水泥搅拌桩在水利工程软基处理中的应用及质量控制

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摘要：水利工程软基处理的方式很多,本文主要讨论水泥搅拌桩的应用。在通过对水泥搅拌桩的施工方法的分析,结合实例进行说明。

关键词：水泥搅拌桩；软基处理；水利工程

Abstract: Hydraulic engineering soft foundation has many treatments; the article focuses on the application of cement mixing pile. Through the analysis of the cement mixing pile construction methods described the examples.Key words: cement mixing pile; soft foundation treatment; water conservancy

中图分类号TU2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

前言

淮北地区宿州市砀山县岳庄坝水库位于宿州市砀山县西北部的淮北平原，鲁、豫、皖三省交界处的黄河故道上，水库大坝在砀山县官庄坝镇后岳庄村与玄庙镇陈庞庄村之间，距砀山县城、陇海铁路、310国道均为13km。水库枢纽工程由大坝和泄洪闸组成，其中泄洪闸位于大坝右岸。岳庄坝水库除险加固工程施工，分二期实施。一期实施主要内容为：整修坝体断面、坝身及坝基防渗处理、上游坝坡护砌、完善大坝安全检测等。二期实施主要内容为：加固泄洪闸及上游铺盖和下游消能工程及金属结构、机电设备安装工程和必要的管理设施。下面主要介绍砀山岳庄坝水库坝身及坝基防渗处理。

1、水泥搅拌桩在水利工程中成桩机理

水泥与土搅拌产生加固效果形成桩体[1]，这是水泥遇水后所发生一系列化学反应及其与土发生复杂的化学反应的结果。

1.1水泥的水解和水化反应

普通硅酸盐水泥包括着水硬化性胶结材料的最主要的基础物质，即氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等。他们分别组成不同的水泥矿物。

当永水泥与水拌合成水泥浆，或用水泥粉直接与饱和软土搅拌时，水泥颗粒表面的矿物立即与水发生水泥和水化反应，生成一系列水化物，这些水化物迅速溶于水，使水泥颗粒表面继续暴露，继续与水反应，生成水化物继续溶于水，这样直接溶液达到饱和，生成不能溶解水化物，乃成为凝胶微粒的一部分与其周围一定的粘土颗粒发生反应，另一部分逐渐凝结硬化而形成水泥骨架。

1.2水泥水化物与粘土颗粒离子交换和团粒化作用

由于土体为多相散颗粒体，它与水结合时一般具有胶体的特征。

二氧化硅[2]遇水即形成硅酸胶体微粒，经化学反应，在土体颗粒表面逐渐形成较大的土团粒。而且由于水泥水化生成的氢氧化钙等凝胶粒子的表面积约比原水泥颗粒的比表面积大1000倍，表面能较大，吸附活性十分强烈，于是土团粒进一步互相结合，并且封闭了团粒质检的孔隙，从而形成较兼顾的水泥的团粒结构，使土的强度提高。

1.3凝硬作用

随着水泥水化反应的深入，当溶液中析出的钙粒子的数量查过粒子交换所需数量时，其多余部分便与土中的一部分或大部分胶态二氧化硅或胶态氮氧化二铝进行反应，即微晶凝胶，它在水中逐渐硬化，且强度增大。

1.4碳酸化作用

水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水和空气中的二氧化碳，还原为不溶于水的碳酸钙（石灰石），它能增加土的强度。

2、 水泥搅拌桩的施工方案

某堤防工程位于宁波市河段，地层分部自上而下位淤泥层、粉土层、砂层和残积层，其中淤泥层较厚，标段内地基处理全部采用搅拌桩，搅拌桩直径为500mm，间距1.8m，呈梅花形布置，桩长有9.0m，12.0m和15.0m三种，设计水灰比0.45~0.5，水泥用量50kg/m。

2.1设计参数及要求

2.1.1水泥掺入比＞12%。

2.1.2室内配合比设计：7d无侧限抗压强度：qu≥0.8MPa；28d无侧限抗压强度qu≥1.6MPa；90d无侧限抗压强度qu≥2.4MPa。

2.1.3现场质量检测：28d取芯强度：R28≥0.8MPa；90d取芯强度：R90≥1.2MPa；单桩承载力＞210 MPa；复合地基承载力＞170 MPa。

2.2施工工艺流程

桩位放样钻机就位检验、调整钻机正循环钻进进至设计深度打开高压注浆泵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。

2.3施工控制要点

2.3.1水泥搅拌桩开钻之前，应永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。

2.3.2为保证水泥搅拌桩桩体垂直度满足规范要求，在主机上悬挂一吊锤，通过控制吊锤与钻杆上、下、左、右距离相等来进行控制。

2.3.3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。第一次下钻和提钻时一律采用抵挡操作，复搅时可提高一个档。每根桩的正常成桩时间不少于40min，喷浆压力不小于0.4MPa。

2.3.4位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停留30s，余浆上提过程中全部喷入桩体，在桩顶停留时间为30s,使水泥浆与桩身土体充分搅拌。

2.3.5施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间每根桩开钻后应连续作业，不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。储浆罐内的储浆应不小于一根桩的用量加50kg。若储浆量小于上述重量时，不得进行下一根桩的施工。

