摘要：随着基础设施建设的发展，双向水泥搅拌桩施工技术在软土地基加固方面得到广泛的应用，本文结合珠海洪湾中心渔港工程（一标段）的施工实践，介绍双向水泥搅拌桩施工工艺、技术要求、施工机械在施工中的应用情况，并对其在施工过程中施工质量控制要点、常见的问题及处理措施进行分析，结合试桩质量检测结果，分析总结出在类似地基条件下，双向水泥搅拌加固大范围软土地基施工中影响工程质量的重要因素，为双向水泥搅拌桩在软土加固的适用性和推广普及的可行性提供借鉴经验。
关键词：双向水泥搅拌桩 工程应用 施工质量控制
1 前言
近年来用于地基加固处理许多施工方法都取得了不同的效果，双向水泥搅拌桩作为一种新型地基处理方法也在逐渐得到推广使用。它的原理是通过专用的设备将固化剂与外掺剂拌制的水泥浆灌入需处理的软土地基内，在过程中将软土和固化剂强行搅拌，利用叶片同时正反双向搅拌增加土体搅拌次数原理使得土体能够均匀搅拌，从而使水泥与地基原状土发生水解和水化反应，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体；同时水泥在水化过程中可以进一步的提高土体强度，从而达到提高其复合地基承载力的目的。
其优点是双向旋转，剪应力相互抵消，一方面阻断了水泥浆上冒现象，另一方面提高了搅拌的均匀性，确保成桩施工质量。[1]双向水泥搅拌桩对于淤泥质土、淤泥质黏土及饱和性土等软土地基的处理效果显著，软基处理完成后可以尽快的投入使用，施工速度快、效率高，较常规地基处理时间可缩减1/2；在施工过程中噪音小、对环境污染小、无震动，并且直接利用了本工程地基的原状土，双向水泥搅拌桩在本工程应用当中取得了良好的效果，与其它地基处理方法以及钢筋混凝土桩基相比，不仅可以降低施工成本还缩短了地基处理施工工期，对工程质量、经济、工期起到了极大优化作用。
2 工程概况
2.1 工程范围及内容
本工程水泥搅拌桩施工的范围包括钢板桩海侧边界以外15m区域以及码头前沿线后方1.4m~33.4m的区域，并根据不同区域的加固要求和地质情况，处理范围分为 A、B、C 三个区，A 区为码头前沿线以后 16.4m~33.4m 的区域，目的是控制工后沉降。B 区为码头前沿线以后 1.4m~16.4m 的区域，目的是控制工后沉降和码头结构变形及稳定。C 区为钢板桩前方 15m 的区域，目的是控制码头结构变形及稳定。A、B区地基处理采用水泥搅拌桩复合地基，C区地基处理采用水泥搅拌桩复合地基+高压旋喷桩；
水泥搅拌桩的施工工艺采用浆液搅拌法（简称湿法），考虑到本工程地基软土工程性比较差的情况，要求采用双向搅拌工艺。水泥搅拌桩单桩直径为 70cm，根据水工结构对桩体强度的要求，搅拌桩固化剂采用P.O.42.5R级普通硅酸盐水泥，及G类或M类二级以上石膏作为外掺剂，水泥掺入比18%、石膏掺量2%、水灰比0.5，搅拌桩28d无侧限抗压强度平均值不小于0.5Mpa，最小值不小于0.33MPa，90d现场芯样试件的平均值不小于0.80MPa，最小值不小于0.6MPa。
图1 水泥搅拌桩标准断面图
2.2 地质情况
本工程的水泥搅拌桩施工标高为+1.0m，桩底标高为-15.0m～-20.0m，根据施工区域地质有勘察资料,水泥搅拌桩所处的土层分素填土、淤泥及淤泥质黏土和黏土及粉质黏土这三层。对各单元土体的分布及物理力学特性分述如下：①素填土（Q 4ml ）：黄褐色，主要由黏土及碎石组成，局部混多量碎砖块，碎石粒径大小不等。 ②淤泥及淤泥质黏土（Q 4m ）：灰褐色，局部混砂不均，含云母、腐植质，有腥臭味，饱和、流塑状。该单元层在勘区范围内广泛分布，且层厚较大，层底标高在-29.31～-12.76米之间，层厚 12.60～28.80 米。该土层具高压缩性、高含水量、中等～高灵敏度、低强度的特点。 ②-1 黏土及粉质黏土（Q 4m ）：灰褐色，混砂不均，含云母及铁锰结核，切面较光滑，饱和，软塑～硬塑状。
