软土地基处理深层水泥搅拌桩施工技术分析

邝代华

摘 要：基于笔者专业知识的应用，以工程实例为依托，本文就深层水泥搅拌桩施工技术在建筑工程软基处理中的应用进行专业分析，旨在规范施工工艺，强化施工质量，实现工程建设安全生产。

关键词：软土地基；深层水泥搅拌桩；加固机理；施工工艺

1 水泥搅拌桩的加固机理

1.1 水解与水化反应

利用水泥搅拌桩实施软土加固，在将软土与水泥充分搅拌后，其所形成的结合体中水泥颗粒表面的各种矿物与水接触后便会首先发生水解与水化反应，通过该反应的作用，水泥表面的氧化物便会生成SFCa（含水铁酸钙）、CaSiO3（含水硅酸钙）、Ca（AlO2）2（含水铝酸钙）以及Ca（OH）2（氢氧化钙）等化合物，以此很大程度上降低了地层中软土的含水量。

1.2 硬凝反应

由于大量SiO2（二氧化硅）与Al2O3（三氧化二铝）存于黏土矿物中，二者在与水泥水化作用产生的大量Ca2+反应后便会形成一些不溶于水、结构致密且稳定性好的结晶化合物，并且随着时间的推移，这些结晶化合物会在逐渐硬化的同时对水分形成阻止作用，进而逐步提升水泥土强度且最终形成具有良好稳定性的水泥硬化土。

1.3 粒子交换及团粒化运动

作为一种三相体系（固、液、气），当土体中液态含量（即含水率）偏高时便会表现出一种胶体特性，黏土颗粒在天然状态下自身带负电荷且被阳离子包围，此时便会形成胶体微粒，而在一般情况下，这种胶体微粒大多是指大量Na+与K+附着于SiO2表面而形成土粒中含量最多的硅酸胶体微粒，这些胶体微粒的存在使软弱土体的强度实现了大幅提升。胶体微粒的生成使凝胶粒子的表面积相比之前的水泥颗粒增加了近千倍，促使其表面产生强大的吸附能力，进而将其周围的土团颗粒不断吸附结合形成结构团粒，以此促使水泥土强度因结构团粒的联结稳固与密闭空隙而实现有效提升。

1.4 碳酸化作用

碳酸化作用主要是由Ca（OH）2中的Ca2+与空气所含CO2经化学反应生成具有沉淀特性的CaCO3，其不仅拥有较好稳定性，同时也使水泥土强度得到增加。但需指明的是，由于碳酸化反应过程较慢，因此对水泥土强度提升缓慢且增幅较小。其反应方程如下式所示：

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

2 深層水泥搅拌桩施工技术在软土地基处理中的应用

2.1 工程概况

某建筑工程施工场地位于废弃鱼塘，区域形状近似于矩形，长156m，宽112m，总面积约17500m2。地勘报告显示，该区域以压缩性高、承载力低且天然含水量与孔隙比较大的淤泥质土为主，平均厚度3.8m，最大与最小厚度分别为5.6m和2.4m，地质特点呈现为典型的软弱地基。为有效改善该区域地基承载能力，使其满足工程建设需求，经专家论证采用深层水泥搅拌桩对该区域实施软基加固处理，具体设计桩径500mm，桩距1.2m～1.5m渐变，桩长9.0m～12.5m不均，布置方式采用正三角形梅花型，采用一次喷浆、二次搅拌工艺。本工程固化剂采用32.5普通硅酸盐水泥，经试验配制与试桩工艺，确定施工水胶比与水泥掺量分别为0.50（一般为0.45～0.50）和15%（一般为12%～16%）。

2.2 工艺试桩

基于深层水泥搅拌桩适应性的考虑，为保证施工工艺的科学性与软基加固的有效性，正式成桩前有必要通过试桩工艺对深层水泥搅拌桩的适应性与可行性进行验证。此外，通过工艺试桩，还可以设计为依据获取与优化各种施工参数：①影响水泥浆液喷量的因素，如喷浆压力、提升速度与单位时间喷浆量等；②验证预定流程，提升搅拌均匀性；③了解下钻与提升过程的阻力大小，优化技术措施；④确定最佳水胶比与水泥用量；⑤以单桩承载力为依据，确定适用于本工程的施工掺入比，同时对复合地基承载力进行校核。

