微振型素混凝土桩芯劲性复合桩施工质量控制研究

闵 瑞 江苏省水利建设工程有限公司工程科科长，工程师

周宏萍 江苏省水利建设工程有限公司办公室主任，工程师

蔡 雷 江苏省宿迁市水务工程建设管理中心工程科科长，工程师

劲性复合桩是一种将水泥土搅拌桩成本低与钢筋混凝土预制桩强度、刚度较大的优点结合的组合型桩体。劲性复合桩的素混凝土内芯对混凝土的坍落度要求较小，一般控制在4 ～6 cm 即可，以往这样的低坍落度只能在现场搅拌[1]。

施工中创新采用内部自制的二次机械搅拌集料装置，保证远距离运输至现场的商品混凝土通过二次搅拌在损失部分坍落度的情况下，能迅速改善混凝土性能，在满足振动沉管混凝土内芯成型质量要求的同时保证文明施工。这种装置有效替代了滚筒搅拌机、计量称重台、手推车、搅拌机水箱等设备，进出场方便，就位校准更迅速，适用于对混凝土坍落度性能及现场扬尘控制有特殊要求的劲性复合桩施工。

1 劲性复合桩微振成型柱状桩芯采用商品混凝土灌注施工的质量控制分析

1.1 振动沉管素混凝土内芯成型的不利因素

劲性复合桩的内芯采用振动沉管素混凝土桩，外芯采用水泥搅拌桩成型，两个工序间隔时间不能太长，否则将导致无法插入振动沉管桩，严重时会影响劲性复合桩的成型质量[2]。另外，一般的商品混凝土生产厂家为了保证运输到场能够顺利卸料，保证混凝土具有良好的和易性和密实性，设计的坍落度都比较大，当遇到含水量较大的江边滩地土层外芯水泥搅拌桩水泥土还未完全成型时，如果开启振动沉管会直接塌入并混合在外芯水泥土中无法形成完整的柱状内芯，造成无芯或芯柱不完整[3,4]。

1.2 二次机械搅拌集料装置提高内芯振动成型质量的原理

为保证桩芯砼振动沉管灌注成型的质量，在经远距离运输至施工现场后需要解决商品混凝土坍落度偏大的问题，同时实现振动沉管桩芯混凝土低级别的坍落度及和易性，本项目设计制作了二次机械搅拌集料装置[5]。该机械搅拌集料斗宽2.5 m，长6 m，底板设为坡面底，以便运输来的混凝土能顺利进入搅拌叶笼。叶片搅拌笼的直径为0.4 m，用搅笼传动钢轴与低速减速机相连，设备动力部分由7.5 kW 的三厢异步传动电机带动减速机驱动搅笼搅拌砼，搅拌完成后开启底部的电动门卸料。电动门的前后设置两个自动行程开关，能够实现放料半自动化，改变以前的手动开启方式[6]。商品混凝土二次机械搅拌集料装置的主要作用是保证远距离运输至现场的砼，通过二次搅拌迅速降低坍落度，并保证低级别的坍落度情况下，通过搅拌改善砼性能达到振动沉管成型的质量使用要求，提高振动沉管素砼内芯成型的质量[7]。

2 劲性复合桩内外桩芯施工质量控制

钻机钻至指定设计标高后，缓慢提升钻头并喷浆连续搅拌，外芯浇筑完成后将内芯钢管振动沉管至设计深度。外芯施工的同时使用二次机械搅拌集料装置对采购的内芯商品混凝土进行二次搅拌，确保混凝土的坍落度性能满足桩芯浇筑的要求；浇筑内芯时，从二次机械搅拌集料装置下部的卸料口收集混凝土进行灌注，灌注管内灌满混凝土后，先振动5 ～10 s，再开始拔管，边振边拔，每拔0.5 ～10 m，停拔振动5 ～10 s，如此反复，直到全部拔出桩管，至此完成成桩。具体桩身结构如图1 所示。

图1 素混凝土桩芯劲性复合桩结构

2.1 施工准备

搅拌桩机在施工前要对进场钻机设备、压注泥浆泵、吊车等进行试运转检查，以防钻进中途发生故障[8]。在正式施工前，按施工组织设计确定的搅拌桩施工工艺在观场进行成桩工艺试验，水泥浆的水灰比为0.55，采用强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，通过现场试验最终确定水泥掺入量及施工工艺。专业测量人员采用全站仪测引基准点，设置在不易破坏的地方，并树立明显的保护标志。测引基准点时应反复调整全站仪，测放时应更换测站点反复核准。报请专业测量监理工程师核准后方可使用，并做好保护，避免人为破坏。放样时应反复对全站仪进行对中、调整操作，施工前应第二次核样，保证桩位测放误差控制在小于1 cm，并报现场监理工程师校核，合格后桩机对位施工。

