孙博文
武汉二航路桥特种工程有限责任公司 武汉 430070
摘要：水泥搅拌桩有着适用土质广、加固深度广、工期短、造价低等特点，在软基处理领域被广泛运用，但其施工质量一直较差。武汉市神山湖大道水泥搅拌桩施工过程中，对桩体水泥掺量、搅拌速度等施工参数进行了理论研究和试验分析，并进行了参数优化。大大提高了搅拌桩的整体质量，为项目创造了一定的效益，也为今后工程提供了一个可借鉴的案例。
关键词：水泥搅拌桩；施工质量；施工参数优化
1、工程概况
神山湖大道为武汉江夏区城市主干路，其软基处理段约1.7km，采用双向水泥土搅拌桩，桩径0.6m，桩距1.4m，梅花形布置。设计桩底打入持力层需不少于1m。该道路沿线地质较为复杂，具体参数表1-1。
表1—1 道路各岩土层层参数
2、施工参数对成桩质量影响的分析
2.1 搅拌次数影响
随着搅拌次数的增加，水泥浆与土体拌合的均匀程度就越好，地基的加固效果就越好[1]。根据马在宏等人的研究，单轴单向水泥搅拌桩在施工时采用六搅两喷工艺所成的桩桩身质量比四搅两喷要提高很多，前者单桩承载力也比后者要有显著提高[2]。双向水泥搅拌桩由于叶片的增加提高了工作效率，所以采用四搅两喷工艺就可以保证成桩质量。
2.2 喷浆压力和喷浆量影响
由于双向水泥搅拌桩机出浆位置位于搅拌轴上，若喷浆压力过小，浆液无法切开土体，造成水泥富集现象；若喷浆压力过大，水泥浆喷出搅拌范围，会造成水泥的浪费。在施工前先在地面进行喷浆试验，通过观测浆液喷出的距离来确定施工时的喷浆压力。浆液水头要适中，喷射距离要大于桩的半径，且出浆要连续。
除了要控制喷浆压力外，喷浆量也是质量控制的重点。笔者认为，在四搅两喷工艺中，第一次钻进时喷浆，土体未被绞碎，喷出的浆液过多容易富集在出浆口附近，而第一次钻进不喷浆容易造成出浆口堵塞，所以第一次钻进喷浆量应小于总喷浆量的1/2。
2.3钻机的钻进速度与提升速度影响
钻杆的钻进与提升速度要与钻杆转速相匹配。钻进速度提高，钻杆的转速和喷浆量都需要提升，若转速与喷浆量无法与之匹配则会导致土体不能得到充分搅拌；此外，钻进速度越快，施工电流也就越大，在碰到粉质粘土或坚硬土层时，很容易产生跳闸现象，从而损伤钻机。
目前国内的各种标准对于水泥搅拌桩钻进速度与提升速度的数值不一，数值差别也较大，大概控制在0.4~1m/s[3]。所以只要施工钻机的钻进速度与提升速度在合理范围内，且与转速相匹配，都不会对桩体质量造成过大的影响。
2.4钻杆转速影响
钻杆转速决定着土的搅拌次数。在钻进与提升速度一定的条件下，钻杆转速越快，土与水泥的拌和越均匀，水泥土的强度也越高[4]。但是转速过快，所搅拌的水泥土受到的离心力也就越大，容易在叶片上形成土团，严重的还会堵塞喷浆孔；转速过慢，则水泥土的搅拌不充分，影响桩体质量。
龚晓南[5]在地基处理手册中提出了钻杆转速与搅拌翼片的枚数、宽度、与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头的回转数、提升速度等参数的关系式。笔者加以修改，得出双向水泥搅拌桩各参数的关系式[5]。
式中：N——桩身任意一点的搅拌次数（次），一般取20；
h——搅拌叶片宽度（m）；
β——搅拌叶片与搅拌轴的垂直夹角（o）；
、——分别为钻杆的提升和下沉速度（m/s）；
n1、n2——内外钻杆转速（r/s）；
∑z1、∑z2——固着在内钻杆上搅拌叶片的总枚数；
2.5水泥掺量影响
水泥掺量是决定桩体的强度的重要指标，一定范围内，水泥掺量越高，桩体的强度越高。不同的土体对于水泥掺量的要求也不同，试验研究表明，满足同一抗压强度值时，淤泥质土所需的水泥掺入量要大于粉质粘土，所以笔者认为在同一根桩中，应该优化桩体各段的水泥含量，达到整体最佳强度。
