水泥搅拌桩在淤泥中加固机理及施工质量控制

詹振阳 张宇明

粉喷深层搅拌桩是利用水泥作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软弱土和固化剂强制搅拌形成水泥土,利用水泥与软土之间所产生的一系列物理、化学作用,使水泥土强度增长提高地基强度。这种方法适用于处理软弱土层,处理后对提高软土地基承载力效果显著,且处理后能很快投入使用。根据近十年来珠海西区水利工程建设中采用粉喷深层搅拌桩对水闸闸基软弱土层的加固工程成果证明,其加固效果良好,经济效益十分明显。

1 粉喷深层搅拌桩加固机理

1)水泥的水解、水化:水泥遇水后发生水解与水化,生成氢氧化钙,含水铝酸钙,含水硅酸钙等化合物;其中氢氧化钙和含水铝酸钙溶解于水,随着水解与水化的反应,溶液达到饱和之后,水与水泥继续反应形成凝胶体。2)离子交换:土颗粒在天然状态下表面带有负电荷,反离子层为阳离子,呈胶体微粒状,反离子层中的Na+,K+能同Ca(OH)2溶液中的Ca2+进行离子交换,使土粒水化膜变薄,土颗粒集合成大的团粒;此外,水泥水化后呈分散状的凝胶颗粒,其比表面积约为原来的1 000倍,因而产生很大的表面能,有强烈的吸附活性,能使较大的土团粒进一步结合起来,形成水泥土的团粒结构,并封闭了各土颗粒之间的孔隙,在较为松散的土体内部形成了网络状胶结结构,具有牢固的连接,而宏观上则表现为水泥土的强度大大提高。3)硬凝反应:水泥水化以后,溶液中析出的大量Ca2+,与Na+,K+进行离子交换,当Ca2+数量超过离子交换的需要量后,则在碱性环境中Ca2+可与土中游离的SiO2和Al2O3进行化学反应生成不溶于水的稳定结晶化合物,该结晶化合物在空气中和水中逐渐硬化,增大了土体强度,而且由于其结构比较致密,水分不易侵入,从而使水泥土具有足够的水稳定性。4)碳酸化作用:水泥水化后产生的游离氢氧化钙和空气及水中的CO2通过碳化反应生成不溶于水的碳酸钙,也可以小幅度增加水泥土的强度,只是增长速度较为缓慢。

此外,从施工角度来看,水泥搅拌桩中不可避免会存在原状土块和水泥团块,其粒径大小与强制搅拌的程度密切相关;强制搅拌越充分,土块被粉碎得越小,水泥分布到土中越均匀,水泥土结构强度的均一性就越好,即宏观强度也就越高。

2 粉喷深层搅拌桩施工质量控制

2.1 施工质量控制

1)粉喷深层搅拌桩施工属隐蔽工程,应指派专人负责,对搅拌桩的施工过程进行全程旁站,做到责任到人。2)施工采用的加固材料应在施工前送质量检测机构检验,合格后方可使用。3)搅拌桩施工机械必须具备良好稳定的性能,所有桩机施工前均应由监理工程师检查验收合格后方可使用。4)搅拌桩施工之前,应用压风机向整个管道中送风,检查其是否有堵塞现象。5)施工前应在主机上悬挂一吊锤,通过控制吊锤,使之与钻杆上、下、左、右距离相等来控制水泥搅拌桩桩体的垂直度。6)为了控制成桩均匀性及确保桩体每米的水泥掺合量,每台机械均应配备电脑记录仪。7)搅拌桩施工过程中,第一次下钻时,为避免堵管打开气阀门送气下钻,下钻时可用快挡操作,提钻时打开喷粉阀门送灰,提升速度应用慢挡操作,复搅时重复上述操作,施工过程中应保持压风机压力不少于0.5 MPa,罐压不少于0.2 MPa,喷压不少于0.19 MPa。8)为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量,第一次提钻喷灰时应在桩底部停留30 s,进行磨桩端,在提升至桩顶部位时亦需停留30 s,进行磨桩头,桩身部位施工时应按要求均匀喷灰。9)每根桩开钻后应连续作业,严格控制喷灰时间和停灰时间,且不得中断喷灰,严禁在尚未喷灰的情况下进行钻杆提升作业。10)施工中若发现喷灰量不足,应对整桩进行复搅,复喷的喷灰量不小于设计用量。11)如遇停电、机械故障原因,喷灰中断时应及时记录中断深度,在12 h内采取补喷处理措施,补喷重叠段应大于500 cm,中断时间超过12 h后应采取补桩措施。12)每根桩施工完毕后,现场施工人员均应及时认真填写其施工原始记录。

