水闸施工中水泥土搅拌桩的运用研究

李季寰

（怀化市水利电力勘测设计研究院 怀化市 418000）

水闸施工中水泥土搅拌桩的运用研究

李季寰

（怀化市水利电力勘测设计研究院 怀化市 418000）

水电工程中水闸一般都修建在土基之上，土基的有限承载力和较弱的抗冲抗渗能力使得对地基的处理尤为必要。文章以某平原河道的水闸施工为研究背景，探讨水泥土搅拌桩在水闸闸室段地基处理中的运用。文章主要对水泥土搅拌桩的施工工艺、技术要求以及质量控制方法等方面进行系统的分析和研究。

土基 水闸 水泥土搅拌桩 施工工艺 技术要求 质量控

水闸[1]作为一种低水头的水工建筑物，主要由闸室段、上下游连接段三部分组成，大多数水闸都建在土基之上。土基的承载力、抗冲刷力、抗渗能力都较差，同时水闸下游长期受低弗劳德数的波状水跃和折冲水流的作用，会对河床和岸坡带来持久的冲刷，严重影响闸室段的结构稳定，因此需要对水闸所在地基进行加固处理。地基处理常见的有垫层法、强夯法、砂石桩法、水泥土搅拌桩法、高压喷射注浆法等。本文主要研究水泥土搅拌桩法在地基处理中的作用。

水泥土搅拌桩[2,3]的工作原理为利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过搅拌机械设备，在地基深处就地将固化剂与地基土强制搅拌，通过二者间所产生的一系列物化反应，硬结成具有整体性和一定强度的水泥加固土，从而提高了地基强度和增大变形模量。它具有加固效率高、破坏性小、造价低廉、坏境友好等特点[3]。其工作原理如图1所示。

水泥土搅拌施工可分为高压喷射注浆法和深层搅拌法两种，前者适用于处理淤泥质土、粘性土、黄土、沙土等地基。后者适用于处理淤泥质土、含水量高且承载力标准值不大于120 kPa的粘性土等地基。

1 工程背景

图1 水泥土搅拌桩施工原理

本水闸工程按1级建筑物级别设计，采用开敞式平底闸布置与平原河道中，水闸共设2孔，纵向长50.0 m，横向宽80.0 m，闸室段底板厚4.0 m，左右岸上、下游翼墙和导墙总长分别为140 m和168 m。其施工平面布置图如图2所示。

本水闸工程是建立在平原河道地基之上，土层结构分布复杂，地基承载力较弱。上部为压缩性大、承载力低、抗震强度差的软土层，含有大量的壤土和粘土；中部为结构松散、易于液化、抗冲能力低粉细砂层；下层为第三系泥质粉砂岩构成。具体土层分布如表1所示。

该土质地基不利于闸室段的稳定，需采取地基加固措施，本工程采取水泥土搅拌桩法进行地基的加固处理。水泥土搅拌桩工程总量为121 080 m，桩径（50～70）cm，深度（12～15）m，布置形式有栅格和单桩两种形式。

图2 水闸平面布置图

表1 闸基土层性状及分布

文章就结合具体工程实践， 对水泥土搅拌桩的高压喷射注浆法进行工艺、关键技术要求、施工质量控制等方面的的分析和研究。

2 水泥土搅拌桩施工工艺

2.1 水泥浆制备工艺

水泥浆液[3,4]作为水泥土搅拌桩最为重要的反应物， 首先需要确保其浆液质量符合物理性能和力学性能的要求， 同时也需要保证浆液的制备满足施工连续性的要求。 具体浆液制备工艺见图3所示。

由图3可知，在水泥浆液制备过程中，需要注意以下几点内容：

（1）计量准确。在制备浆液前，需要根据水泥土搅拌桩的长度、 布桩范围准确计算水泥土搅拌桩的工程量，以此来作为水灰比、外加剂需求量的依据。

（2） 物理参数测定。 水泥浆的物理参数主要涉及比重、粘度、初凝时间、终凝时间等。对水泥浆物理参数的试验测定， 用来作为固化剂物理性能和力学特性的参考。 对于不合格的浆液进行返工处理或者重新配置，直至合格后泵送。

