公路工程路基加固施工中深层水泥搅拌桩施工技术分析

薛军涛

（中铁二十一局集团路桥工程有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

公路工程中，路基加固是确保道路稳定性和承载能力的重要环节。深层水泥搅拌桩作为一种常用的加固施工技术，在公路工程中得到了广泛应用。深层水泥搅拌桩通过在土体中注入水泥浆并进行搅拌，形成纵向连续的水泥柱，从而提高路基的强度和稳定性。该技术具有施工周期短、效果显著、成本较低等优点，是一种可行、经济的路基加固方法。因此，探讨深层水泥搅拌桩的施工技术具有较强的现实意义。

1 深层水泥搅拌桩在公路路基加固中的价值

1.1 提升公路路基的承载能力

公路路基需要能够承受车辆荷载以及自然环境的影响，但在部分地质较差或自然环境恶劣的区域，常规路基难以直接承受车辆荷载。通过深层水泥搅拌桩技术，可以将土壤与水泥充分搅拌混合，形成坚固的桩体，从而增加土体的强度和稳定性。此种加固方式可减少路基的沉降和变形，提高路面的稳定性和承载能力，确保道路长期安全使用。深层水泥搅拌桩通过创造更牢固的基础结构来支撑路面和交通负荷。桩体的形成可以使土壤更紧密，并增加土体内的摩擦力和抗剪强度，有效地提高了路基的承载能力。同时，深层水泥搅拌桩还能够延伸到较深的土层，使路基在不稳定土体上建立更牢固的支撑，提供了更可靠的结构[1]。

1.2 改善公路路基的土质条件

在公路建设中，常遇到土质条件较差的情况，如软弱地基、黏性土等。此类土壤会导致路基的沉降、变形和不稳定等问题，影响道路的使用寿命和安全性。通过深层水泥搅拌桩技术，可以对土壤进行有效的改良。搅拌桩的施工过程中，水泥与土壤充分混合，形成均匀的桩体，此种混合作用可以增加土壤的密实度、抗剪强度和排水性能，改善土壤的工程性质。深层水泥搅拌桩还可以减少土壤的液塑性指标，从而提高其可塑性和稳定性。即使在软弱的土壤条件下，也可构建出具有足够承载力和稳定性的路基。

1.3 减少路基加固的施工时间和成本

传统的路基加固方法往往需要耗费大量的人力、物力和时间，造成工期延长和成本增加。而深层水泥搅拌桩技术通过机械化施工，可高效地完成大面积的路基加固工程。由于深层水泥搅拌桩的施工速度较快，可以在较短时间内完成大规模的桩体形成，显著减少施工周期，缩短工期，提高施工效率[2]。

2 公路工程路基加固中深层水泥搅拌桩的施工技术要点

2.1 加强设计规划

首先，应进行详细的土壤分类和地质条件评估，包括土壤承载能力、渗透性、地下水位以及其他地质特征。例如，通过钻孔取样和实验室测试，确定各地层的黏土、砂和岩石含量，这些数据对于设计桩的尺寸、混凝土配比以及搅拌参数至关重要。其次，设计团队需要依据地质数据来决定桩的布局和尺寸。桩的直径、间距和布置模式必须根据地面载荷、交通流量预测以及路面设计寿命进行优化。例如，重载交通区域的桩可能需要更大的直径（可达1.5m）和更紧密的间距（1.8m），以承受较大的压力。此外，施工参数的设计是确保DCM施工成功的关键，包括搅拌工艺的深度、速度和时间，以及所需水泥浆的黏度和流动性。这些参数需要结合施工流程（图1），进行先导试验和数值模拟进行验证，确保既能实现足够的桩体强度，又不会对周围土壤造成不利影响。例如，高黏土含量的土壤可能需要降低搅拌速度和增加搅拌时间，以免产生过大的剪切力导致土壤结构遭受破坏。最后，风险管理计划的制定也是设计规划过程的重要组成部分。设计团队应识别并评估潜在的风险，如施工期间的天气情况、供应链问题以及机械故障等，并制定相应的备用方案。例如，在洪水易发区域，设计时需加入额外的排水设计参数，并准备紧急排水设备和物资[3]。