2.2 轻便式商品混凝土二次机械搅拌集料装置加工制造

为保障振动成型素混凝土内桩芯成型质量，提前自主设计制造商品混凝土二次机械搅拌集料装置，装置分为储料斗、叶片搅笼、传动装置、设备动力装置及卸料装置几个部分[9]。

储料斗主要采用14#的槽钢焊接成一个17%坡度的三角形底座支架，长度为6 m，宽度为2.5 m，支架上用厚度为10 mm 的钢板围成方斗。叶片搅笼的工作直径为0.4 m，采用钢板叶片焊接在直径50 mm 的钢管叶片手柄上，叶片手柄间距为0.4 m，焊接在主搅笼钢轴上。传动装置采用低速减速机，焊接成型的叶片搅笼通过轴承与低速减速机相连。设备动力装置主要由电动机供力，7.5 kW的三厢异步传动电机通过橡胶皮带带动减速机驱动整个搅拌笼。卸料装置主要通过点击闸门开关按钮开启电动闸门。电动闸门设在搅拌斗的前下方，闸门由电动螺杆启闭装置开启卸料，在闸门的开闭端设置行程限位板。

2.3 二次机械搅拌集料装置安装

二次搅拌集料装置斗在加工厂制造完成后运到施工现场，通过吊车安装在大堤边已经搭设好的钢管桩支架上，双向对称焊成整体，然后固定在钢管桩上。二次搅拌集料装置架设的高度一定要给接料的铲车预留足够的空间，以便后期出料铲运方便。

2.4 外芯水泥搅拌桩施工

本案例地处江边滩地，地下土层含水量丰富，含水率达到37%，水泥搅拌桩采用六搅三喷工艺，采用42.5 级普通水泥制成浆液，浆液密度比重控制在1.78。

成桩过程质量控制要点如下。第一，搅拌机预搅下沉时不得采用冲水下沉，为保证桩端的施工质量，当浆液到达出浆口后，应在座底喷浆30 s，使浆液完全到达桩底端。

第二，采用6 次搅拌3 次喷浆，且最后一次提升搅拌宜釆用慢速提升，当第5 次搅拌时不允许出现搅拌头未达桩顶浆液已拌完的现象，有剩余时可在桩身上部再次搅拌，当喷浆口到达桩顶标高时，应停止提升，搅拌数秒，以保证桩头均匀密实。

第三，供浆连续，一旦因故停浆，必须立即通知操作台，防止断桩和缺浆。宜将搅拌机下沉至停浆点以下500 m，待恢复供浆时再喷浆提升，因故停机若超过3 h，为防止浆液硬结堵管，宜先拆卸输管路，尽快清洗。第四，成桩施工中必须随时描查水泥浆液比重，每个工作班不少于4 次，应确保贮浆桶内浆液的均匀性和连续性，喷浆搅拌时不允许出现输浆管道堵塞或管道爆裂现象。

2.5 微振成型内桩芯商品混凝土二次搅拌过程

2.5.1 商品混凝土二次搅拌目的

施工现场选用常州某水泥制品有限公司生产的商品混凝土，搅拌站距离黄山河地涵项目12 km，应确保运输车到现场后能顺利出料。试验室设计的最小配合比坍落度为12 ～14 cm，到达现场后，经实测坍落度有两次10 cm、1 次12 cm、两次14 cm、1 次16 cm，主要原因是料场的集料含水量受雨天影响。

搅拌站为了保证罐车能够顺利正常卸料，出料时会设置较大的坍落度，虽经过运输损失但到现场时的坍落度仍偏大，而且混凝土的和易性及扩展度不能满足劲性复合桩内芯的灌注要求。因此，为提升混凝土的耐久性，在施工时需要把运输到现场的混凝土倒入二次搅拌集料装置内进行二次搅拌。

