水泥土搅拌桩

6．6．1 水泥土搅拌桩概述

水泥土搅拌桩法是用于加固饱和软黏土地基的一种方法,它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械,在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌,利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基.加固深度通常超过5m,干法加固深度不宜超过15m,湿法加固深度不宜超过20m.

水泥浆搅拌法是用回转的搅拌叶片将压入软土内的水泥浆与周围软土强制拌和形成泥加固体.搅拌机由电动机、中心管、输浆管、搅拌轴和搅拌头组成,并有灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设备.我国生产的搅拌机现有单搅头和双搅头两种,加固深度达30m形成的桩柱体直径60~80cm(双搅头形成8字形桩柱体).

水泥浆搅拌法加固原理基本与水泥粉喷搅拌桩相同,与粉体喷射搅拌法相比有其独特的优点:第一,加固深度加深;第二,由于将固化剂和原地基软土就地搅拌,因而最大限度利用了原土;第三,搅拌时不会侧向挤土,环境效应较小.

施工顺序为:在深层搅拌机起吊就位后,搅拌机先沿导向架切土下沉;下沉到设计深度后开启灰浆泵将制备好的水泥浆压入地基;边喷边旋转搅拌头并按设计确定提升速度,进行提升、喷浆、搅拌作业,使软土与水泥浆搅拌均匀,提升到上面设计标高后再次控制速度将搅拌头搅拌下沉,到设计加固深度再搅拌提升出地面.为控制加固体的均匀性和加固质量,施工时,应严格控制搅拌头的提升速度,并保证喷压阶段不出现断桩现象.

加固形成桩柱体强度与加固时所用水泥强度等级、用量、被加固土含水量等有密切关系,应在施工前通过现场试验取得有关数据,一般用42．5级水泥,水泥用量为加固土干堆积密度的2％~15％,三个月龄期试块变形模量可达75MPa以上,抗压强度为1500~3000k Pa以上(加固软土含水量40％~100％).按复合地基设计计算加固软土地基可提高承载力2~3倍以上,沉降量减少,稳定性也明显提高,而且施工方便是目前公路、铁路厚层软土地基加固常用技术措施的一种,也用于深基坑支护结构、港口码头护岸等.由于水泥浆与原地基软土搅拌结合对周围建筑物影响很小,施工无振动噪声对环境无污染,更适用于市政工程.但不适用于含有树根、石块等的软土层.

6．6．2 设计计算

(1)水泥土搅拌法的一般规定.

①水泥土搅拌法可分为深层搅拌法(以下简称湿法)和粉体喷搅法(以下简称干法).水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基.当地基土的天然含水量小于30％(黄土含水量小于25％)、大于70％或地下水的p H值小于4时不宜采用干法.

②水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数Ip大于25的黏土、地下水具有腐蚀性时以及无工程经验的地区.必须通过现场试验确定其适用性.

③水泥土搅拌法形成的水泥土加固体,可作为竖向承载的复合地基;基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕;大体积水泥稳定土等.加固体形状可分为柱状、壁状、格栅状或块状等.

④确定处理方案前应搜集拟处理区域内详尽的岩土工程资料.尤其是填土层的厚度和组成;软土层的分布范围、分层情况;地下水位及p H值;土的含水量、塑性指数和有机质含量等.

⑤设计前应进行拟处理土的室内配合比试验.针对现场拟处理的最弱层软土的性质,选择合适的固化剂、外掺剂及其掺量,为设计提供各种龄期、各种配合比的强度参数.

对竖向承载的水泥土强度宜取90d龄期试块的立方体抗压强度平均值;对承受水平荷载的水泥土强度宜取28d龄期试块的立方体抗压强度平均值.

(2)设计.

①固化剂宜选用强度等级为32．5级及以上的普通硅酸盐水泥.水泥掺量除块状加固时可用被加固湿土质量的7％~12％外,其余宜为12％~20％.湿法的水泥浆水灰比可选用0．5~0．6.外掺剂可根据工程需要和土质条件选用具有早强、缓凝、减水以及节省水泥等作用的材料,但应避免污染环境.

②水泥土搅拌法的设计,主要是确定搅拌桩的置换率和长度.竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定,并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层;为提高抗滑稳定性而设置的搅拌桩,其桩长应超过危险滑弧以下2m.湿法的加固深度不宜大于20m;干法不宜大于15m.水泥土搅拌桩的桩径不应小于500mm.