图1 施工流程

2.2 合理选择材料

首先，黏土、砂土以及含有机质土壤对水泥改性反应各不相同。例如，黏土类土壤适合使用快硬型水泥，因为黏土与水泥的化学反应相对缓慢；而砂土则需要一定的黏结剂，因此，常添加具有黏结作用的粉煤灰或胶结材料。实践中通常通过实验室测试确定最佳掺量，例如，标准试验可能显示，对于某特定黏土，水泥掺量在20%~30%时能达到预期的强度增长。其次，根据目标强度和耐久性需求挑选适宜的水泥品种。普通硅酸盐水泥（OPC）广泛应用于多种土壤类型，但在苛刻环境下，如存在较高的硫酸盐含量或酸性土壤中，需采用硫铝酸盐水泥（SAC）来提高抗硫酸盐侵蚀能力，SAC 在酸性条件下的性能可以是OPC 的两倍以上。此外，视工程所在区域的气候条件选择抗冻性或耐热性材料。温度变化会引起水泥土体裂缝，影响其整体性能。例如，在寒冷地区，冬季施工可能需要抗冻性能更好的水泥，或是添加适量抗冻剂。而在炎热地区，快速水化反应产生的热量可能导致过早的水分流失，可选用低热型水泥或添加适当的缓凝剂。再次，在选择水泥外，还需评估其他添加剂的必要性，如石灰、粉煤灰或矿物粉等。粉煤灰作为一种工业副产品，能有效减少水泥用量并提高复合土的工作性和后期强度。例如，将水泥与粉煤灰按1.0:1.5 比例混合，可使7d 龄期的抗压强度相比单纯水泥土提升20%以上。最后，材料质量直接影响路基加固的成效，应严格按照国家或地区的标准开展进货检验是必不可少的步骤。每批水泥都应进行稳定性和一致性测试，确保其物理和化学性质满足设计规范[4]。

2.3 合理选择设备

首先，应选择能够适应特定地质条件（土壤类型、硬度和含水量）的搅拌设备。对于混合较硬或干燥土壤的场地，可选择高扭矩的钻杆和强力驱动装置。相反，软土或泥岩地层需要较小的扭矩和提供更精细控制速度的设备。例如，当土壤黏度大时，可以使用连续螺旋形搅拌头来减少拔出阻力。其次，大型机械发动机功率通常较大，可在复杂地质情况下维持稳定的工作性能。然而，对于空间受限的城市或现有交通网络附近的工程，中小型设备因其良好的机动性和较低的噪音级别而更加适用。至于操作效率，应根据项目规模和预期工期来选择设备，在满足工期的前提下，尽可能提升生产率，例如，选用带有自动化搅拌深度控制系统的设备以提高作业精准度。此外，不同类型的搅拌桩设备具有不同的工作范围，例如，从较浅的地层改良到超过30m 深的构造。因此，应基于设计的深度要求，选择相匹配的搅拌设备，确保深层搅拌过程能够到达设计深度。再次，为实现均匀混合和准确的桩位置，应选用能够进行连续搅拌并配备高精度定位系统的设备。此类设备能够通过GPS 定位或其他传感器确保施工的精度，避免桩体位置偏移，从而提高整体路基的承载能力。最后，针对噪声和排放管控严格的区域，应挑选符合当地环境法规和排放标准的设备。低噪音、低排放的设备虽然初期投资较高，但长远来看可减少对周边环境的影响，同时降低潜在的环境责任风险[5]。

