軟土地基處理深層水泥攪拌樁施工技術分析

鄺代華

摘 要：基于筆者專業(yè)知識的應用，以工程實例為依托，本文就深層水泥攪拌樁施工技術在建筑工程軟基處理中的應用進行專業(yè)分析，旨在規(guī)范施工工藝，強化施工質量，實現工程建設安全生產。

關鍵詞：軟土地基；深層水泥攪拌樁；加固機理；施工工藝

1 水泥攪拌樁的加固機理

1.1 水解與水化反應

利用水泥攪拌樁實施軟土加固，在將軟土與水泥充分攪拌后，其所形成的結合體中水泥顆粒表面的各種礦物與水接觸后便會首先發(fā)生水解與水化反應，通過該反應的作用，水泥表面的氧化物便會生成SFCa（含水鐵酸鈣）、CaSiO3（含水硅酸鈣）、Ca（AlO2）2（含水鋁酸鈣）以及Ca（OH）2（氫氧化鈣）等化合物，以此很大程度上降低了地層中軟土的含水量。

1.2 硬凝反應

由于大量SiO2（二氧化硅）與Al2O3（三氧化二鋁）存于黏土礦物中，二者在與水泥水化作用產生的大量Ca2+反應后便會形成一些不溶于水、結構致密且穩(wěn)定性好的結晶化合物，并且隨著時間的推移，這些結晶化合物會在逐漸硬化的同時對水分形成阻止作用，進而逐步提升水泥土強度且最終形成具有良好穩(wěn)定性的水泥硬化土。

1.3 粒子交換及團?；\動

作為一種三相體系（固、液、氣），當土體中液態(tài)含量（即含水率）偏高時便會表現出一種膠體特性，黏土顆粒在天然狀態(tài)下自身帶負電荷且被陽離子包圍，此時便會形成膠體微粒，而在一般情況下，這種膠體微粒大多是指大量Na+與K+附著于SiO2表面而形成土粒中含量最多的硅酸膠體微粒，這些膠體微粒的存在使軟弱土體的強度實現了大幅提升。膠體微粒的生成使凝膠粒子的表面積相比之前的水泥顆粒增加了近千倍，促使其表面產生強大的吸附能力，進而將其周圍的土團顆粒不斷吸附結合形成結構團粒，以此促使水泥土強度因結構團粒的聯結穩(wěn)固與密閉空隙而實現有效提升。

1.4 碳酸化作用

碳酸化作用主要是由Ca（OH）2中的Ca2+與空氣所含CO2經化學反應生成具有沉淀特性的CaCO3，其不僅擁有較好穩(wěn)定性，同時也使水泥土強度得到增加。但需指明的是，由于碳酸化反應過程較慢，因此對水泥土強度提升緩慢且增幅較小。其反應方程如下式所示：

Ca（OH）2+CO2→CaCO3+H2O

2 深層水泥攪拌樁施工技術在軟土地基處理中的應用

2.1 工程概況

某建筑工程施工場地位于廢棄魚塘，區(qū)域形狀近似于矩形，長156m，寬112m，總面積約17500m2。地勘報告顯示，該區(qū)域以壓縮性高、承載力低且天然含水量與孔隙比較大的淤泥質土為主，平均厚度3.8m，最大與最小厚度分別為5.6m和2.4m，地質特點呈現為典型的軟弱地基。為有效改善該區(qū)域地基承載能力，使其滿足工程建設需求，經專家論證采用深層水泥攪拌樁對該區(qū)域實施軟基加固處理，具體設計樁徑500mm，樁距1.2m～1.5m漸變，樁長9.0m～12.5m不均，布置方式采用正三角形梅花型，采用一次噴漿、二次攪拌工藝。本工程固化劑采用32.5普通硅酸鹽水泥，經試驗配制與試樁工藝，確定施工水膠比與水泥摻量分別為0.50（一般為0.45～0.50）和15%（一般為12%～16%）。

2.2 工藝試樁

基于深層水泥攪拌樁適應性的考慮，為保證施工工藝的科學性與軟基加固的有效性，正式成樁前有必要通過試樁工藝對深層水泥攪拌樁的適應性與可行性進行驗證。此外，通過工藝試樁，還可以設計為依據獲取與優(yōu)化各種施工參數：①影響水泥漿液噴量的因素，如噴漿壓力、提升速度與單位時間噴漿量等；②驗證預定流程，提升攪拌均勻性；③了解下鉆與提升過程的阻力大小，優(yōu)化技術措施；④確定最佳水膠比與水泥用量；⑤以單樁承載力為依據，確定適用于本工程的施工摻入比，同時對復合地基承載力進行校核。