3、试桩参数标定及分析
3.1、试桩参数的标定及试验结果
由上文分析，水泥搅拌桩的成桩质量与搅拌次数、喷浆压力，转抽转速及钻进提升速度密切相关，为确定最佳施工参数，在搅拌桩大面积施工前，先进行工艺试桩，初步确定了各参数的范围。为优化施工工艺，1#桩机试验了5根桩（表3-1、表3-2），其余桩机各试验了3根，共20根桩。成桩7d后对20根桩采用浅部开挖观察桩体成型和搅拌均匀程度，28天后1#桩机取5根桩、其余桩基各取1根进行无侧限抗压强度试验。
表3-1 试桩施工参数
3.2试验结果分析
根据试桩结果，两搅一喷施工工艺所成桩有水泥富集现象，桩下部28d抗压强度接近设计值，即使增加转速，减小提升速度，桩体质量也没有显著提高。分析原因，该土层6m左右深处是粉质粘土层，浆液不能切开土体，成桩质量不佳。所以大面积施工时采用四搅两喷施工方案。
在地面喷浆实验阶段，在采用0.4MPa压力的水头喷浆，喷射距离约为0.4m，出浆连续。而比较上述5根桩、喷浆压力在0.3~0.5MPa内对施工质量的影响不大。综合考虑，喷浆压力控制在0.4MPa。
对比3#、4#桩，28d抗压强度均超过设计强度值，4#桩的成桩质量较好。故内外钻杆的转速选择25r/min和30 r/min，钻进速度与提升速度采用0.8 m/min。
根据检测结果，水泥搅拌桩的成桩质量随深度的增加明显下降。5#桩通过对水泥搅拌桩体各段水泥掺量的调整，提高了桩体软弱段的强度，并使桩的整体强度分部趋于均匀。
4、施工工艺确定
施工要求由桩底以下0.4倍桩长内水泥掺量不小于12%，0.4倍桩长以下水泥掺量以上18%，喷浆压力取0.4MPa，内外钻杆的转速选择25r/min和30 r/min，钻进速度与提升速度为0.8 m/min，施工时第一次下沉喷浆量约为总量的30%，第二次喷浆量约为总量的70%。
工艺要求根据桩身的深度采用不同的水泥掺量，故水泥掺量的控制成为施工质量控制的一个难点，主要通过计算流量法控制参数。
5、结语
在施工完成28天后，对所施工的19310根桩进行钻芯取样、承载力检测，取样率为5‰，结果表明所有参数均超过设计指标，得到了业主等单位的一致的好评。由此可见，施工参数的优化是提高搅拌桩施工质量的关键。本工程运用到的优化桩体各段水泥掺量的方法，目前运用较少，且对造作人员的素质要求较高，所以施工质量较难控制。这有待于以后施工机械的自动化程度提高。
参考文献：
[1] 何开胜.水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决办法[J].岩土力学，2002（12）：778-781
[2] 柳学花，程海涛.深层水泥搅拌桩施工参数研究[J].公路，2012（7）：24-29
[3] GB50202-2002 建筑地基基础工程质量验收规范[s].北京：中国计划出版社，2002
[4] 王立群，任正安，贺仲治，邓洪亮.沈树恒水泥土复合地基工程应用技术研究[J]. 建筑结构，2010（4）：502-505
[5] 龚晓南，地基处理手册（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版，2008
论文作者:孙博文
论文发表刊物:《建筑细部》2019年第13期
论文发表时间:2019/12/5
标签：水泥论文; 钻杆论文; 转速论文; 速度论文; 参数论文; 压力论文; 浆液论文; 《建筑细部》2019年第13期论文;