深厚粉细砂层水泥土搅拌桩施工参数计算及钻头改进措施

程亮

（北京市生态地质研究所，北京 100143）

地基与基础工程施工中对于场区的地下水控制措施是保证基础正常安全施工的重要内容，它关系着场区开挖及后续各阶段施工的安全、稳定。当降水对基坑周边建筑物、地下管线、道路等造成危害或对环境造成长期不利影响时，应采用截水方法控制地下水，选择基坑止水、截水措施或以止水、截水为主的组合措施（JGJ 120-2012）。

水泥土搅拌桩是常用的施工桩型，但对于穿越深厚粉细砂层，采用合理的工艺参数和采用适应性的钻头改进措施，是项目实践中亟待解决的重要问题之一。有学者从工艺方法角度探讨了高水位砂层中采用降水井+袖阀管注浆施工工艺，采用导流管逐步将水集中导流并在坑外设置降水井，在基坑支护止水帷幕渗漏点附近采用袖阀管注浆，形成地下水的综合处理措施（郑劲松，2021）。结合某国外基坑工程实例，对临海岩溶地区基坑工程的止水施工方法进行研究，得出在帷幕灌浆的基础上辅以有效排水措施进行基坑止水，采用我国规范设计时应适当提高其设计标准，并采用合适的施工方法提高帷幕体的防渗能力（温文峰等，2021），其研究主要是基于现行基坑规范，对于钻头的改进探讨较少。对于帷幕插入深度与坑外地面沉降之间的定量关系，基于有效应力原理，并根据渗流场和应力场的部分耦合关系，考虑地下水位下降引起的土体孔隙比和压缩指数变化，探讨了不同止水帷幕插入深度下潜水含水层中基坑降水引起坑外地面沉降的计算方法（张志红等，2021）。有些研究侧重于基坑止水帷幕质量检测中的应用研究，针对止水帷幕止水效果的检测与评价提出了利用抽水试验对试验点周边基坑内外地下水连通情况判断止水帷幕止水效果的方法（杨眉等，2021）。但针对粉细砂层中止水帷幕，特别是水泥土搅拌桩的施工工艺参数计算和钻头改进措施的专题研究还较少，由于目前常规的水泥土搅拌桩机主要应用于软土地区（单鹏飞等，2021），对于穿越粉细砂层，常规机械可能会出现钻头功率不足，喷浆量、提速等关键工艺参数不匹配的问题（尹忠辉，2021）。一旦出现，会导致钻进搅拌困难，或进尺受阻；另一方面会导致水泥浆液不足或搅拌不充分，影响成桩质量，不能达到满意的止水效果（刘慧芬等，2020）。

本文重点分析了水泥土搅拌桩机提升速度等施工参数的取值与计算，并根据钻头及与周围土体的受力状态，给出适应性的钻头改进建议及工程实例。钻头的改进措施有效提升了成桩速度，达到理想的成桩效果，确保了帷幕止水效果。

1 工程概况

1.1 基坑概况

拟建工程辛杜商业85亩项目，位于河北省廊坊市大厂回族自治县蒋谭路西侧，规划创意路东侧。总建筑面积172716.76 m2，其中包含8栋主楼及其裙楼。公寓建筑地上面积167759.03 m2，配套建筑面积9101.16 m2，总计地上建筑面积176860.19 m2。地下室及配套用房建筑面积8548.47 m2，非人防车库建筑面积64294.06 m2，人防车库13788.72 m2。

1.2 工程地质与水文地质条件

1）工程地质条件

本次勘察在60.00 m深度范围内，揭露地层主要由第四系冲洪积粉土、黏性土及砂类土等组成。据其岩性特征和物理力学性质差异主要划分为14个工程地质单元大层、8个亚层，自上而下分别为：素填土，粉土，粉质黏土，黏土，粉土，粉质黏土，粉土，粉砂，粉质黏土，粉细砂等。本次勘察范围内各地层的分布情况及标贯击数见图1。

