东莞市水务技术中心 广东东莞 523000
摘要：本文结合某排涝泵站工程实例，通过对地基处理方案的对比，选择了水泥搅拌桩方案，对水泥搅拌桩设计进行了分析，并对水泥搅拌桩的施工工艺及施工质量控制进行了详细的介绍，介绍了该工程的质量控制及检验措施，为类似工程提供参考借鉴。
关键词：水泥搅拌桩；排涝泵站；地基处理；应用
随着我国国民经济的快速发展，水利工程的建设也越来越多，对促进经济的发展，保障人们的生命财产安全等发挥着重要的作用。排涝泵站是我国重要的水利设施，其工程建设关系到人们的生命财产安全。排涝泵站工程建设中，地基处理是一项重要的工程，关系到工程的结构的安全。对此，笔者对水泥搅拌桩在排涝泵站地基处理中的应用进行了介绍。
1 工程概况
某排涝泵站主厂房基础设计时是座落在中密卵石层上（约在高程139.830～138.650m），基坑挖深9.47～10.65m，占地面积约为270平方米，建筑采用框架结构，十字板梁伐式基础。通过地质钻探资料，得知场地地面高程149.300m，拟建场地自上而下：高程149.300～147.800m为硬塑粉质粘土层，高程147.800～146.300m为可塑粉质粘土层，高程146.300～145.800m为软塑粉质粘土层，高程145.800～143.500m为软塑砂质粘土层，高程143.500～141.400m为粉质细砂层，高程141.400～140.400m为中砂层，高程140.400～138.400m为中密卵石层，下卧基岩为融县灰岩。在施工开挖到高程141.900m（深7.4m）时的粉砂层时，基坑四周多处发生坍塌，坑壁和坑底多处发生管涌，两台6寸水泵无法抽干坑内的积水，随着坑内涌水、涌砂，基坑四周发生大面积坍塌；并且已危及相邻建筑物的安全。在这种情况下，如果坑底还要挖除2～3m的粉砂层（至设计基底），将会有更大的事故发生。为此，施工被迫停止。
2 原因分析
通过分析，事故发生的原因是工程所在地区地下水源丰富，当时测得地下水位145.800m，水位差为3.90m，水力坡降较大。而粉砂层的特性是粘聚力和抗剪强度较低、孔隙比较大、透水性良好。当基坑抽水时，粉砂层中的颗粒在水力坡降的作用下，不断地向外涌出而发生渗透变形；当粉砂层中的大量砂被涌出后，土层失去支撑而造成坍塌。
3 地基处理
3.1 处理方案的选择
现场对粉砂层进行标准贯入试验，其击数为4～21击，以5～16击为主，很显然，天然地基不能满足泵房上部结构对地基的强度和变形要求，必须进行地基处理。
在考虑了粉砂层的厚度较大，不宜用换土进行处理的基础上，着重进行了以下2个方案的比较。
3.1.1 挖孔灌注桩方案
基于粉砂层特性的分析，考虑到钻孔过程中泥浆不容易护壁以及塌孔后处理时的费时和不经济性，更主要的是鉴于汛期即将来临和工程施工的紧迫性，而放弃这一方案。
3.1.2 水泥搅拌桩方案
经过室内水泥土试验，粉砂层土经搅拌以后能达到很好的加固效果，不仅可以提高地基承载力，而且抗渗性能好。与挖孔灌注桩方案比较，其造价要低得多。只要严格按设计要求控制进尺、喷浆量，采用全程复搅使桩身均匀，同时解决好桩底水泥土与下卧硬土层的结合问题，该方案完全可以满足本泵站的承载力和沉降要求。经过方案比较，决定采用深层水泥搅拌桩方案进行地基加固处理。
3.2 水泥搅拌桩设计
设计要求桩基处理到中密卵石层，并嵌入0.3m；加固后的复合地基承载力不小于220kPa，泥土桩身强度不低于1300kPa。
3.2.1 单桩竖向承载力标准值Rkd的确定
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91），单桩竖向承载力标准值Rkd按下列二式计算，并取其中的较小值。
Rkd=ηfcu，kAp（1）
Rkd= sUpl+αApqp（2）
参数取值：桩径500mm，Up=1.57m，Ap=0.19625m2，qp=100kPa， s=15kPa，α=0.4，η=0.35，fcu，k=2300kPa，L=5m。