3 施工工艺
3.1施工参数
表1 施工参数表
3.2机械设备的选择
用于双向水泥搅拌桩的机械设备采用大扭矩高塔搅拌桩机，是基于原单向搅拌桩机的基础上改造，下转盘带动方钻杆负责反向转动，上动力头负责内钻杆正向转动，其搅拌头主要形式见下图：
蓝色—安装在外钻杆上的反向旋转搅拌叶片；
黄色—安装在内钻杆上的正向旋转搅拌叶片；
绿色—内圆钻杆；
红色—外圆（或方）钻杆。
图3 双向水泥搅拌桩搅拌头
3.3施工工艺流程
搅拌桩成桩工艺采用“一次喷浆、二次搅拌”湿法双向搅拌施工工艺， 一般的施工工艺流程如下：
a. 步骤一：双向搅拌机移动到达指定桩位，定位、对中，调整机架的垂直度。
b. 步骤二：启动双向搅拌桩施工机械，动力头沿导向架向下钻进下沉，下面一组叶轮旋转强制切土，上面叶轮旋转搅拌，直至设计桩顶标高。
c. 步骤三：双叶片组相反方向旋转，切土搅拌至设计桩顶标高时，同时开启送浆泵，将拌制好的水泥浆通过固连在叶片上的喷嘴向土体中喷水泥浆，把土与浆体固化材料搅拌混合一起，保证喷浆均匀。同时正反向旋转切割、搅拌土体，下沉速度控制在0.5～0.65m/min，拌桩机持续下沉至根部桩底设计标高，完成根部桩的“搅、喷、拌”过程。
d. 步骤四：在桩底面位置处，“搅、喷、拌”停留30S以上后，准备提升钻头。
e. 步骤五：关闭送浆泵，桩机提升，搅拌提升速度控制＜1m/min。将钻头提升至地表，完成单桩施工。
f. 步骤六：关闭搅拌机械移位至下一桩位。
4施工质量控制措施
4.1施工参数确定
水泥掺量由现场试桩结果确定，包括室内取土试验和取芯无侧限抗压强度检测，根据试桩检测结果确定最佳的水泥用量、水灰比、钻进速度及搅喷次数等技术参数。
4.2桩位及桩高程的控制
桩位：施工前测放桩中坐标，桩位偏差不得大于50cm。
桩顶、桩底高程：桩底标高超出设计标高10cm，桩顶标高超出设计标高30～50cm。
桩身垂直度：根据导向架的吊锤偏移用米尺测定搅拌轴垂直度，间接测定桩身垂直度，搅拌桩的垂直度偏差不得大于1%。
4.3浆液控制
浆液按配合比拌制，制备好的浆液泵送连续；均配备电脑记录仪，同时现场测定仪严格控制水灰比，确定每次制浆加入的水泥量，不得停置时间过长，超过2小时的浆液不再使用。
4.4搅拌和喷浆时间控制
施工时严格控制提升速度不大于1m/min，下钻速度可根据地层的不同分别选用搅拌机的1（0.4～0.55 m/min）、2（0.55～0.65 m/min）挡。
4.5均匀搅拌
桩机钻头应焊接至少6个横向搅拌刀片，且在每个横向刀片上焊接1~2个竖向搅拌耙齿，同时保证桩体的竖向搅拌效果，竖向搅拌耙齿长度>5cm，宽度≥2cm。
4.6复喷复搅
根据复合地基承载力计算及受力分析，桩体6m以上的部位基本承受了上部荷载的70%以上，因此施工过程中应特别注意加强上部桩体施工控制工作，施工时加强对顶部桩体的复喷复搅。
5 常见施工问题及处理措施
5.1返浆
淤泥层含水量较大，会出现返浆现象，调整喷浆量放慢下钻速度，若继续出现返浆，则可能是抱钻所致或堵管造成的，停止下钻做好标记，清理抱钻的杂物泥土后，重新再搅拌下沉至停搅标高标记点以上1～2m处开始喷浆。
5.2搅拌桩成桩不均匀
原因分析：施工工艺无法达到成桩质量要求、施工过程中发生异常情况造成注浆不连续、搅拌提升速度不均匀。解决办法：确保施工设备的运转正常，施工过程中严格控制下钻和提升的速度，均匀地下钻喷浆，不得中断。
5.3桩顶位置强度低
原因分析：表层加固效果差，且土质较松软，上覆压力小情况下不易搅拌均匀，是加固体薄弱环节。解决办法：桩顶标高1～1.5m内进行注浆复搅，提高桩顶处水泥浆使用量，实际桩顶标高较设计标高多预留0.5m凿除部分。
6双向水泥搅拌桩的应用情况