③竖向承载水泥土搅拌桩复合地基的承载力特征值,应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定.初步设计时也可按式(6-43)估算,公式中fsk为桩间土承载力特征值(k Pa),可取天然地基承载力特征值;β为桩间土承载力折减系数,一般取0．75~0．95.当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0．1~0．4,差值大时取低值;当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时,可取0．5~0．9,差值大时或设置褥垫层时均取高值.

式中 fspk——复合地基承载力特征值(k Pa);

m——面积置换率;

Ap——桩截面面积(m2);

fsk——处理后桩间土承载力特征值(k Pa),可取天然地基承载力特征值;

λ——单桩承载力发挥系数,可取1．0;

β——桩间土承载力折减系数,对于淤泥、淤泥质土和流塑状软土等处理土层,可取0．1~0．4,其他土层可取0．4~0．8.

④单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定.初步设计时也可按式(6-44)估算,并应同时满足式(6-45)的要求,应使由桩身材料强度确定的单桩承载力大于(或等于)由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力.

式中 fcu——加固土块(边长为70．7mm的立方体,也可用50mm)在标准养护条件下90d立方体抗压强度平均值(k Pa);

η——桩身强度折减系数,干法可取0．2~0．25,湿法可取0．25;

n——桩长范围内所划的土层数;

up——桩的周长(m);

qsi——桩周第i层土的侧阻力特征值(k Pa),对于淤泥可取4~7k Pa;淤泥质土可取6~12k Pa;对于软塑状态的黏性土可取10~15k Pa;对于可塑状态的黏性土可取1．2~18k Pa;

l——桩长范围内第i层土的厚度;

qp——桩端地基土未经修正的承载力特征值(k Pa);

α——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.

⑤竖向承载搅拌桩复合地基应在基础和桩之间设置褥垫层.褥垫层厚度可取200~300mm.其材料可选用中砂、粗砂、级配砂石等,最大粒径不宜大于20mm.

⑥竖向承载搅拌桩复合地基中的桩长超过10m时,可采用变掺量设计.在全桩水泥总掺量不变的前提下,桩身上部三分之一桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数;桩身下部三分之一桩长范围内可适当减少水泥掺量.

⑦竖向承载搅拌桩的平面布置可根据上部结构特点及对地基承载力和变形的要求,采用柱状、壁状、格栅状或块状等加固形式.桩可只在基础平面范围内布置,独立基础下的桩数不宜少于3根.柱状加固可采用正方形、等边三角形等布桩形式.

⑧当搅拌桩处理范围以下存在软弱下卧层时,应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)的有关规定进行下卧层承载力验算.

⑨竖向承载搅拌桩复合地基的变形包括搅拌桩复合土层的平均压缩变形S1与桩端下未加固土层的压缩变形S2.

a．S1的计算.

Esp＝m Ep＋(1－m)Es 　(6-47)

式中 pz——搅拌桩复合土层顶面的附加压力值(k Pa);

pzl——搅拌桩复合土层底面的附加压力值(k Pa);

Esp——搅拌桩复合土层的压缩模量(k Pa);

Ep——搅拌桩的压缩模量,可取(100~120)fcu(k Pa);

Es——桩间土的压缩模量.

b．S2的计算.可按《建筑地基基础设计规范》(GB50017—2011)的有关规定进行计算.

6．6．3 施工

(1)水泥土搅拌法施工一般方法.

①水泥土搅拌法施工现场事先应予以平整,必须清除地上和地下的障碍物.遇有明浜、池塘及洼地时应抽水和清淤,回填黏性土料并予以压实,不得回填杂填土或生活垃圾.

②水泥土搅拌桩施工前应根据设计进行工艺性试桩,数量不得少于3根.当桩周为成层土时,应对相对软弱土层增加搅拌次数或增加水泥掺量.

③搅拌头翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度应相互匹配,以确保加固深度范围内土体的任何一点均能经过20次以上的搅拌,且干法搅拌的钻头每转一圈的上升(或下沉)量应为10~15mm.

④竖向承载搅拌桩施工时,停浆(灰)面应高于桩顶设计标高500mm.在开挖基坑时,应将搅拌桩顶端施工质量较差的桩段用人工挖除.

⑤施工中应保持搅拌桩机底盘的水平和导向架的竖直,搅拌桩的垂直偏差不得超过1％;桩位的偏差不得大于50mm;成桩直径和桩长不得小于设计值.

