深层水泥搅拌桩的设计与施工

来源:用户上传      作者: 田珊珊

　　摘 要：介绍了深层水泥搅拌桩在城市道路软基处理中的应用、设计计算方法与施工要求，论述了搅拌桩的质量检测方法。
　　关键词：深层水泥搅拌桩 软基处理 设计 施工
　　
　　1.深层搅拌桩综述
　　深层搅拌加固软土地基是利用水泥或石灰等材料作为固化剂，通过特别的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂（浆体和粉体）强制搅和，利用软土和固化剂发生一系列物理化学反应，使软土硬结而形成强度较高、水稳定性好的水泥加固体，使其与天然地基共同组成承载力较高、压缩性较低的复合地基。
　　深层搅拌法处理软土地基是较为普通的一种地基处理方法，在地基加固过程中无振动、无噪声、对环境无污染，施工工艺简单、机械化程度较高、施工速度快，造价低廉，施工质量容易保证，处理效果容易检测，即使出现不合格桩，其补救方法也简单方便等优点。多用于12层以下的建筑地基及道路软土地基处理等工程。
　　深层搅拌法最早是美国在二次大战后研制成功的。经过20年的探索及研究，于20世纪六七十年代，在日本、瑞典、法国、英国等国家广泛使用，并形成多种工法。同年11月由冶金部基建局主持，通过了“饱和软粘土深层搅拌加固技术”的鉴定，此后在全国各地特别是软土地区得到了广泛的应用。90年代，深层水泥搅拌法以其在淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、杂填土中显著的处理加固效果，及施工效率高、施工简洁、省料价廉、无环境污染、适用多种土层等优点，成为软土地基处理中最有前途、应用最广的方法之一。
　　深层搅拌法是相对于浅层搅拌法而言。根据施工方法的不同，深层水泥搅拌法可分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种。
　　1.1水泥浆深层搅拌法（湿喷）
　　将水泥作为固化剂制成浆状液，通过深层搅拌机与土体均匀拌合成桩，根据经验和土体性质，一般水泥掺入比为10%~20%，水灰比为0.4~0.5。
　　1.2粉体喷射搅拌法（干喷）
　　通过粉体发送器将干水泥粉输入被搅拌的软土中，与土体充分拌合，形成水泥土桩。一般水泥掺入比为10%~20%。
　　干喷法与湿喷法相比，由于它采用粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分吸收周围软土中的水份，因此加固后初期强度高，对周围土质改善更有利，对于含水量高的软土地基加固效果尤为显著。
　　2.深层搅拌桩的设计计算
　　2.1搅拌法设计流程（见图2-1）
　　2.2地质勘察及加固形式和范围
　　（1）地质勘察除常规要求外，还应特别注意：土质分析中的有机质含量，可溶盐含量，总损失量；水质分析中的地下水酸碱度（pH值），硫酸盐含量。
　　（2）选择加固的形式有柱（桩）状、壁状、块状三种，对道路地基加固常采用桩状布置。
　　（3）确定加固范围。由于搅拌桩的强度和刚度介于刚性桩和柔性桩之间，承载性能又与刚性桩相似，因此可仅在上部结构基础范围内布桩，而不必象柔性桩那样在基础以外设置保护桩。
　　2.3单桩尺寸
　　桩的设计应使土对桩的支承力与按桩身强度确定的承载力相近，因而，主要是确定桩长并选择水泥掺入比。水泥搅拌桩设计就是首先根据以上原则考虑不同的地质特性、荷载大小等情况拟定一个初步的桩长和桩间距，计算复合地基承载力和沉降，若满足要求则停止计算若不满足要求则改变桩长和间距重新计算，直至满足要求为止。
　　2.4单桩竖向承载力
　　单桩竖向承载力特征值宜通过现场单桩载荷试验确定，也可以按下式计算，并取其中较小值。
　　（1）
　　（2）