2.5.2 商品混凝土二次搅拌过程控制

在商品混凝土集中搅拌后采用运输车运至现场，为解决因长距离运输可能导致的混凝土性能不好问题，利用此集料装置进行现场二次拌和。商品混凝土运输至现场后先检查混凝土的坍落度数值，然后根据数据确认在二次搅拌时是否需要添加外加剂微调坍落度。混凝土进入料斗前先保证料斗湿润，并开启搅拌笼，以便混凝土能迅速从斗口进入搅拌笼。混凝土搅拌时要保持120 s 以上，充分搅拌均匀卸入的混凝土料，搅拌完成后铲车及时出料，随时跟车检查搅拌后的坍落度数值是否与设计值相符。

2.6 内芯振动沉管

水泥搅拌桩成桩6 h 内，控制复合桩外芯和桩芯的中心偏差小于10 mm，垂直度偏差小于0.5%。

2.7 桩芯混凝土浇筑

桩芯施工应在搅拌成桩6 h 内进行，施工前必须重新测量放样并复核桩位。桩芯混凝土强度等级应符合设计要求，且不宜低于C20。本案例采用C30混凝土，桩芯釆用改善后的商品混凝土，灌注管下沉至设计标高后应及时浇灌混凝土。配筋砼坍落度一般为10 ～12 cm，泵送商品混凝土时坍落度相对还要高一些，为15 ～18 cm。桩芯商品混凝土到达现场时，素混凝土的坍落度一般宜控制在8 ～12 cm。

2.8 振动拔管

灌注管内灌满混凝土后，先振动5 ～10 s，再开始拔管，边振边拔，每拔0.5～10 m，停拔振动5～10 s，如此反复，直到全部拔出桩管。灌注管在劲性复合桩外芯桩端下土层内，拔管速度宜控制在1.2 ～1.5 m/min，在外芯桩身中拔管速度宜控制在1.5 ～2.0 m/min。

3 施工工序中的质量检查

劲性复合桩施工前首先应进行成桩工艺试验，数量不得少于3 根，试桩检查不同水泥掺比下的抗压强度是否满足设计要求，检查单桩竖向承载力是否符合设计要求，最终确定施工掺比及施工工艺。其次控制混凝土原材料质量，按照混凝土施工配合比生产混凝土，控制坍落度满足成桩要求。同时，严格控制提管速度，发现地质异常情况后及时进行调整。在地基土软弱区采用留振、复压法进行振密压实，特别要严格控制坍落度，并在混凝土二次搅拌机出料口随机抽样做试块，每1 台班做1 组试块。试块要做好养护，并经常检查桩身混凝土是否满足桩身混凝土充盈系数大于1的要求。

4 应用工程实例

新孟河延伸拓浚工程穿越新孟河出老孟河与小夹江相接，内河侧与新建黄山河相连。

该工程实施后可以加快太湖西北部湖区的水体流动，促进太湖湖体的水流循环，提高流域和区域的防洪排涝能力，同时配合流域内的其他引水工程，满足枯水年的水资源配置要求。红联大沟泵站为该立交地涵项目的附属工程，属于新孟河延伸拓浚工程河道及其附属工程中的一般支河口门建筑物，由进口海漫段、进水池、泵房、闸室、出水涵洞、出水池、护坡及护底等组成。该泵站的基础结构部分采用劲性复合桩桩基基础，共计3 656 km。

本工程基槽开挖后，施工单位协同监理一起检验桩基础，检测桩位、桩数及桩头强度，未发现漏桩、桩位偏差过大与桩头强度偏低等质量问题。检测劲性复合桩在成桩28 d 后进行承载力检测，结果显示为翼墙3 处不小于497.6 kPa；泵房、闸室、出水涵洞处大于483.1 kPa；翼墙3 处大于161.1 kPa，闸室、出水洞处大于160.4 kPa。水泥土搅拌桩地基质量与劲性复合桩基质量符合设计要求。

5 结语

结合上述工程案例，通过对劲性复合桩充填内桩芯技术在地基加固工程的应用分析，可以看出整个工序流程需要把控的要点环节较多。

在实践过程中，必须根据项目的具体情况，对其各个细部进行全面分析，明确劲性复合桩基施工开展的流程和操作要点，继而全面提升劲性复合桩施工质量，使地基加固的承载力和稳固性能够达到预期设计效果，保障桩基础工程的安全。

总体来看，二次机械搅拌集料装置技术对劲性复合桩类桩基础工程建设发展具有重要的意义。