太小，吊绳不得小于2m，确保垂直度偏差不大于1%，防止施工时桩机倾斜而导致检测时桩体无法检测到底。

③制备水泥浆。根据设计用灰量（每米61kg）、桩长、水灰比拌制水泥浆，检测水泥浆比重和稠度。检测合格后拌好后的水泥浆过筛后倒入储料桶中，并在搅拌桶内做出明显标识。每个浆罐配备1个比重秤，用于测定水泥浆比重。搅拌过程中不得在搅拌桶和储料桶内随意加水，严禁下料口处封闭不严密。水泥浆进入储料桶内必须不停搅拌，保证制好的水泥浆不离析。及时清点库存水泥数量、进场水泥数量，根据当天施工数量核算水泥用量。

④搅拌喷浆下沉。桩位定好后，启动电机，放松起重机钢丝绳，使浆喷桩机沿导向架自上而下浆喷切土下沉，开启灰浆泵同时喷浆，边喷浆边旋转，钻进速度控制在0.8～1.0m/min，使水泥浆和原地基土充分拌和，以防止出浆口在下沉过程中被土团所堵塞。钻机速度由电机监测表控制，工作电流不应大于70A，直到下沉钻进至桩低标高，并原位噴浆30s。

⑤喷浆、搅拌、提升。水泥深层搅拌桩机下沉到设计深度后，边喷浆边旋转，提升时严格按照设桩确定的提升速度（0.5～0.8m/min）提升搅拌机并喷射余下的水泥浆。搅拌机提升到离地面以下1m后宜慢速；当喷浆口即将出地面时，应停止提升并原位喷浆搅拌数秒，以保证桩头均匀密实。

⑥重复搅拌下沉和提升。为使软土和水泥浆搅拌均匀，再次将搅拌机边旋转边沉入土中，至设计加固深度后再将搅拌机边旋转边提升出地面，注意控制钻进速度和提升速度。在成桩过程中遇有故障而停止喷浆，第二次喷浆接桩时，其重叠长度不得小于0.5m，接桩间隔时间不得大于3h，否则应重打该桩。

⑦成桩结束移位。当搅拌机完成“四搅两喷”流程后，停止主电机、空压机，打印电脑票，填写施工记录，其内容包括：施工桩号、施工日期、起止时间、喷浆深度、停浆标高、喷浆压力、钻机转速、钻进速度、提升速度、水泥浆用量等。桩机移位进行下一根桩施工，重复“四搅两喷”流程。

钻机完成当日工作量后钻头移至施工区外，向储料桶中注入适量的清水，开启灰浆泵，清洗全部管路中残余的水泥浆，直至管路及钻头清洗干净，并维护保养。

4 水泥搅拌桩施工质量控制关键点

水泥搅拌桩属于野外作业范畴，受天气的影响较大，本次重点分析在常规条件下的施工质量控制关键点，并冬季及雨季的特殊施工措施加以总结。根据水泥搅拌桩的作用机理和施工工艺，结合施工实践经验，笔者认为水泥搅拌桩的质量控制关键为“把关料源，控制过程”。

4.1 常规条件下质量控制关键点

4.1.1 原材料把关

水泥搅拌桩的主要原材料为固化剂和水，原材料的好坏将直接决定水泥搅拌桩的强度和可靠性。合乎设计规范的固化剂是保证水泥搅拌桩施工质量的前提，水泥的使用要综合考虑土质情况、供应关系、成本核算等多方面的原因，根据水泥搅拌桩桩身无侧限抗压强度要求、水泥掺量要求、水泥浆水胶比要求及地质情况，选用合适的固化剂。现场所用固化剂品种和质量必须按要求抽样做安定性、强度等试验，并取样进行试验，检验合格后方可使用。

水是固化剂的主要运输载体，施工现场周边的自来水管道、河流、沟渠、深井等都是潜在的水源，水泥搅拌桩的施工用水首要考虑的自来水及人畜可引用水源，且必须做水质和腐蚀性分析，符合检验标准后方可使用。

4.1.2 配合比控制

理论分析和现场实践均表明：同一地质条件下，相同品质的水泥和水，不同水泥浆掺入量形成的搅拌桩的强度差异较大[7]。实际应用过程中，同一地质条件下的配合比应结合理论分析、实验室检测和现场试验共同确定。施工现场应根据地质情况及室内配比进行工艺性试桩，通过试验确定水泥掺量及水灰比。

4.1.3 水泥浆剂量的控制

配合比是保证搅拌桩强度的前提，单桩水泥剂量及水泥浆的均匀性直接决定了水泥搅拌桩的质量好坏。施工前必须根据配合比标定用水量及水泥掺入量，严格按设计给出的水胶比进行制浆，以确保桩体水泥每米掺入量以及水泥浆用量达到设计要求。

桩机的钻进速度、搅拌速度及提升速度是保证桩体浆量均匀性的关键，试验表明[8]：均匀性与搅拌次数成正比，但与施工质量却呈反比，当加固范围内的任意点的水泥土经过20次拌合后的强度可以达到峰值。