2.3 技术要点

（1）钻机就位。钻机安装应确保其平稳、牢固无晃动现象，同时控制水平偏差≤50mm，垂直偏差≤1.0%。本工程所用搅拌钻机型号为PH-5B，同时配备PJ-1型记录仪用来记录喷浆。

（2）水泥浆制备。以15%掺量计算出桩体水泥用量为50Kg/m，搅拌时间以3.5min控制，完成后实施过筛处理，以防浆液出现离析病害。当因施工需要需添加外加剂（如高效减水剂）时，应以试验的方式确定其具体用量。

（3）预搅下沉。启动钻机，空压机伴随着起吊钢丝绳的放松过程开始送气，调整钻机正钻速度于80～135r/min之间。沿导轨搅拌钻进过程中，下沉速度不宜过快，以0.8～1.0m/min为最佳控制，调整好钻机参数后，应连续钻进至设计深度。对于钻进是否达到持力层的判定，具体可以钻进速度与电流表读数为依据综合分析，当遇硬层（一般为持力层）时电流标的读数会发生突变。

（4）提升喷浆搅拌。钻进至设计深度后，开启喷浆泵于喷浆口喷浆搅拌（正钻）30s，并在搅拌均匀桩端土与水泥浆液后，在持续喷浆的同时反向旋转搅拌提升至地面，且在期间控制提升速度≤0.8m/min。当喷浆提升至距离地面300mm～500mm时，为保证桩头强度与密实度符合设计要求，此时应停止提升并喷浆搅拌30s，桩头强度与密实度可根据荷载的传递与扩散原理进行分析与判定。对于喷浆泵参数的控制，其压力应为0.4MPa～0.6MPa，喷浆速度宜为40L/min～60L/min，具体以桩长为取值依据，长桩取上限，短桩取下限，但是必须控制水泥用量≥50Kg/m。

（5）复搅。提升喷浆搅拌完成后，如若喷浆量达到设计要求，此时为保证水泥土混合物搅拌均匀，则应在关闭喷浆泵后再次将钻头正向旋转下沉至设计持力层（即设计深度），然后反向旋转提升至地面，并待水泥土板结凝固后将桩顶高出部分挖除；如若与设计相比喷浆量不足，则应在二次钻进下沉时打开喷浆泵补浆至1/3～2/1桩长且不小于5m位置处，其后便可按上述措施进行处理。

2.4 质量控制措施

（1）通常情况下，桩深设计以进入持力层50cm为宜，如若过深，则易出现下述病害：①底部成桩因压力过大致使水泥浆液难以渗入，成桩困难且无法保证桩长满足设计要求；②一般情况下，由于持力层设计为土质较硬的黏土或亚黏土，因此桩端进入过深易使带浆下钻困难甚至无法下钻，难以有效拌碎土体；③如若桩端进入持力层过深，为防止出现堵管现象，只能采取持续喷浆的方式，此时对于水泥用量会因桩底下钻速度过慢而明显增加，且易造成顺钻杆出现水泥浆外溢现象，致使材料浪费的同时降低了施工效率。

（2）如遇钻进时硬层夹于地层某一深度，可以工程实际地质状况为依据采取以下处理措施：①当硬层厚度≤50cm且下钻相对容易时，可稍加回浆量并继续钻进将硬层在短时间内穿透；如遇下钻困难，应在加重动力钻头的同时将回浆量及时增大，为提升钻进速度，并于最底部横向刀片上焊接锋利的破土刀片，以此将硬层快速穿透（切勿缓慢钻进）；②当硬层厚度>50cm时，可将该层直接作为持力层无需继续钻进，如此可有效避免因硬层难以搅碎且水泥浆液渗入困难而造成断桩情况发生。