2.2 施工质量检验

1)搅拌桩施工过程中对每根搅拌桩质量检查重点是通过桩机配备的电脑检查桩身每米水泥用量、喷灰均匀度、喷灰搅拌提升速度以及复搅次数。2)搅拌桩成桩7 d后应采用轻便触探法进行桩身质量检验,确定桩身强度是否满足设计要求。3)必要时应采取钻探取芯,以检验整桩的成桩均匀性及水泥土的抗压强度。4)搅拌桩竣工后应对成桩的外观进行鉴定,主要内容包括:桩体是否圆韵,有无缩颈或回陷现象,桩身是否均匀,凝体有无松散现象;群桩桩顶是否整齐,桩间距是否均匀等。5)搅拌桩竣工达龄期后,应采用载荷板试验对单桩及复合地基承载力进行检验。

3 工程实例

3.1 工程概况

珠海西区防洪应急工程鸡啼门下堤段水闸位于珠海西区鸡啼门南岸,磨刀门水道旁,东邻珠海大道;包括矿山闸、砖厂冲闸、红西五围闸、红西六围闸,其闸室均为平底开敞式轻型钢筋混凝土结构。本工程采用粉喷深层水泥搅拌桩进行闸基处理,场地内上部主要地层有:

素填土:浅黄色,岩性以粉质黏土为主,很湿,可塑,局部呈松散状,层厚0.5 m～3.3 m。淤泥:灰色,土质较均匀,具砂感,局部含腐殖质,饱和,软塑,属高压缩性土,层厚2.9 m～9.1 m。粉砂层:灰色,主要成分为石英质粉砂,多与下卧淤泥质土层呈互层出现,饱和,松散,层厚3.9 m～22.7 m。

3.2 设计控制参数

1)粉喷桩桩径0.5 m,桩间距1.0 m,桩端进入软土层下部粉砂层不少于1.0 m,有效桩长约10 m;2)标准养护条件下水泥土90 d龄期强度不小于2.0 MPa,单桩竖向承载力特征值不小于75 k N,复合地基承载力特征值不小于 120 k Pa。

3.3 室内试验及工程试桩

1)水泥加固土室内试验。根据设计要求,于场地内淤泥层取土样进行室内配合比试验,标准养护条件下,不同掺入比水泥土各龄期强度见表1。

表1 不同配比水泥土在不同龄期的无侧限抗压强度值

2)现场工程试桩。为确保工程的顺利实施,验证室内试验成果及确定现场施工工艺参数,本工程开工前两个月进行现场工程试桩。根据现场试桩成果,本工程确定水泥掺入比为18%,无外掺剂,采用四喷四搅工艺,钻杆提升速度不大于0.6 m/min。

3.4 软土地基加固效果评价

本工程搅拌桩施工完成28 d后采用钻孔取芯法对桩身完整性、桩土搅拌均匀程度及桩的施工长度进行检验,所取水泥土芯样分别进行28 d龄期和90 d龄期的无侧限抗压强度试验,合格率均达90%以上;成桩90 d后分别对水泥土搅拌桩单桩承载力和桩土复合地基承载力特征值进行载荷试验,试验结果均满足设计要求。

4 结语

近年来,随着施工技术和施工条件的发展,深层搅拌水泥土桩的应用范围越来越广泛,采用粉喷桩复合地基,造价相对较低。但因其处理软土地基属于隐蔽工程,如果施工质量不好,一旦被上部构筑物所覆盖,便构成隐患,且难以检查及补救。因此,紧抓施工环节,严格施工过程的管理非常重要,只有在施工过程中严格控制才能确保工程质量。

[1] YBJ 225-91,软土地基深层搅拌法加固技术规程[S].

[2] 曹承东.粉喷搅拌桩加固冲积层的工程实例[J].勘察科学技术,1997(5):32-34.

[3] 龚志刚,朱晓龙.水泥搅拌桩处理地基现场试验研究[J].山西建筑,2008,34(3):127.