三轴深层搅拌桩施工工艺及质量控制分析

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摘 要:目前在一些土体加固改良处理工程中多采用三轴深层搅拌桩施工,掌握施工工艺并有效地控制搅拌桩的质量,确保土体加固处理的效果是施工中不断研究的一个课题,对三轴搅拌桩加固机理、适用范围、施工优点、施工工艺及质量控制等方面进行分析总结,为类似工程提供参考。

关键词:三轴深层搅拌桩;施工工艺;质量控制

中图分类号:TU

文献标识码:A

文章编号:1672-3198(2010)07-0289-02

1 三轴深层搅拌的加固机理

三轴深层搅拌施工是采用三轴型钻掘搅拌机在现场向设计深度进行旋转掘进,同时在灰浆系统及高压风系统的配合作用下,在钻头处喷射出水泥浆液,钻头及螺旋钻杆将水泥浆与原位土体反复混合搅拌,在各桩单元之间采取重叠搭接咬合方式施工,使土体的均匀性、自立性、密实度、抗压强度等性能参数指标提高,从而满足设计需求的一种施工工艺。其土体改良的机理是:用水泥作为固化剂加固软土时,水泥和软土将产生一系列物理和化学反应,从而增加了颗粒之间的粘结力,增加了土体的强度和密实度,形成具有一定强度和稳定性的水泥加固土。改良后的土体在抗压强度指标上远远高于原天然软土强度,压缩性及渗水性比天然软土也大大降低。在加固软土时,由於水泥的掺量较小,一般仅占被加固土重的5～18%,水泥的水化反应完全是在具有一定活性的土体颗粒的围绕下进行,所以硬化速度较为缓慢。

2 三轴深层搅拌施工适用范围

三轴深层搅拌法通用于粘性土、粉土、砂土、砂砾土、粉砂等天然含水量

3 三轴深层搅拌加固型式

搅拌桩可布置成柱状、壁状和块状三种型式,在堤防上用于地基加固,主要采用桩式,而用于防渗加固或槽壁加固,一般采用壁状式,壁状式是将相邻搅拌桩部分重叠搭接成为壁状加固型式,组成水泥土挡墙,这种挡墙具有较高的抗渗性能,可以形成良好的隔水帷幕。另外还有需要大面积改良土体以提高土体密实度及降低透水性的块状加固,块状范围内各个桩体互相重叠,形成整体的搅拌水泥土体,常用于基坑封底加固、盾构端头土体加固等工程。

4 三轴深层搅拌的主要优点

(1)加固效果好,加固方式灵活,适用面广,三轴深层搅拌法可采用不同的加固型式、不同的桩长和水泥掺入量以满足不同土质条件和不同荷载要求的加固目的,可在粘性土、亚粘土、淤泥质亚粘土、粉土、砂土、砂砾土、淤泥层、砂层、流砂层等土层中广泛应用。

(2)施工速度快,且造价相对较低。在一般地质条件下,每一台班可成墙70～80m2,所需工期较其他工法短,按照水泥掺入量18%计算,桩体合成本约为160m3/元。

(3)可充分利用原软土,采用原位土体加固技术,可充分利用原状土,废土外运量远比其他工法少。

(4)施工不扰动邻近土体,不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害。

(5)钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设置的特点,随着钻掘和搅拌反复进行,可使水泥系列强化剂与土得到充分的搅拌,并且各桩体连续无接缝,从而使被加固土体具有可靠的止水性,其渗透系数可达10-7cm/s。

(6)可成墙厚度550～1300mm,成墙最大深度目前为65m,根据地质条件还可施工更深。

5 三轴深层搅拌的施工工艺及质量控制

5.1 施工准备

(1)场地平整:清除桩位处的地表及地下障碍物,对低洼区回填粘土。

(2)材 料:一般采用42.5级普通硅酸盐袋装水泥以便于计量,使用前对水泥取样送检确保合格。

(3)水泥浆配合比:水泥浆水灰比控制在0.4～0.6,根据实际情况可适量加入0.5%的减水剂。

(4)机械设备:主机采用三轴型钻掘搅拌机,配套机械主要有灰浆拌和机、集料斗、灰浆输送泵、控制柜、计量装置及空气压缩机等,计量装置施工前必须经过计量标定后才能使用。