2.4 控制搅拌工艺

首先，根据前期的土壤测试结果，计算得出最佳的水泥与土壤的质量比，通常情况下，水泥用量占土壤重量的10%~30%。实时监控水泥浆的密度、黏度以及流变性能，确保所有搅拌批次的均匀性和稳定性。需要精确控制水泥浆的供应系统，包括泵送压力和流量，防止水泥浆因供应不足或过量影响桩体强度和均匀性。其次，通过精确定位系统检测搅拌头的垂直位置，以确保按设计深度进行搅拌，并且避免重复搅拌或遗漏未搅拌区域。若搅拌深度不足，将导致桩体底部承载力不足；反之，过深则会造成材料浪费和不必要的成本增加。并采用适当的搅拌顺序，如单排、双排或错列排列，这取决于设计上的承载力要求和土壤情况。在实际操作中，应考虑到相邻桩之间搅拌桩在施工中产生的作用力可能对已完成的桩体造成干扰，因此，需合理规划搅拌顺序，通常从工作面的两端开始，逐步向施工区域的中心推进。注浆方面可采用喷射注浆法，结合实际选择单管、双管、三管。喷射注浆法示意图如图2 所示。最后，桩体浇筑结束后，应对完成的桩体进行检测和评估，以验证搅拌工艺的效果。通过取样检测桩体的不同深度处的强度，确认达到设计要求。在特殊情况下，还可以采用无损检测方法如超声波测试，来评价桩体内部的均匀性和完整性。

图2 喷射注浆法示意图

2.5 加强质量控制

首先，施工前应对水泥、水和其他添加剂进行严格测试，确保所选材料符合设计规范要求。例如，水泥应符合相关标准，其细度、设置时间、抗压强度等参数需要通过实验室测试来验证。其次，施工期间要监控搅拌深度、速度和时间，确保每一根桩都达到了设计要求。通常，现场监控系统能够实时记录设备参数，如桩深度传感器记录的桩达到的深度，以及搅拌机头的转速。也可在现场设备中安装各类传感器，如深度传感器、压力传感器、流量计等，传感器安装位置如图3 所示。此外，为确保搅拌均匀性，可以从不同深度和搅拌区域提取样本，通过无损检测技术如超声波测试评估桩身内部均质性和完整性。结构完整性的评估通常需要对超声波检测数据与地理信息系统（GIS）中桩位置进行分析，确保数据准确性。完成桩体硬化后，通过钻芯取样和实验室测试来评价桩的强度和持久性，包括抗压强度、韧性和抗蚀性。例如，28d 龄期的水泥搅拌桩应达到设计强度的95%。最后，建立起全面的质量管理体系，确保从材料供应到施工完成的每个步骤都有文档记录和质量追溯。这个体系应包括标准操作程序、质量检查表以及改正和预防措施。

图3 传感器安装位置

2.6 加强环境保护

首先，施工前期应评估预计的环境影响，并制定相应的缓解措施。地下水位测量是必不可少的步骤，因为DCM 施工过程中可能会引起地下水污染。若预测到有潜在的污染风险，则需采用隔离措施，例如，设立防渗膜或水平防水层来保护地下水。其次，选择适当的施工机械也是降低环境影响的关键。应选用符合当地排放标准的机械，以此减少施工过程中的废气排放。此外，还需确保机械处于良好的运行状态以减少噪音和振动。例如，使用电动搅拌机代替柴油机搅拌机可显著减少噪声和空气污染。在材料的使用上，严格控制水泥和添加剂的配比，以减少对土壤和水质的潜在危害。特别是使用环保型添加剂（如粉煤灰）不仅能提高混凝土性能，而且能减少水泥使用量，从而减少二氧化碳的排放。粉煤灰作为一种副产品，不仅利用了工业废料，而且减少了填埋空间的需求。最后，对完成的桩体附近的土壤和地下水进行检测，确保未超出污染阈值。根据需要，还应实施长期监测计划，以评估施工活动对周边环境的长期影响。

3 结语

综上所述，通过研究深层水泥搅拌桩施工技术，可以进一步完善和优化该技术，提高公路工程的质量和效益。在未来的研究中，需要进一步探索土体与水泥浆的充分混合、搅拌桩质量的控制以及施工效率的提升等关键问题。同时，还可以结合新材料和新技术的应用，探索更加可持续和环保的施工方案。通过不断改进和创新深层水泥搅拌桩施工技术，将进一步提高道路的安全性、舒适性和可靠性。