　　式中－单桩竖向承载力特征值，kN；－与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm的立方体，也可采用边长为50mm的立方体）在标准养护条件下90天龄期的立方体抗压强度平均值，KPa；η－桩身强度折减系数，干法可取0.20~0.30，湿法可取0.25~0.33；－桩的周长；－桩长范围内所划分的土层数；－桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4~0.6，承载力高时取低值。
　　3.深层搅拌桩的施工控制
　　3.1深层搅拌法的施工程序
　　桩机就位－预搅下沉－制作水泥浆（水泥粉或石灰粉）－喷浆（粉）搅拌，提升－重复搅拌下沉－重复搅拌提升直至孔口－关闭搅拌机，清洗－移至下一根桩。
　　3.2注意事项
　　（1）在粘性土层中进行搅拌桩施工时，在下搅或上提过程中叶片与周围土体切削摩擦，此时若只搅拌不喷浆或喷出的水泥浆液较浓（水泥浆采用水灰比0.40~0.55时），因此，在实际施工中应将水泥浆液的水灰比调整为0.60~0.70，这样可以有效地避免粘土层中的“堵管”现象发生，确保施工顺利进行。
　　（2）施工前期确定搅拌机械的灰浆泵输送量，灰浆输送到搅拌机喷浆口的时间和提升速度等施工工艺参数，并根据设计要求，通过试验确定灰浆的配合比。
　　（3）深层搅拌机的成孔速度控制在0.57~0.97m/min，随土质而定，到达设计桩底标高后，边搅拌、边喷浆、边提升，提升速度<1.0m/min，用同样的方法重复搅拌，应有专人记录时间。
　　（4）搅拌桩的垂直度偏差≤1.5%，桩位偏差≤50mm。
　　（5）基坑机械挖土时，桩顶标高上应该留500mm以上的土层，待搅拌桩施工完毕后，利用人工将桩顶标高上500mm超高的桩头凿掉。
　　（6）根据对加固土层的物理力学特性分析来选用适当的搅拌桩机。由于水泥土桩抗压强度较低，当荷载较小时桩身发生变形，但仍遵循刚性桩应力传递规律，当承受荷载较大时桩身上部变形加大往下桩身应力与桩间土摩阻力逐步衰减。
　　4.工程实例
　　广州铁路新客站工程，位于广州市番禺区钟村镇石壁村，地貌属珠江三角洲冲积平原前缘，建设前场地现状为鱼塘和农田保护区用地，有少量耕地。人工填土普遍分布于场地表层，呈松散状态，固结程度亦不均匀。以上各层工程性能差，属工程建设不良地基土，未经工程处理，不宜作为构筑物的基础持力层，需对地基进行软基处理。
　　在进行软基处理设计时，考虑地质、工期、造价等因素，选用了深层搅拌桩复合地基方案。
　　本项目的设计、施工过程按文中的设计、施工方法进行控制，软基试验段的实测结果表明：搅拌桩复合地基承载力达到了120kPa的设计要求，运营1年来沉降量均小于规范要求。实践证明：用深层搅拌法进行该区地基处理是成功的，加上采用了系统的设计、施工方法，适合南方软基路段大规模使用。
　　5.结语
　　（1）一般来讲，在搅拌桩设计中应根据桩侧和桩端土体的参数所确定的单桩承载力合理选用水泥土强度标准，以防止过高确定该值而造成浪费。
　　（2）随着搅拌桩应用的日益广泛、经验的不断积累，其施工工艺也得到不断完善和改进，已经突破了现行规范的适用范围。
　　（3）作为合格的岩土工程师应根据施工的实际情况，合理确定施工工艺和与之配套的施工参数，只有这样才能确保达到设计要求，保证施工质量和进度。
　　（4）从个别工程搅拌桩芯样强度波动较大现象来看，对搅拌桩施工的过程控制还需加强。
　　（5）进一步探索和积累不同地区、不同土质条件的搅拌桩施工工艺和与之配套的施工参数以及施工管理方法和施工质量检测方法是非常必要的。
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　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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