图1 止水帷幕剖面及地层示意图Fig.1 Profile and stratum diagram of water sealing structure

2）水文地质条件

本次勘察期间在钻孔内实测地下水位稳定埋深为2.80～4.50 m，水位绝对高程为13.10～14.19 m。地下水类型为第四系孔隙潜水。补给方式以大气降水及河流侧向补给为主，排泄方式以自然蒸发、人工开采及侧向径流为主。根据区域水文地质资料，地下水受大气降水影响较大，水位常年变幅在2.00 m左右，年最高水位标高约16.00 m。工程抗浮设防设计水位标高可按16.50 m考虑（中土大地国际建筑设计有限公司，2019；张艳芳等，2022）。

1.3 基坑支护设计方案简述

项目基坑采用桩锚支护体系。基坑设计使用期限为1年，基坑侧壁安全等级为二级。护坡桩外侧施工双排水泥土搅拌桩，有效桩长19.0 m，桩径700 mm，间距500 mm，搭接200 mm，固化剂采用P.S32.5 MPa矿渣硅酸盐水泥，水泥掺量宜取土的天然质量的20%，水泥浆液的水灰比宜取0.6～0.8。

2 水泥土搅拌桩施工工艺参数的确定

2.1 搅拌桩净截面积计算

以本工程所采用的双排水泥土搅拌桩为例（图2），桩径700 mm，搭接200 mm。

图2 水泥土搅拌桩技术参数图Fig.2 Parameters of cement soil mixing pile

而

式中，S实体为双轴搅拌桩的净面积，S单圆为单桩面积，S扣减为单元体中单桩的搭接部分面积，S扇ABO为单桩搭接区域切线两端点为弧所在的扇形，S△ABO为单桩搭接区域切线两端点与圆心O所组成的三角形，D为单桩直径，H1为搭接宽度。

经计算，S实体为702242.31 mm2。

2.2 钻头提升速度的计算

单位时间内提升高度的水泥设计掺量可表示为：

式中：γ为土的重度（kN·m-3）；V为搅拌头喷浆提升速度（m·min-1）；F为搅拌桩净截面积（m2）。

式中，γd为水泥土的重度（kN·m-3），Q为水泥泥浆泵的排量（m3·min-1），

搅拌桩净截面积F需要根据水泥土搅拌桩的设计参数进行计算得出。

施工设计阶段，土的平均重度取18 kN·m-3，实测水泥浆重度为22 kN·m-3，水泥掺量取土的天然质量的20%，即αω=0.2，水泥浆液的水灰比取0.7，即αc=0.7。

施工采用BBW-150型泥浆注浆泵，为卧式三缸往复单作用活塞泵，该泵具有8种流量和压力（表1）。排量和孔深根据用途随意调节，可根据设定压力调整输出流量。

表1 BBW-150型泥浆注浆泵技术参数表Tab.1 Mud Grouting Pump Parameter of BBW-150

试验施工段设定压力为3.2 MPa，对应流量为90 L·min-1。由前述计算可知，本工程搅拌桩净面积S实体为702242.31 mm2，代入公式（7），可得：V=0.46 m·min-1。

实际施工时，设定钻头提升速度为0.5 m·min-1，经开挖检验，该提升速度下，成桩效果良好，能够达到设计止水要求，并处于规范要求的提示速度控制范围内。

2.3 每遍搅拌次数确定

搅拌桩施工时，搅拌次数越多，则拌和越为均匀，水泥土强度也越高，但施工效率就降低。试验证明，当加固范围内土体任一点的水泥土每遍经过20次的拌合，其强度即可达到较高值，一般采用规范要求进行每遍搅拌次数N的计算：

式中，h为搅拌叶片的宽度（m），β为搅拌叶片与搅拌轴的垂直夹角（°），Z为搅拌叶片的总枚数，n为搅拌头的回转数（r·min-1），V为搅拌头的提升速度（m·min-1）。