2.3.6施工中发现喷浆量不足，应按要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因，喷浆中断时应及时记录中断深度。并在12h内采取补喷处理措施，并补记录。

2.4施工过程监控要点

2.4.1测量放线复核，重点对控制性轴线、桩位进行复查，满足要求后方可就位开机。

2.4.2开机前检查导向架的垂直度，开机后随时观察，控制其垂直度满足规范要求（搅拌桩垂直度偏差不得超过1.5%，桩位偏差不大于50mm）。

2.4.3水泥浆液须按设计（或试桩确定）配比拌制[3]，搅拌均匀、输送连续、不得离析。水灰比必须认真控制，可采用泥浆比重计对各台班进行随即抽样测试。

2.4.4打桩过程因固中断而续打时，为防止断桩或缺浆，应使搅拌轴下沉至停浆面以下50mm，待恢复供浆后继续喷浆提升。

2.4.5严格控制桩深、复搅下沉和提升速度以及泵送压力，确保成桩效果。

2.4.6为保证桩头质量，喷浆搅拌应高于设计桩基顶500mm，且喷浆提升至设计桩顶时，应稍有停滞。

2.4.7制桩完成后，须达到要求的龄期后方可进行开挖，清理桩头时不得使永重锤或重型机械，宜用小锤、短钎等轻便工具操作，以免损坏桩头。

3、对施工中常见问题的处理

3.1 质量预控

3.1.1施工单位按投标书的要求进行地质复勘，在截渗墙轴线方向上每50m以大于设计桩深1m的深度打地质钻孔，确定截渗墙施工范围内土质的组成及厚度、含水量及有机质含量以及地下水侵蚀性分析。

3.1.2施工单位必须取现场土样进行截渗墙土体的室内试验，按设计指标进行试验，确定其适宜水泥掺入比，结果以有资质的实验室出具的试验检测报告为准，根据土体容重确定一板墙的水泥用量。

3.1.3检查施工单位的水泥品质及订货计划，督促并检查施工单位测定不同水灰比情况下的浆量和浆液密度，确定段浆量及总浆量。

3.1.4在施工前应做好施工场地的平整工作，尤其是大于100mm以上的颗粒、树根和施工垃圾必须予以彻底清除。保证施工场地现场平整，地表过软时，应采取防止施工机械失稳的措施。

3.1.5施工所测放的轴线位置、高程经监理现场复核后应妥善保护，桩位位置与设计图纸误差不得大于5cm。

3.1.6施工前做好施工机具准备，并按合同要求进行试运转，进行10～50m段截渗墙施工试验段。在试验过程中确定供浆泵的输浆量、灰浆经输浆管到达喷浆口的时间以及钻机起吊提升速度。

3.1.7截渗墙施工的主要材料为水泥，由于水泥是有效期短、质量极易变化的材料，因此我们要注重水泥的进场和质量管理。首先对进场水泥检查其是否有合格证和出场检验报告，并检查其品种、标号是否与设计文件相符合，对包装、出场日期也应按规定进行检查，并按规定见证取样，对进场水泥还要检查施工单位的保管情况，使其具备防雨、防潮的条件，确保水泥的使用品质。

3.2 施工过程的质量控制

3.1.1施工前准备阶段的质量控制

施工前准备阶段，首先进行桩位的复核工作，检查轴线位置的偏移是否符合要求，桩机的位移步长是否超过设计值，孔斜的偏差是否在允许范围内，钻头搅拌的叶片是否发生磨损，能否达到设计要求的直径，是否按设计要求搅拌水泥浆，搅拌时间是否符合要求。

3.1.2施工过程中的质量控制主要是对水泥浆的比重、段浆量、总浆量、深度进行控制。

根据情况选取几个不同的水灰比，测定每板墙输入的水泥浆的比重，使其控制在预先测定的范围内。

查看其自动监测记录仪上输入和输出的深度、段浆量及总浆量记录，检查其段浆量曲线是否在其设定的段浆量直线上方，偏差量是否在允许范围内，总浆量是否在设计值范围内，是否出现断浆点。

观察其孔口冒浆情况是否微微冒浆，是否出现漏斗或泥浆翻滚现象。根据孔口冒浆情况及时调整总浆量或调整钻头下沉和提升速度。

3.3 验收阶段的质量控制

3.3.1开挖检查，可开挖桩顶3～4m深度，检查其外观搭接状况，主要检查一板墙与一板墙的搭接是否良好，墙厚是否符合设计要求，桩体是否规则，致密均匀。另外也可沿壁状加固轴线，斜向钻孔使钻杆通过，即可检查相邻桩组的搭接状态。

3.3.2通过钻探取芯，经过抗压试验和压水试验，确定其90天龄期的抗压强度及渗透系数、透水率。

4、结论

水泥搅拌桩在堤岸软土地基处理方面，技术上可行、质量上可靠。即能有效的加固软土基础，满足防洪工程、河涌整治的建设标准，又在一定程度上节约建设投资；同时施工过程无振动，无噪音、无污染，对临近建筑物及周围环境影响小。当然，水泥土搅拌桩的设计指标还需进一步优化，施工中还缺少现代化监测设备，不利于施工过程的数据化控制。