2.3 技術要點

（1）鉆機就位。鉆機安裝應確保其平穩(wěn)、牢固無晃動現象，同時控制水平偏差≤50mm，垂直偏差≤1.0%。本工程所用攪拌鉆機型號為PH-5B，同時配備PJ-1型記錄儀用來記錄噴漿。

（2）水泥漿制備。以15%摻量計算出樁體水泥用量為50Kg/m，攪拌時間以3.5min控制，完成后實施過篩處理，以防漿液出現離析病害。當因施工需要需添加外加劑（如高效減水劑）時，應以試驗的方式確定其具體用量。

（3）預攪下沉。啟動鉆機，空壓機伴隨著起吊鋼絲繩的放松過程開始送氣，調整鉆機正鉆速度于80～135r/min之間。沿導軌攪拌鉆進過程中，下沉速度不宜過快，以0.8～1.0m/min為最佳控制，調整好鉆機參數后，應連續(xù)鉆進至設計深度。對于鉆進是否達到持力層的判定，具體可以鉆進速度與電流表讀數為依據綜合分析，當遇硬層（一般為持力層）時電流標的讀數會發(fā)生突變。

（4）提升噴漿攪拌。鉆進至設計深度后，開啟噴漿泵于噴漿口噴漿攪拌（正鉆）30s，并在攪拌均勻樁端土與水泥漿液后，在持續(xù)噴漿的同時反向旋轉攪拌提升至地面，且在期間控制提升速度≤0.8m/min。當噴漿提升至距離地面300mm～500mm時，為保證樁頭強度與密實度符合設計要求，此時應停止提升并噴漿攪拌30s，樁頭強度與密實度可根據荷載的傳遞與擴散原理進行分析與判定。對于噴漿泵參數的控制，其壓力應為0.4MPa～0.6MPa，噴漿速度宜為40L/min～60L/min，具體以樁長為取值依據，長樁取上限，短樁取下限，但是必須控制水泥用量≥50Kg/m。

（5）復攪。提升噴漿攪拌完成后，如若噴漿量達到設計要求，此時為保證水泥土混合物攪拌均勻，則應在關閉噴漿泵后再次將鉆頭正向旋轉下沉至設計持力層（即設計深度），然后反向旋轉提升至地面，并待水泥土板結凝固后將樁頂高出部分挖除；如若與設計相比噴漿量不足，則應在二次鉆進下沉時打開噴漿泵補漿至1/3～2/1樁長且不小于5m位置處，其后便可按上述措施進行處理。

2.4 質量控制措施

（1）通常情況下，樁深設計以進入持力層50cm為宜，如若過深，則易出現下述病害：①底部成樁因壓力過大致使水泥漿液難以滲入，成樁困難且無法保證樁長滿足設計要求；②一般情況下，由于持力層設計為土質較硬的黏土或亞黏土，因此樁端進入過深易使帶漿下鉆困難甚至無法下鉆，難以有效拌碎土體；③如若樁端進入持力層過深，為防止出現堵管現象，只能采取持續(xù)噴漿的方式，此時對于水泥用量會因樁底下鉆速度過慢而明顯增加，且易造成順鉆桿出現水泥漿外溢現象，致使材料浪費的同時降低了施工效率。

（2）如遇鉆進時硬層夾于地層某一深度，可以工程實際地質狀況為依據采取以下處理措施：①當硬層厚度≤50cm且下鉆相對容易時，可稍加回漿量并繼續(xù)鉆進將硬層在短時間內穿透；如遇下鉆困難，應在加重動力鉆頭的同時將回漿量及時增大，為提升鉆進速度，并于最底部橫向刀片上焊接鋒利的破土刀片，以此將硬層快速穿透（切勿緩慢鉆進）；②當硬層厚度>50cm時，可將該層直接作為持力層無需繼續(xù)鉆進，如此可有效避免因硬層難以攪碎且水泥漿液滲入困難而造成斷樁情況發(fā)生。