（3）钻机一旦开钻，其过程应连续施工不得间断，同时对起喷与停喷高程须严格控制。钻进过程中如因客观原因（如机械故障）不得已出现停浆现象，则应将中断高程及时记录后下沉钻头至停浆点以下500mm处，并带喷浆恢复后再提升重新搅拌，同时控制复搅重叠长度≥1.0m；停机如若超过3h，则应先将输浆管路拆卸后清洗干净；停机如若延续至12h，则应根据现场实况与设计依据采取补桩措施。

3 水泥搅拌桩常见质量问题、原因及控制措施

3.1 质量问题

基于本工程的实际应用及取样检测，在所查出的问题桩中，水泥浆液堆积现象普遍存在，其从十几公分甚至于桩轴部位形成水泥芯柱，致使其他部分位置水泥浆液过少，从整体上降低了桩体强度。实践表明：水泥搅拌桩中水泥土的搅拌均匀性为影响桩体强度的关键性因素。

3.2 原因分析

本文在结合本工程施工实况的同时，通过其他案例的调查与有关资料的查阅，就水泥浆液堆积病害的形成原因，总结为下述3个方面：（1）施工工艺与机械设备选择缺乏合理性。主要以出浆口方向与位置偏差过大、喷浆提升不匀速为表现，亦或是因电机功率较小而使转速过慢、压浆泵压力不足、搅拌叶片层数过少而导致。（2）在喷浆口桩轴位置，因出浆口控制失当而使水泥浆液形成堆积现象，同时伴随表现为叶片外缘浆液缺乏。（3）喷浆方式不合理。在提升喷浆与下沉喷浆选择中，出于浆液用量的保证，目前大多施工中在初次下沉时便会伴随喷浆操作，但是此时由于土体并未完全搅碎，因此导致所喷浆液无法及时扩散于四周，进而容易在出浆口位置出现浆液堆积现象甚至形成芯柱。

3.3 控制措施

（1）采用提升式喷浆。基于上述原因（3）的分析，施工过程中如若采用下沉式喷浆，受土体差异的影响，极易造成浆液分配出現不合理现象，对于软土体，下沉容易及速度增大会使浆液喷射不足；对于硬土体，下沉困难及速度降低会使浆液喷射过量。首次搅拌下沉的操作，其目的在于将土搅松并以此为注浆开辟路径，同时还可减小不均匀地层中软、硬土的侧阻力差异。对于2上2下工艺中局部浆液过多等搅拌不均匀缺陷的防治，规范要求通过增加喷浆次数与增设二次循环下沉喷浆的方式来予以消除。

（2）桩体底部布置适量浆液。首次搅拌下沉至桩底时停留并喷浆约60s时间，可有效防止注浆深度不足或桩底喷浆过少病害的发生。该方法目前在国外工程实例中应用较多，但效果表现良好，因此在我国值得推广。

（3）当搅拌桩长>15m时，对于搅拌轴转速与叶片切土能力的保证，应通过适当增大搅拌功率的方式来实现；利用检测手段，及时发现不良部位并进行处理；降低搅拌提升速度，以此增加搅拌次数与水泥浆液喷浆量。基于我国现实情况的分析，由于“定量泵送”为国产机械对水泥浆液输送的主要方式，因此喷浆次数与提升速度共同决定了注入桩体的水泥用量。

4 结语（实践总结）

（1）基于加固机理的分析与工程实践的总结，可知水泥掺量对桩体强度的影响存在一个限值，当达到该限值时，如再单纯的增加水泥用量则对桩体强度影响不大，此时搅拌均匀程度则表现为影响桩体强度的主要因素。

（2）钻杆转速与复搅次数为除水泥用量外影响成桩质量的关键性因素，对于成桩工艺与成桩质量的评价，其过程应以软基实况为结合通过各因素的综合分析来客观、合理的制定可行、有效的措施，其中分析因素主要包括施工地段、软土性质与土层分布等；

（3）对单桩承载力的提升仅靠增加桩长是存在一定上限的，而对桩长则应根据建筑物允许沉降来实施确定。

（4）为改善水泥搅拌桩受力及传力状态，我国目前采用传统的加设垫层方式，今后可在此基础上对该构造方式实施创新与改进，如加设钢筋网和新材料于桩体结构中。

参考文献：

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