图3 水泥浆液制备流程

（3）连续性作业。在水泥土搅拌桩施工过程中，水泥浆液的泵送尽量避免中断。 因为浆液的临时中断会影响该孔水泥土复合物的整体性， 同时也影响施工效率。

在本工程具体施工中，水泥浆液用42.5级的普通硅酸盐水泥，制备工艺严格按照上述程序进行。对水泥浆液的物理参数、力学性能进行科学的测定，确保水泥浆液符合质量要求。

2.2 水泥土搅拌桩施工程序

水泥浆液制备完成之后， 进行水泥土搅拌桩的具体施工。 水泥土搅拌桩详细施工流程[4,5]主要包括固定桩位、桩机对位、搅拌下沉、喷浆搅拌提升至地表，该搅拌桩完成之后便可进行下一桩的施工。具体的施工流程见图4所示。

图4 水泥土搅拌桩施工工艺

由水泥土搅拌桩的工艺流程可知， 施工有着严格的程序步骤， 每一步骤都直接关系到水泥土搅拌桩的质量，现逐一对其进行分析。

（1） 桩位放点。施工前先平整清扫场地，按照设计要求进行测量放线，并做好桩位的标记。同时调整搅拌机身使搅拌轴呈铅直状态。

（2） 搅拌下沉。 搅拌下沉要严格控制桩机的下沉的深度和速度，一般速度由电机电流监测表控制，此步骤还需在待压浆前将水泥浆倒入储料坑或罐中，使搅拌机下沉与浆液的配送协调配合。

（3） 喷浆搅拌提升。搅拌机下沉至设计深度后，按设计确定的提升速度， 边提升边由搅拌叶片将水泥浆与土体搅拌，直至提升到设计桩顶高程，即完成一次搅拌过程。搅拌提升速度要匀称，确保水泥浆与土体充分搅拌。

（4） 重复搅拌下沉。重复搅拌下沉提升，此步骤不可忽略， 重复搅拌下沉和提升使得水泥土混合更加均匀，提高整体的强度。

（5） 移桩。搅拌机移位到下一根桩，重复以上工序，完成下一根桩。

本水闸工程施工中， 严格按照上述工艺流程就行科学的施工，确保了施工的顺利进行。

3 水泥土搅拌桩关键技术要求

水泥土搅拌桩对施工技术的要求比较严格，除了在水泥浆的制备流程和水泥土搅拌桩施工程序环节进行控制外， 还需要对具体施工中的关键技术点进行控制，使其施工整体质量符合要求。参照本工程具体实践经验， 对水泥土搅拌桩的关键技术点进行了以下分析：

（1） 施工平台。 施工平台的高度需要超出设计桩顶高程0.5 m，高程误差控制在±0.15 m的范围，桩位最大允许偏差±0.02 m。

（2） 桩轴线。为了使搅拌桩垂直于地面，每根桩施工前均须采用水平仪对桩机进行调平， 确保桩的偏斜率不大于0.5%。

（3）先导孔设置。为了掌握地层岩性及搅拌桩底线高程， 沿地基轴线每隔50 m布设一个先导孔，局部地段地质条件变化较严重的部位，适当加密钻进先导孔。

（4）连续灌浆。水泥浆液制备时要防止发生离析，供浆、供水必须连续，一旦中断将喷管下沉至停供点以下0.5 m，待恢复供应时再旋喷提升。

（5） 桩位高程。 施工停浆面必须高出桩顶设计标高0.5 m，结合基坑开挖进行桩头挖除。 桩头开挖时需要采取有效措施防止施工损坏桩体。

4 水泥土搅拌桩质量控制

4.1 水泥土搅拌桩施工质量控制

质量控制一直是施工程序中的重要环节， 在水闸地基的处理过程中， 为了提高水泥土搅拌桩整体的施工质量， 参考水泥土搅拌桩的制浆流程和施工流程，配套编制了质量检查流程图，如图5所示。