（3）鉆機一旦開鉆，其過程應連續(xù)施工不得間斷，同時對起噴與停噴高程須嚴格控制。鉆進過程中如因客觀原因（如機械故障）不得已出現停漿現象，則應將中斷高程及時記錄后下沉鉆頭至停漿點以下500mm處，并帶噴漿恢復后再提升重新攪拌，同時控制復攪重疊長度≥1.0m；停機如若超過3h，則應先將輸漿管路拆卸后清洗干凈；停機如若延續(xù)至12h，則應根據現場實況與設計依據采取補樁措施。

3 水泥攪拌樁常見質量問題、原因及控制措施

3.1 質量問題

基于本工程的實際應用及取樣檢測，在所查出的問題樁中，水泥漿液堆積現象普遍存在，其從十幾公分甚至于樁軸部位形成水泥芯柱，致使其他部分位置水泥漿液過少，從整體上降低了樁體強度。實踐表明：水泥攪拌樁中水泥土的攪拌均勻性為影響樁體強度的關鍵性因素。

3.2 原因分析

本文在結合本工程施工實況的同時，通過其他案例的調查與有關資料的查閱，就水泥漿液堆積病害的形成原因，總結為下述3個方面：（1）施工工藝與機械設備選擇缺乏合理性。主要以出漿口方向與位置偏差過大、噴漿提升不勻速為表現，亦或是因電機功率較小而使轉速過慢、壓漿泵壓力不足、攪拌葉片層數過少而導致。（2）在噴漿口樁軸位置，因出漿口控制失當而使水泥漿液形成堆積現象，同時伴隨表現為葉片外緣漿液缺乏。（3）噴漿方式不合理。在提升噴漿與下沉噴漿選擇中，出于漿液用量的保證，目前大多施工中在初次下沉時便會伴隨噴漿操作，但是此時由于土體并未完全攪碎，因此導致所噴漿液無法及時擴散于四周，進而容易在出漿口位置出現漿液堆積現象甚至形成芯柱。

3.3 控制措施

（1）采用提升式噴漿?；谏鲜鲈颍?）的分析，施工過程中如若采用下沉式噴漿，受土體差異的影響，極易造成漿液分配出現不合理現象，對于軟土體，下沉容易及速度增大會使?jié){液噴射不足；對于硬土體，下沉困難及速度降低會使?jié){液噴射過量。首次攪拌下沉的操作，其目的在于將土攪松并以此為注漿開辟路徑，同時還可減小不均勻地層中軟、硬土的側阻力差異。對于2上2下工藝中局部漿液過多等攪拌不均勻缺陷的防治，規(guī)范要求通過增加噴漿次數與增設二次循環(huán)下沉噴漿的方式來予以消除。

（2）樁體底部布置適量漿液。首次攪拌下沉至樁底時停留并噴漿約60s時間，可有效防止注漿深度不足或樁底噴漿過少病害的發(fā)生。該方法目前在國外工程實例中應用較多，但效果表現良好，因此在我國值得推廣。

（3）當攪拌樁長>15m時，對于攪拌軸轉速與葉片切土能力的保證，應通過適當增大攪拌功率的方式來實現；利用檢測手段，及時發(fā)現不良部位并進行處理；降低攪拌提升速度，以此增加攪拌次數與水泥漿液噴漿量。基于我國現實情況的分析，由于“定量泵送”為國產機械對水泥漿液輸送的主要方式，因此噴漿次數與提升速度共同決定了注入樁體的水泥用量。

4 結語（實踐總結）

（1）基于加固機理的分析與工程實踐的總結，可知水泥摻量對樁體強度的影響存在一個限值，當達到該限值時，如再單純的增加水泥用量則對樁體強度影響不大，此時攪拌均勻程度則表現為影響樁體強度的主要因素。

（2）鉆桿轉速與復攪次數為除水泥用量外影響成樁質量的關鍵性因素，對于成樁工藝與成樁質量的評價，其過程應以軟基實況為結合通過各因素的綜合分析來客觀、合理的制定可行、有效的措施，其中分析因素主要包括施工地段、軟土性質與土層分布等；

（3）對單樁承載力的提升僅靠增加樁長是存在一定上限的，而對樁長則應根據建筑物允許沉降來實施確定。

（4）為改善水泥攪拌樁受力及傳力狀態(tài)，我國目前采用傳統(tǒng)的加設墊層方式，今后可在此基礎上對該構造方式實施創(chuàng)新與改進，如加設鋼筋網和新材料于樁體結構中。

參考文獻：

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