(5)测量布桩:绘制桩位平面布置图并进行编号,注明加固深度,布设桩位点,设定施工标志。

(6)试桩:三轴深层搅拌施工中搅拌次数越多,拌和越均匀,水泥土的强度也越高。但是搅拌次数越多,施工时间也越长,工效也越低。试桩的目的是为了寻求最佳的搅拌次数,确定最佳水灰比、泵送时间、泵送压力、搅拌机提升速度、提升时钻头反转速度、下钻速度、搅拌遍数、复拌遍数、复拌深度、单位时间注浆量、以及每延米注浆量等参数,以指导下一步水泥搅拌的大规模施工。在正式开始施工前,根据地质情况选取代表性工点,至少进行2根试桩,以便取得符合设计要求的工艺控制数据。

5.2 施工工艺流程

桩位放样开挖导沟置放导轨钻机就位检验调整钻机打开高压注浆泵正循环钻进至设计深度反循环提钻并喷水泥浆至工作基准面以下0.3m重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度反循环提钻至地表成桩结束施工下一根桩。

(1)桩机定位:桩机走移至桩位,对中,调平桩机,并从两个互为90度的方向调整钻塔,确保其垂直度偏差

(2)搅拌钻进:开启钻机,搅拌钻进至设计深度。

(3)制备水泥浆:在搅拌钻进的同时制备水泥浆,水泥浆水灰比根据试桩确定,并根据地质资料调整。

(4)喷浆搅拌提升:钻头钻进至设计深度后,关闭送气阀门,开启灰浆泵,喷送水泥浆液,待浆液到达喷浆口,边喷浆边搅拌提升钻头,提升的速度必须严格控制,一般控制在0.57-0.97m/min,使浆液和土体充分拌和,同时严格控制喷浆量满足设计要求。

(5)重复搅拌:搅拌钻头喷浆提升至设计顶面标高时,关闭灰浆泵,此时空压机不停机,搅拌钻头提升到桩顶时停止提升,在原位转动2min,以保证桩头均匀密实。搅拌钻头再搅拌钻掘至设计深度后进行二次搅拌,然后提升至地面,停止主电机和空压机,填写施工记录,完成水泥搅拌桩成桩工艺。

(6)施工注意事项:

①钻头钻至设计深度时,要有一定的滞留时间,以保证水泥浆液到达桩底,一般为2~5min。

②喷浆或喷气时,当气压达到0.45MPa时,管路可能堵塞,此时立即停止喷浆,将钻头提出地面,切断空压机电源,停止送气,查明堵塞原因,予以排除。

③整个制桩过程一定要保证边喷浆、边提升连续作业。当空气湿度大、浆体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷浆量大时,开通灰罐进气阀,以对料缺罐加压。如出现断浆,及时补喷,补喷重叠长度不小于1.0m。

④喷浆开始时,将电子秤显示屏置零,使喷浆过程在电子计量显示下进行。喷浆时,记录人员随时观察电子秤的变化显示,以保证各段喷浆均匀。

5.3 施工质量控制措施

深层水泥搅拌桩属于隐蔽工程,施工中必须严格控制各个环节,做好桩体检测,严格按照规范设计施工,方可确保其施工质量。

(1)水泥搅拌桩开钻之前,应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象,待水排尽后方可下钻。

(2)设备就位后,必须平整,确保施工过程中不发生倾斜、移动。要注意保证机架和钻杆的垂直度,其垂直度偏差不得大于1%,施工中采用吊锤观测钻杆的两个方向垂直度和用平水尺测量机架的调平情况,如发现偏差过大,应及时调整。

(3)严格控制水灰比,严格按照设计的水灰比配制浆液,制备好的水泥浆不能有离析现象,停置时间不得超过2个小时,若停置时间过长,不得使用。浆液倒入集料时应加过滤筛,以免浆内结块,损坏泵体。

(4)由于水泥土搅拌桩对水泥压力量要求较高,为了确保桩体每米掺合量以及水泥浆用量达到设计要求,每台机械均应配备电脑记录仪,同时现场应配备水泥浆比重测定仪,在施工前检查水泥及外掺剂的质量、桩位、搅拌机工作性能及各种计量设备完好程度,以备检测人员能够随时抽查检验水泥浆水灰比是否满足设计要求。