6.1水泥搅拌桩加固质量和效果的检验
水泥搅拌桩的质量检验可在桩头开挖后外观检验和桩身钻取芯样等方法进行。挖出桩头后观察桩体直径、垂直度和桩偏位情况；水泥搅拌桩成桩28天后，用钻孔取芯的方法检测桩体施工长度、桩身搅拌均匀程度及桩身强度。
图4 现场取芯
6.2 外观检测结果
（1）桩径、垂直度和偏位均能满足检验标准。
（2）桩头比较密实、无松散，成桩质量较好。
6.3 试验检测结果
桩身取芯试验报告显示，桩土搅拌均匀程度较好，芯样完整度高，平均取芯率为88.5%，高于设计要求85%；28d无侧限抗压强度为0.66MPa～1.04MPa，能够满足设计技术要求。
7、双向水泥搅拌桩的的优点
7.1适用范围广
双向水泥搅拌桩技术适用于处理淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉土等软弱地基；常规水泥搅拌桩由于在6～7m以下深度水泥掺入量较小，实际施工有效桩长和有效处理深度受到应用限制；双向水泥搅拌桩技术施工深度大，目前在粉砂土地基中最大施工深度达19米，在淤泥、淤泥质土地基中最大施工深度可达30米，最大桩径已可达到1.3米；双向水泥搅拌桩技术已在全国一百多个工程项目中应用，涉及高速公路、铁路、水利水电、港口航道等多个施工领域。
7.2 桩体强度提高
由于叶片同时正反向旋转，阻断了水泥浆上冒途径，彻底解决了冒浆现象，并且使固化剂与土体就地充分搅拌，不再出现层状的水泥土搅拌体，水泥土强度大幅度提高。
7.3 扰动小
同心双轴同时正反向旋转，使土体对叶片产生的水平旋转力相互平衡，降低了施工对桩周土的作用，桩周土扰动小。
7.4 便于管理
由于采用两搅一喷施工工艺，不需要复喷复搅，降低了人为因素对施工质量的影响。
7.5 经济性
由于桩身强度大幅度提高，加固体桩身受力更合理，单位体积的软土地基处理工程量小，大大降低了工程造价，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省约15%～35%，并且随着软土处理深度的增加，其经济效益越发明显。
8、结论
双向水泥搅拌桩就地利用地基原状软土和固化剂强制拌和，使软土硬结而提高地基强度；这种方法适用于处理淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉土等软弱地基，处理后可很快投入使用，能够降低工程造价，缩短工期。在工期紧、不易进行基坑大开挖或基础换填，考虑使用双向水泥搅拌桩进行基础处理是经济、科学的工艺方案。但同时水泥搅拌桩软基处理属于隐蔽工程，如施工质量控制不好，便构成质量隐患，因此，严格施工过程的管理非常重要，在施工过程中加强对施工工序的控制确保工程质量。
采用双向水泥搅拌桩工艺，解决了水泥搅拌桩在地基处理应用无法发挥优势的难题，根据在珠海洪湾中心渔港工程（一标段）的施工应用情况，可以证明双向水泥搅拌桩适合在深厚淤泥地基加固处理中应用，可为港口工程软基处理提供多种处理方法选择。
参考文献：
[1] 王爱青. 双向水泥搅拌桩施工工艺研究[J].工程技术，2014,04（上）：9-10。
[2] 陈晋中，刘凤翰，刘松玉. 双向水泥土搅拌桩技术及常见施工问题处理[J]. 建筑技术，2011,42（9）：808-809。
[作者简介]：肖羽丰（1990.5-），男，湖南邵阳人，助理工程师，从事港口与航道工程施工管理。
论文作者:肖羽丰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/14
标签：水泥论文; 双向论文; 地基论文; 标高论文; 淤泥论文; 固化剂论文; 黏土论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;