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岩土研究院

水泥土搅拌桩适用性、施工工艺、要求及质量检验方法

336 2021-03-16 18:11:26

1、水泥土搅拌桩概述

水泥土搅拌桩是指利用水泥土搅拌机,钻进地基土中一定深度后,喷出水泥浆液,将钻孔深度内的地基土与浆液强行拌和,使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体;根据固化剂状态的不同,水泥土搅拌法又分为两种,当使用水泥浆作为固化剂时,称为深层搅拌法(deep mixing,简称湿法),当使用水泥粉作为固化剂时,称为粉体喷搅法(dry jet mixing,简称干法)。


我国对搅拌桩的研究始于1977年,当时的主要用途是加固软土地基,从 20 世纪 90年代初期开始大量用于基坑支护。当时一般是单轴搅拌,发展到今天,主要使用双轴及三轴搅拌机,搅拌功率大大提高,目前国内大量应用的多为 650mm、850mm 和 1000mm三种。


2、水泥土搅拌桩适用性

水泥土搅拌法适用于加固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 pH值小于4时不宜采用干法,用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数。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、水泥土的物理力学性质

(1)物理性质

1)重度∶水泥土的重度主要与被加固土体的性质、水泥掺入比以及所用水泥浆液有关。一般情况下,水泥土的重度比天然软土重度增加 0.5%~3.0%。

2)含水量∶水泥土在硬凝过程中,由于水泥水化等反应,使部分自由水以结晶水的形式固定下来,故水泥土的含水量略低于原土样的含水量,一般比原土样含水量减少 0.5%~7.0%,且随着水泥掺入比的增加而减小。

3)相对密度∶水泥的相对密度约为3.1,一般软土的相对密度为 2.65~2.75,水泥土相对密度比天然软土的相对密度增加 0.7%~2.5%。

4)渗透系数∶水泥土的渗透系数随水泥掺入比的增大和养护龄期的增长而减小,一般可达10-5~10-cm/s数量级。水泥加固淤泥质黏土能减小原天然土层的水平向渗透系数,而对垂直向渗透性的改善,效果不显著。


(2)力学性质

1)无侧限抗压强度∶水泥土无侧限抗压强度一般为300~4000kPa,比天然软土大几十倍至数百倍。影响水泥土的无侧限抗压强度的因素有∶水泥掺入比、水泥强度、龄期、含水量、有机质含量、外掺剂、养护条件及土性等。

① 水泥掺入比∶是指水泥掺入重量与被加固土的天然重量的比值。试验表明水泥土的强度随水泥的掺入比的增加而增大,随着水泥掺入比的增加,水泥土的后期强度增加幅度也加大。在实际应用中,低于7%的掺入比加固效果通常不能满足工程要求,而大于 15%加固费用也很高,一般双轴搅拌法施工的掺入比为 12%~15%。

② 水泥强度∶水泥土的强度随水泥强度的提高而增加。水泥强度每提高一个等级,水泥土的强度约增大 20%~30%。

③ 龄期∶水泥土的强度随着龄期的增长而提高,一般在龄期超过28d后仍有明显增长,当龄期超过3个月后,水泥土的强度增长才减缓。对于承受竖直荷载的水泥土强度,取 90天龄期试块的立方体抗压强度平均值,对于承受水平荷载的水泥土强度,取 28天龄期试块的立方体抗压强度平均值。

④ 土的含水量∶水泥土的无侧限抗压强度随着土含水量的降低而增大,一般情况下,土样含水量每降低 10%,则强度可增加 10%~50%。

⑤ 土样中有机质含量∶有机质含量少的水泥土强度比有机质含量高的水泥土强度大得多。由于有机质使土体具有较大的水溶性和塑性、较大的膨胀性和低渗透性,并使土具有酸性,这些因素都阻碍水泥水化反应的进行。因此,有机质含量高的软土,单纯用水泥加固的效果较差。

⑥ 外掺剂∶ 不同的外掺剂对水泥土强度有着不同的影响。如木质素磺酸钙对水泥土强度的增长影响不大,主要起减水作用。石膏、三乙醇胺对水泥土强度有增强作用,而其增强效果对不同土样和不同水泥掺入比又有所不同,所以选择合适的外掺剂可提高水泥土强度和节约水泥用量。


⑦ 养护方法∶养护方法对水泥土的强度影响主要表现在养护环境的湿度和温度。国内外试验资料都说明,养护方法对短龄期水泥土强度的影响很大,但随着时间的增长,不同养护方法下的水泥土无侧限抗压强度趋于一致,说明养护方法对水泥土后期强度的影响较小。


2)抗剪与抗拉强度

水泥土的抗剪强度可取无侧限抗压强度的1/6,抗拉强度可取无侧限抗压强度的 0.15 倍。


3)水泥土的变形特征∶水泥土的变形特征随强度不同而介于脆性体与弹塑体之间。


4、水泥土搅拌桩的施工工艺、要求及质量检验

(1)水泥土搅拌桩的工艺流程如图6.2 所示。

(2)施工要求

1)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2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。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)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。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。

3)水泥土搅拌桩施工前应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(主要是水泥浆流量计及其他计量装置),水泥土搅拌桩对水泥流量要求较高,必须在施工机械上配置流量控制仪表,以保证一定的水泥用量。

4)水泥浆液一般采用P42.5级普通硅酸盐水泥,按1∶0.45~0.55 配制;通过控制注浆压力和泵量,使水泥浆液均匀地喷搅在桩体中。注浆压力一般控制在 0.5~1.0MPa,流量控制在 30~59L/min,水泥用量应按设计掺入比控制。

5)预搅下沉时,钻进速度应≤1m/min;施工中为确保搅拌充分及桩体质量均匀,搅拌机头提速不宜过快,平均提升速度应≤0.5m/min,以保证注浆量;重复钻进和重复搅拌的钻进速度和提升速度也要满足此要求。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。如遇故障停止注浆时,应在 12小时内补喷,补喷重叠长度不小于1.0m。

6)相邻桩施工间隔应在 16 小时以内,若超过16 小时,应对切割搭接部位采取防渗措施。


(3)质量检验

施工过程中应对搅拌头转数、复搅次数和复搅深度、停浆处理方法等进行检查和记录,并随时检查施工记录和计量记录,对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定。

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)经触探试验检验后对桩身质量有怀疑时,应在成桩28d后,用单动双管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。

4)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。

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