图5 水泥土搅拌桩质量控制流程图

对质量控制流程图进行分析，主要有以下关键点：

（1） 复合。主要是对搅拌桩的铅直度、水泥浆的比重、粘度、初凝时间等参数进行复合。确保施工条件的准确性。

（2）控制。主要是对搅拌桩的最低深度和最高位置、搅拌机的提升速度进行控制，确保搅拌桩在规定的速度范围内进行充分搅拌作用，并到达设计深度。

（3） 检查。 一根桩的水泥浆用量在一个数值范围波动，通过浆液剩余量可以反映搅拌是否充分，对于过剩的浆液进行重复搅拌施工， 确保该桩位的施工质量。

（4） 记录。当前面所有步骤都完成时，需要对该搅拌桩的施工进行现场记录， 这为后期进行抽检验收提供依据和参考。

在本水闸地基处过程中，通过参考该质量控制流程图，大大提高了质量控制的实效性，确保了搅拌桩的质量。

4.2 水泥土搅拌桩成品质量检查

水泥土搅拌桩成型后，采用随机抽样的方法进行质量检测。常用的质量检验方法有钻孔取芯检查法、开挖检查法、承载力检验法、动力触探法、围井检查法等。本水闸工程水泥土搅拌桩主要采用了前三种质量检测方法。

（1）钻孔取芯检查。在施工后28天，随机用钻机抽芯取样。主要检测单轴抗压强度、渗透系数、芯体完整性三项指标。随机抽样检测数量不少于总桩数0.5%，完毕之后并用水泥砂浆封孔。

（2）开挖检查。在桩体周围开挖（2～3）m深度进行检测。主要观测桩体外观有无蜂窝、孔洞，各桩之间切割搭接是否满足设计要求，搅拌桩直径是否在（0.5～0.7）m范围这三项内容。随机抽样检测数量不少于总桩数的5%，完毕之后回填。

（3）承载力检验。在搅拌桩成桩28天后按照复合地基载荷试验和单桩载荷试验进行检测，随机抽样检测数量不少于总桩数0.5%。

通过对本工程成品搅拌桩进行质量检查，其检测结果如表2所示。

由表可知，水泥土搅拌桩质量完全符合规范要求，施工高效高质量地完成了地基的处理工作。

5 结 语

水泥土搅拌桩作为地基加固处理的方法之一，以其特殊的施工原理和简单的工艺流程备受青睐。本文基于某平原河道水闸工程为工程背景，对水闸地基进行水泥土搅拌桩的应用研究，其中着重对制浆流程、水泥土搅拌桩施工程序、关键施工技术要点以及水泥土搅拌桩质量控制四个方面进行了分析和研究。

表2 水泥土搅拌桩施工质量参数表

本工程通过科学的现场施工和管理，用水泥土搅拌桩技术有效的提高了水闸地基的整体承载力，克服了地基的沉降变形，满足了工程要求。其工程经验可供类似工程参考。

[1]陈胜宏，陈敏林，赖国伟.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[2]侍倩.土力学[M].武汉：武汉大学出版社，2010.

[3]何开胜.水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方法[J].岩土力学，2002，23（6）：778-780.

[4]李蓉,侯天顺.水泥土搅拌桩及其在软土地基加固中的应用[J].建筑科学.2008（5）.

[5]徐超，董天林，叶观宝.水泥土搅拌桩法在连云港海相软土地基中的应用[J].岩土力学，2006，27（3）：495-498.

2017-01-22）

李季寰（1982-），男，苗族，湖南靖州人，大学本科，工程师，从事水利水电工程设计与研究工作，手机：13469327625，E-mail：24976260@qq.com。