⑥水泥土搅拌法施工步骤由于湿法和干法的施工设备不同而略有差异.其主要步骤应为:

a．搅拌机械就位、调平.

b．预搅下沉至设计加固深度.

c．边喷浆(粉)、边搅拌提升直至预定的停浆(灰)面.

d．重复搅拌下沉至设计加固深度.

e．根据设计要求,喷浆(粉)或仅搅拌提升直至预定的停浆(灰)面.

f．关闭搅拌机械.

在预(复)搅下沉时,也可采用喷浆(粉)的施工工艺,但必须确保全桩长上下至少再重复搅拌一次.

(2)水泥土搅拌湿法施工.

①施工前,应确定灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间和起吊设备提升速度等施工参数,并根据设计要求,通过工艺性成桩试验确定施工工艺.

②施工中所使用的水泥都应过筛,制备好的浆液不得离析,泵送必须连续.拌制水泥浆液的罐数、水泥和外掺剂用量,以及泵送浆液的时间等应有专人记录;喷浆量及搅拌深度必须采用经国家计量部门认证的监测仪器进行自动记录.

③搅拌机喷浆提升的速度和次数必须符合施工工艺的要求,并应有专人记录.

④当水泥浆液到达出浆口后,应喷浆搅拌30s,在水泥浆与桩端土充分搅拌后,再开始提升搅拌头.

⑤搅拌机预搅下沉时不宜冲水,当遇到硬土层下沉太慢时,方可适量冲水,但应考虑冲水对桩身强度的影响.

⑥施工时如因故停浆,应将搅拌头下沉至停浆点以下0．5m处,待恢复供浆时再喷浆搅拌提升.若停机超过3h,宜先拆卸输浆管路,并妥加清洗.

⑦壁状加固时,相邻桩的施工时间间隔不宜超过12h.如间隔时间太长,与相邻桩无法搭接时,应采取局部补桩或注浆等补强措施.

(3)水泥土搅拌桩干法施工.

①喷粉施工前应仔细检查搅拌机械、供粉泵、送气(粉)管路、接头和阀门的密封性、可靠性.送气(粉)管路的长度不宜大于60m.

②水泥土搅拌法(干法)喷粉施工机械必须配置经国家计量部门确认的具有能瞬时检测并记录出粉量的粉体计量装置及搅拌深度自动记录仪.

③搅拌头每旋转一周,其提升高度不得超过15mm.

④搅拌头的直径应定期复核检查,其磨耗量不得大于10mm.

⑤当搅拌头到达设计桩底以上1．5m时,应即开启喷粉机提前进行喷粉作业.当搅拌头提升至地面下500mm时,喷粉机应停止喷粉.

⑥成桩过程中因故停止喷粉,应将搅拌头下沉至停灰面以下1m处,待恢复喷粉时再喷粉搅拌提升.

6．6．4 质量检验

(1)水泥土搅拌桩的质量控制应贯穿在施工的全过程,并应坚持全程的施工监理.施工过程中必须随时检查施工记录和计量记录,并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定.检查重点是:水泥用量、桩长、搅拌头转数和提升速度、复搅次数和复搅深度、停浆处理方法等.

(2)水泥土搅拌桩的施工质量检验可采用以下方法:

①成桩7d后,采用浅部开挖桩头[深度宜超过停浆(灰)面下0．5m],目测检查搅拌的均匀性,量测成桩直径.检查量为总桩数的5％.

②成桩后3d内,可用轻型动力触探检查每米桩身的均匀性.检验数量为施工总桩数的1％,且不少于3根.

(3)竖向承载水泥土搅拌桩地基竣工验收时.承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验.

(4)载荷试验必须在桩身强度满足试验荷载条件时,并宜在成桩28d后进行.检验数量为桩总数的1％,且每项单体工程不应少于3点.

经触探和载荷试验检验后对桩身质量有怀疑时,应在成桩28d后,用双管单动取样器钻取芯样作抗压强度检验,检验数量为施工总桩数的0．5％,且不少于3根.

(5)对相邻桩搭接要求严格的工程,应在成桩15d后,选取数根桩进行开挖,检查搭接情况.

(6)基槽开挖后,应检验桩位、桩数与桩顶质量,若不符合设计要求,应采取有效补强措施.