(5)泵送浆液前,管路应保持潮湿,以利输浆,并记录泵送浆开始及结束时间。

(6)泵送必须连续,拌制浆液的罐数、固化剂和外加剂的用量以及泵送浆液时间、压力等应有专人记录。水泥浆拌制数量,应满足单桩总量拌制,一次用完,均匀喷浆。

(7)水泥搅拌桩施工采用二喷四搅工艺。第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻,喷浆量应小于总量的1/2,严禁带水下钻,当遇到硬土层搅拌下沉太慢时,可适量加水,但冲水对桩身强度有较大影响,需加大喷浆量,增加复搅遍数。第一次下钻和提钻时一律采用低档操作,复搅时可提高一个档位。

(8)在搅拌桩施工过程中采用"叶缘喷浆"的搅拌头。这种搅拌头的喷浆口位于搅拌叶片的最外缘,当浆液离开叶片向桩体中心环状空间运移时,随着叶片的转动和切削,浆液能较均匀地散布在桩体中的土中。

(9)为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身质量,第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30秒,进行磨桩端,在水泥浆与桩端土充分搅拌后,再提升搅头,边喷浆、边提升、边旋转搅拌,余浆上提过程中全部喷入桩体,提升到原地面下30～50厘米时,不停浆并原地搅拌30秒再下沉搅拌。对桩身上端1/3桩长范围,应采取复搅措施,将此范围内的浆液分两次喷入,使搅拌效果更佳。当喷浆口到达桩顶标高时,宜停止提升,搅拌数秒,以保证桩头的均匀性密实。整桩喷浆搅拌结束后,为使软土与水泥搅拌均匀,应再次将搅拌头边旋转边沉入土中至设计深度,再将搅拌头边旋转边提升出地面。

(10)施工前确定搅拌机械的灰浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间。施工时用流量泵控制输浆速度,严格控制搅拌时的下沉和提升速度,以保证加固范围内每一深度得以充分搅拌,确保桩身强度和均匀性,使注浆泵出口压力保持在0.4-0.6MPa,并使搅拌提升速度与输浆速度同步进行。

(11)每根桩开钻后应连续作业,不得中断喷浆。如遇停电、机械故障等原因,喷浆中断时应将搅拌头下沉至停浆点以下0.5米处并及时记录中断深度,待恢复供浆后再喷浆搅拌。如停工40分钟以上,必须立即进行全面清洗,防止水泥在设备和管道中结块,影响施工。停工在12小时内采取补喷处理措施,并将补喷情况填报于施工记录内,补喷重叠段应大于100cm,超过12小时应采取补桩措施。

(12)对每根成型的搅拌桩质量重点检查水泥用量、水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。确保水泥搅拌机的喷浆提升速度、搅拌次数、喷浆压力等必须符合工艺要求,并有专人检查并记录。

(13)施工结束后,应检查桩体强度、桩体直径及地基承载力。水泥搅拌桩的施工质量检验可采用两种方法:一种是在成桩7天后采用浅部开挖桩头检查,数量为总桩数的5%,另一种是在成桩3天内,用轻型动力触探检查桩身的均匀性,检验数量为总桩数的1%且不少于3根。

(14)三轴深层搅拌施工完成后7天内,不允许在其附近随意堆放重物以防止桩体变形。

(15)施工记录必须详尽完善:施工记录必须有专人负责逐桩现场认真填写,不允许后补。记录内容应包括:施工桩号、施工日期、天气情况、喷浆深度、停浆标高、灰浆泵压力、管道压力、钻机转速、钻进速度、提升速度、浆液流量、每米喷浆量和外掺剂用量、复搅深度等,深度记录误差不得大于10cm,时间记录误差不得大于10秒钟。施工中发生的问题和处理情况,均须如实记录,以便汇总分析。

参考文献

[1]李晓良.建筑施工技术[M].上海:同济大学出版社,1999.

[2]梁石根等.建筑施工工艺标准[M].北京:中国建筑工业出版社,1995.