由（1）式计算得：Rkd =157.98kN；
由（2）式计算得：Rkd=125.60kN；
取以上计算结果的最小值作为单桩竖向承载力标准值，即：Rkd=120kN。
3.2.2 面积置换率
按设计要求，经地基处理后复合地基承载力标准值fsp，k≥220kPa。
fsp，k=m Rkd /Ap+β（1-m）fs，k（3）
n=mA/Ap（4）
参数取值：fsp，k=220kPa，fs，k=80kPa，β=0.4，Rkd=120kN，A=16×16=256m2。
由（3）式计算得：面积置换率m=0.33；
由（3）式计算得：桩数n=430根。
3.2.3 桩位布置
由于地下水位高、水力坡降大，因此为确保施工质量和提高地基的抗渗性，桩位设置如下：
（1）帷幕桩：共128根，桩长7m。桩间距500mm，桩径Φ650mm，搭接150mm，沿基础周边单排布置成连续壁状。先施工以确保主厂房地基土的稳定，从而避免涌水冲刷而造成土体颗粒的流失；
（2）加固桩：主厂房地基加固桩440根，桩长5m。桩径Φ500mm，按网距733mm×675mm进行布置。在帷幕桩施工完成后紧接着施工。
由于桩数调整以及帷幕桩的施工，因此实际面积置换率为40%。桩位布置见图1。
图1 桩位平面布置图
3.2.4 泵房地基变形验算
泵房地基最终沉降量由复合土层的压缩变形值S1和桩端以下未处理土层的压缩变形值S2组成。
（1）复合土层的压缩变形值S1的计算
S1=[（P0+Poz）L]/2Ecs（5）
Ecs=mEp+（1-m）Es（6）
Poz=Pb-σcd（7）
Pb=[BLPo-2（B+L）hf]/BL（8）
参数取值：粉砂层的天然密度γ=17.5kN/m3，压缩模量Es=3.33MPa。m=0.33，B=16m，L=16m，h=5m，Po=220kPa，f=15kPa，Ep=100fcu，k=100×2.3=230MPa，σcd=γ×d=17.5×5=87.5kPa；
由（8）式计算得：Pb=201.25kPa；
由（7）式计算得：Poz=113.75kPa；
由（6）式计算得：Ecs=78.13MPa；
由（5）式计算得：S1=10.68mm；
即：复合土层的压缩变形值S1=10.68mm。
（2）桩端以下未处理土层的压缩变形值S2的计算
S2=ΣSi=Σ（
zihi/Esi）（9）
式中：
zi——第i层土的平均附加应力，kPa；
Esi——第i层土的侧限压缩模量Es，MPa；
hi——第i层土的厚度，m。
参数取值：卵石层的天然密度γ=21.2kN/m3，压缩模量=25MPa。
由（9）式计算得：桩端以下未处理土层的压缩变形值S2=58.69mm。
所以总沉降量S=S1+S2=10.68+58.69=69.37mm。
通过以上分析计算可以看出，由计算所得复合地基总沉降量小于有关规范建议的沉降量控制范围100～150mm，满足地基的变形要求。
3.2.5 基坑回填
由于现基坑面标高为141.500m，根据该现场的工程地质条件和水文地质条件，为便于深层水泥搅拌桩的施工，因此需及时将主厂房基坑回填到标高143.423m（即厂房基底标高+0.5m），并且在回填后，场地四周挖排水沟，深度为0.5m，将水汇集到抽水坑中，用抽水泵将水排出，保证施工场地不被水淹。具体分3层进行回填：
第一层：回填粗砂砾卵石，厚度0.3～0.5m，用推土机推平并碾压3遍；
第二层：回填黄色粉质粘土，厚度0.5～0.7m，每填平0.3m后，用挖掘机碾压3遍；
第三层：回填粗砂，厚度0.3～0.5m，用挖掘机碾压3遍，达到回填土面标高143.423m。
3.2.6 水泥土室内配合比试验
通过水泥土室内配合比试验确定水泥土无侧限抗压强度与水泥掺入量及水灰比的关系。试验时在实地取土样，按水泥掺入比15%、水灰比0.6，0.7分别制作70.7mm×70.7mm×70.7mm的标准水泥土试块，在标准养护室内养护7d后做水泥土试块抗压试验。试验结果见表1。