本工程采用双轴搅拌桩机，叶片宽度100 mm，叶片厚度35 mm，4枚叶片，叶片倾角15°，采用2档（正转29.3 r·min-1），代入公式（8）可得每遍搅拌次数N为24.61次。

施工阶段，采用每遍25次的搅拌次数，成桩止水效果良好。

3 水泥土搅拌桩钻头受力分析及改进措施

3.1 基于钻头受力分析的优化及实例

钻进搅拌过程是钻头在钻杆顶部驱动装置下旋前进的过程。一般水泥搅拌桩机采用电能驱动。受力分析简图如图3所示。

由图3可知，顶部主动力电机为钻具及钻头提供钻进动能。同时，顶部电机输出的扭矩通过钻杆传递给钻叶，用于切削钻进部位土体。通过成套的传动机构，将钻杆顶部电机所提供的动能，转化为钻头各单叶片的钻进动能，同时切削周边土体。切削粉碎周边土体后管内喷射出水泥浆液，完成原位土体与水泥浆液的搅拌混合后成桩（王超，2020）。

图3 水泥土搅拌桩钻头及受力分析简图Fig.3 Stress analysis of cement soil mixing pile bit

由受力分析图示可知，一般情况下F为各叶片所受到的垂向压力总和，即：

式中，m为整个钻头区域内的叶片总层数，n为每层叶片数量。

由公式（9）可知，在不进行钻头叶片改动的情况下，提高顶部垂向压力可以有效增加各叶片的钻进动能。

切削钻进部位土体能力则取决于切削动能。切削周边土体时所受到的阻力越大，则对顶部电机的动能输出要求越高，才能保证顺利、均匀地切割周围土体（郑建军，2017）。切削动能是通过钻杆、钻具的成套传力机构来传导的，类似的，一般情况下，总的切削总弯矩T可表示为各单独叶片的弯矩总和：

假定传动机构将扭矩均匀传递给各叶片，由公式（10）可知，各叶片扭矩一定的情况下，增大钻杆轴线与钻杆轴线夹角βij可以提供更大的总和扭矩。

3.2 改进措施及施工实例

钻机进场伊始，试成孔施工穿越4-1层粉土和5层粉细砂层时，出现钻机进尺缓慢，主电机电流持续升高的情况，成孔存在一定的困难。

基于以上分析，从增加正向压力、改进钻头切削效率、提高切削总弯矩等方面考虑，对钻台和钻头进行了针对性地优化改进，解决钻进困难的同时，考虑到施工便利，尽量就地取材，易于实施。

增加钻头配重：在主动力电机固定架仓的空余位置，妥善安放约2 t水泥（图4-a），增加正向压力，直接提高了各叶片的垂向压力，有效增加各叶片的钻进动能。

改进钻头叶片：各层叶片现场焊接优质钢片，增加切削片的角度（图4-b）。增加后的切削片平面轴线与钻杆轴线以大角度相交，可以提供更大的总和扭矩，极大提高了钻进效率。

图4 水泥土搅拌桩钻头改进Fig.4 Improvement measures of cement soil mixing pile bit

对于正式成桩的各台桩机，均采用以上2种简单易行并行之有效的改进措施进行适应性改造，施工中有效克服了4-1层粉土和5层粉细砂层的穿越困难问题。成桩后开挖检验，桩体均匀，成桩质量良好，止水效果优良。

4 结论

针对巨厚粉细砂层的穿越的问题，根据钻头及与周围土体的受力状态的受力分析可知：1）提高顶部垂向压力可以有效增加各叶片的钻进动能；2）各叶片扭矩一定的情况下，增大钻杆轴线与钻杆轴线夹角βij可以提供更大的总和扭矩。

工程实践中，对钻机进行了增加钻头配重和增加切削片角度的优化改进，综合考虑到了施工便利和就地取材，易于现场施工实施。对巨厚粉细砂层的穿越取得了良好的施工效果，提升了成桩速度，达到理想的成桩效果，确保了帷幕止水效果，可以作为类似工程施工的参考。