根据载荷的传递规律，水泥搅拌桩的桩身为应力传递区，桩头和桩底部位是主要的承载区，需增加桩头和桩底区域的水泥浆用量，并增加复搅程序，以增加该区域的强度和均匀性。

现场实际应用过程中，为方便水泥浆剂量的实时控制，每台机械配备电脑记录仪，配浆桶处放置泥浆比重计，使用足够的压力和持久稳定的输浆能力的输浆泵，且做到到一桩一配浆、一桩一桶料、一桩一清池（配浆池）。机械钻搅拌头翼片数量增加至6片，保持翼片与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度匹配，钻头钻进速度为0.8～1.0m/min，提升速度为0.5～0.8m/min，喷浆时管道压力不小于0.40MPa，搅拌桩机下在浅部桩头和深部桩底部位原地边喷浆边旋转30s，以增加该区域的强度和均匀性。

4.1.4 桩长、桩位、桩径的控制

水泥搅拌桩加固区域的地基承载力特征值fspk：[9]

fspk=m■+？茁（1-m）fsk（1）

式中：fspk为加固后的地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率；Ra为单桩承载力特征值，kN；Ap为装的截面积，m2；β为该区域土的承载力折减系数；fsk为该区域土的地基承载力特征值，kPa。

β和fsk为确定值；面积转换率m决定桩的桩径、桩间距和布置方式，m与桩的强度呈正比；Ra由桩长和地层参数确定，因此现场实践中，桩长、桩位、桩径都可以通过调整面积置换率m来实现。相同的材料应用与同一区域时，密集短桩布置方式可以显著提高该区域的承载强度，长桩布置方式可以减缓下沉量。

通过试验确定好桩长、桩径和布置方式并应用现场实践时，桩长的控制可分为机械控制和人工控制两种方式。机械控制是在桩机机体上布置度盘读数器，通过控制钻杆钻入深度的圆盘指针读数直接反映出钻桩的长度；人工控制需要在钻机搭架上做出明显的标记，在设计桩长深度位置、没进钻的钻顶的位置贴上（划上）明显标记，通过人为识别确认桩长。桩位的控制主要分为桩间距控制和垂直度控制两方面，桩间距控制可以提前布桩，即通过测量放样确定桩位后钉小桩，然后撒上白灰点；垂直度是桩位控制的关键，可在装机的钻塔上布置一定绳长的吊锤球。桩径控制的要点在于钻头的尺寸控制，要求不小于设计直径，磨损量不得大于10mm，磨损超限时及时焊补。

4.2 特殊条件下施工质量控制关键点

4.2.1 冬季施工质量控制

冬季是水泥搅拌桩施工的困难期，冰冻和低温是威胁水泥搅拌桩施工质量的两大因素，因此冬季水泥搅拌桩的施工要在常规施工质量控制的基础上重点做好防冻和保温措施。

①防冻控制关键点。冬季测量放样点、浆液配合比容易受冰冻的影响，冬期施工布桩轴线引出的距离应适当增加，以免在打桩时受冻土硬壳层的影响，且水准点的数量不应少于两个，并随时与永久性的水准点校核。在进入冬期施工前试验室对配合比进行调整，要求水泥浆加入适量的早强防冻剂[10]，并对水源采取加温处理，确保钻头出浆口的浆液温度符合设计要求。

②保温控制关键点。冬期天气寒冷，气温较低，首先要对原材料和浆液输送管路采取保温措施，即水泥采用土工布、防火草帘进行覆盖保温，制浆用水及浆桶采取加温措施，泥浆输送管采用保温材料包裹进行保温输送。其次每日的施工时间选择在温度较高的9：00～16：00之间，在成桩的过程中随时监测外界和桩体内部的温度变化，并绘制测温孔布置图。最后水泥搅拌桩施工完成要有保温层，现场必须在增加桩头喷浆量的基础是上采用桩头上方空搅50cm表土作为保温覆盖层或者其他可靠的保温措施。

4.2.2 雨季施工质量控制

雨季的潮湿和降雨环境对施工所用原材料、配浆桶及施工场地等影响较大。雨季施工，首先要做好场地的排水设施，场地整平时按照4%坡度做好人字形排水坡[11]，施工时场地中间向两侧循环进行；管理好施工材料，水泥必须堆放在有防水防潮措施的密封料场内，料场周边挖好排水边沟，防止水泥受潮；配浆桶位置必须高于原地面20cm以上，且布置防水防风顶棚。雨季施工时需在桩顶一定范围内增加喷浆量以提高樁顶强度。当降雨量较大时，停止施工。

5 结语

水泥搅拌桩是软土地基处理的常用方法之一，能够有效的提高软土地基的承载力和抗侧向变形强度，减少地基的沉降量。由于其桩体具有隐蔽性，因此对其质量的控制应坚持“把关料源，控制过程”，针对特定的地质条件设计符合自身实际的桩体参数和施工工艺，确保水泥搅拌桩的施工合理可靠，质量上乘。

参考文献：

[1]蒋立恒.水泥搅拌桩在路基软基处理中的应用[J].现代企业文化，2008（12）：148-149.

[2]张百东.水泥搅拌桩在建筑工程软基处理中的应用[A].山西建筑，2007（6）：103-104.

[3]李嘉丽，严庆丰.谈水泥搅拌桩质量控制要点[A].山西建筑，2012（3）：99-100.

[4]张杨.公路深层软基处理中水泥搅拌桩的施工质量控制[A].中国科技博览，2014（2）：566.