表1 水泥土无侧限抗压强度试验结果统计
表1中水泥土90d无侧限抗压强度根据经验公式fcu，7=（0.3～0.5）fcu，90推算得到。从表1中可知，2种不同水灰比的水泥土7d无侧限抗压强度都满足达到90d标准强度2.30MPa的30%～50%（0.69～1.15MPa）的要求。
3.2.7 成桩试验
施工机械选用SJB-Ⅱ型深层水泥搅拌机，水泥掺入比αw=15%，水灰比按0.60和0.70分别进行试验。试验桩选择在厂房基础外的帷幕桩，共做试验桩6根，最终确定深层搅拌桩的施工参数如下：
（1）固化剂采用425号普通硅酸盐水泥，水泥掺入比αw=15%；
（2）浆液比重不小于1.65kg/L，水灰比为0.70；
（3）喷浆提升速度不大于0.5m/min，预搅下沉速度0.6～0.7m/min；
（4）喷浆口喷浆压力0.4～0.6MPa；
（5）桩尖进入中密卵石层（持力层）的深度不小于300mm。
3.3 水泥搅拌桩施工
3.3.1 工艺流程
桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→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→重复搅拌下钻至设计深度→反循环提钻并喷水泥浆至地表→成桩结束→施工下一根桩。
3.3.2 施工方法
（1）定位：测量放线确定桩位后，钻机就位、对中并进行定位；
（2）制备水泥浆：按成桩试验确定的配合比制备水泥浆；
（3）预搅下沉：检验、调整钻机符合要求后，启动搅拌机电机，放松卷扬机钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土下沉，采用正循环钻进至设计深度；
（4）喷浆提升：反循环提钻并喷水泥浆，第一次喷浆量应控制在单桩总浆量的50%左右；
（5）重复搅拌下沉：待搅拌头提至工作基准面以下0.3m后，重复搅拌下沉；
（6）重复喷浆搅拌提升：反循环提钻并喷水泥浆，搅拌机提升到桩顶标高时，浆液应略有剩余，可在桩身上部1～1.5m范围内重新搅拌喷浆；不得出现搅拌头未到桩顶，浆液已喷完的现象；
（7）成桩结束后，关闭机械；
（8）重复上述步骤，开始施工下一根桩。
3.3.3 施工控制
（1）管道清洗：在开钻之前，用水清洗整个管道并检验管道内无堵塞现象后才下钻；
（2）桩体垂直度：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；
（3）地下水位：施工期间始终控制地下水位高程低于操作面2m以下；
（4）水灰比及水泥浆用量：为确保桩体水泥浆用量，每台机械均配备电脑记录仪。同时现场配备水泥浆比重测定仪，以备监理工程师和项目经理部质检人员随时抽查水泥浆、水灰比是否满足设计要求；
（5）成桩时间及喷浆压力：水泥搅拌桩施工采用二喷四搅工艺。第一次下钻时，严禁带水下钻；为避免堵管可带浆下钻，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；每根桩的正常成桩时间应不少于40min，喷浆压力应不小于0.4MPa；
（6）桩端、桩顶及桩身质量：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30s，进行磨桩端，余浆上提过程中全部喷入桩体，且在桩顶部位进行磨桩头，停留时间为30s；
（7）喷浆时间及停浆时间：施工时应严格控制喷浆时间及停浆时间。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；
（8）复搅及补喷：施工中发现喷浆量不足，应按监理工程师要求整桩复搅，复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障等原因，喷浆中断时应及时记录中断深度，在12h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12h应采取补桩措施。
3.4 质量控制与检验
3.4.1 质量控制
（1）项目经理部指派专人负责水泥搅拌桩的施工，确保人员到位，责任到人；
（2）严格按设定的配合比配置水泥浆液，并定期抽查；
（3）考虑到桩顶与基础底板接触部分受力较大，为此基底以上至少留有50cm的土层，并对桩顶1～1.5m范围加强搅拌，确保桩头的均匀密实；
（4）为利于土和水泥浆均匀搅拌，严格控制喷浆搅拌提升速度并用自动流量计控制实际喷浆量；
（5）帷幕桩施工时，其相临桩的施工间隔均未超过24h；
（6）对每根成型的搅拌桩重点检查了水泥用量、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；
（7）现场施工员认真填写施工原始记录。包括：桩号、日期、天气、钻进及提升速度、灰浆泵及管道压力、喷浆深度、停浆标高及复搅深度等。
3.4.2 质量检验
（1）开挖检验：在场地北端开挖一个（长×宽×深=2.3m×2m×1.2m）检验坑（详见桩位平面布置图），挖出桩体11根（其中：帷幕桩5根，主厂房地基搅拌桩6根）进行桩头、桩身鉴定，均符合设计要求，桩脚嵌入到稍至中密卵石层300～1000mm（其中：主厂房地基搅拌桩无缩颈、断裂现象，桩体固结良好，水泥和土拌和均匀，桩体外沿水泥含量相对较高些，桩头预留量较充分；帷幕桩与桩相互搭接150mm，成为连续桩墙，帷幕内桩间土的孔隙水较少）。检验坑经几天积水后坑内水位稳定，与帷幕外排水沟的低水位隔开，幕外连续抽水，使排水沟水位低于坑内水位1m左右，坑内水位仍然保持稳定不动，证实了帷幕桩起到了防渗、止水、防流砂、防管涌和稳定主厂房地基的作用；
（2）轻便触探试验：共抽查试验21根桩（其中：主厂房部分抽查13根，副厂房部分抽查8根），均在搅拌成桩后4～7d做轻便触探试验，测试锤击数为25～350击/30cm，检验比例大于2%，符合规范要求；根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79—91，经测试值验算，桩身强度大于1300kPa，复合地基承载力大于220kPa，符合设计要求；
（3）静载荷试验：在副厂房复合地基中抽查3个桩点（桩号为36#，61#，109#）做静载荷试验。3点单桩复合地基承载力基本值分别为251、265、243kPa，其相应地复合地基沉降量分别为12.75、11.60、12.38mm。其复合地基承载力平均值为（251+265+243）/3=253kPa，极差值为265-243=22kPa<0.3×253=76kPa。依据《建筑地基处理技术规范》JGJ79—91附录（一）第八条，因极差小于平均值的30%，故取深层水泥搅拌桩单桩复合地基承载力平均值253kPa作为该工程复合地基承载力标准值，满足设计要求（即：经地基处理后，其复合地基承载力≥220kPa）。
4 结语
综上所述，水泥搅拌桩施工技术是地基处理中常用的施工技术，具有施工简单、工期短、投资少、噪音低及施工质量可靠等优点。在排涝泵站地基处理中，要结合工程的实际情况，选择合理的施工方案进行施工，同时还要加强工程施工的质量管理，严格控制工程施工的质量，从而保证工程施工的安全及质量。
参考文献：
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[2]林楷祥，么振东.水泥搅拌桩在西闸站工程处理液化地基的应用[J].人民珠江.2014（04）
论文作者:颜秋阳
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/5
标签：地基论文; 水泥论文; 高程论文; 水灰比论文; 土层论文; 泵站论文; 水泥浆论文; 《基层建设》2016年11期论文;