双向水泥搅拌桩施工工艺及加固效果检测

 李晓鹏

 (中铁十五局集团第五工程有限公司  洛阳  471002)

摘要  结合太原西南环铁路工程实例应用，介绍软土地基处理施工采用的双向水泥搅拌桩技术施工原理、施工工艺，并说明利用钻心法分析确定水泥搅拌桩桩身质量，利用载荷试验分析确定单桩复合地基承载力的过程与方法。实例表明，采用双向水泥搅拌桩加固软土地基，效果良好，桩体强度及地基承载能力均明显提高，地基沉降得到控制。

关键词  双向水泥搅拌桩施工原理施工工艺单桩复合地基承载力  检测

 太原铁路枢纽新建西南环线太中DK18+600～太中DK21+ 050（西南环左线）及太中

DK20+200～太中DK21+050（西南环右线）段位于北六堡站站内，线路以填方通过，四周大部分为耕地。地层自上而下依次为：粘土，厚度2.0～3-o m，褐黄色，软塑，局部夹素填土；粉质粘土，厚度1. 0～2.0m，褐黄色，软塑；粉质粘土，厚度3.0～4.5 m，褐黄色，软塑～硬塑；粉土，厚度8. s～10.0m，浅黄色，潮湿，稍密，局部夹粘土及粉质粘土薄层；粘土，厚度5.0～7.0 m，黄褐色，软塑～硬塑；粉土，厚度5.0 m，黄褐色，潮湿，密实。地下水埋深1. 2～3.0m．水位变幅2～3 m。采用多向水泥搅拌桩加固地基，桩径0.5 m，间距1.3 m，等边三角形布置，桩长11. 0～15.0m。

1 双向搅拌桩施工原理

 双向水泥搅拌桩在不需更换原单向搅拌桩施工设备基础上，进行加工改装就可实现单向变双向搅拌法施工，即在桩架上部的动力系统下方安装一个专利传动箱体，对现有水泥土搅拌桩桩机的动力传动系统、钻杆以及钻头进行改进，采用同心双轴钻杆，在内钻杆上设置正向旋转搅拌叶片并设置喷浆口；在外钻杆上安装反向旋转搅拌叶片，通过外钻杆上叶片反向旋转过程中的压浆作用和正、反向旋转叶片同时双向搅拌水泥和土，阻断水泥浆上冒途径，把水泥浆控制在2组叶片之间，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。双向双轴搅拌桩施工技术能有效克服浆液损失，搅拌均匀，加固深度加强，桩体强度明显提高，保证了地基稳固。

2施工工艺及方法

2.1施工工艺

双向水泥搅拌桩施工工艺流程见图1。

2.2工艺试桩

 施工前在该段地层和不同桩长地段进行室内配比和现场成桩工艺试验（不少于3根），调配水泥浆液。现场施做试桩，水泥用量选定3种，分别掺人55，57，59 kg/m，选定水灰比均为0.5。施打试桩过程中记录施工各项数据，28 d后现场对试桩进行成桩质量检验，抽心检测桩体无侧限抗压强度应不小于1.2 MPa，单桩复合地基承载力大于150 kPa，最终各项参数报监理审批确认实施，具体如下：水泥选用P．S．A32.5矿渣硅酸盐水泥，水泥用量55 kg／m，水灰比o．5，下钻速度0. 5～1.0 m，转速不小于70 r／min，下钻时喷浆量控制在总浆量的90%，喷浆量不小于50 L／m，提升速度0.8 N1.5 mlmin，注浆压力0.5～0.8MPa，进入持力层时电流表读数I≥60 A。

2.3施工步骤

 (1)桩机就位。将桩机移到指定桩位进行对中、校正，确保基底稳固，机身水平不倾斜，钻头垂直，采用经纬仪或在主机上吊一垂球以控制钻杆垂直度。

 (2)拌制浆液。按照试桩确定的施工水泥掺量及水灰比在集料斗拌制水泥浆。水泥采用矿渣PSA32.5矿渣硅酸盐水泥，配置浆液时，水要清洁，浆液要搅拌均匀，加筛过滤，现制现用，不得停放过久。水泥浆必须使用机械拌制，拌和时间不少于3 min，用比重计测其相对密度，并检测稠度，不得产生离析。

 (3)开钻。开钻前应由项目质检和监理人员进行桩前检查并验收合格后，方可开钻。

 (4)搅拌、喷浆钻进。启动搅拌机电机，搅拌头在原地搅拌1～3 min，待搅拌头转速正常后放松起吊钢丝绳，使搅拌头沿导向架边搅边下沉，同时开启送浆泵向土体喷水泥浆，此时多轴上的叶片同时正反向旋转至设计深度。下沉速度由电气控制装置的电流监测表控制，根据试验选定，工作电流不应大于额定值70 A。下沉时专人负责随时检查垂直度，如果发现倾斜过大应马上停钻整改，直到满足要求方可继续开钻。同时随时观察设备运行及地层变化情况。

 (5)搅拌、喷浆提升。搅拌机钻进至设计深度后，在桩端就地持续喷浆搅拌30 s以上，使桩端水泥土充分搅拌均匀。然后按规定的提升速度边喷浆边提升搅拌头，使浆液和土体充分拌和直至设计顶面标高，当到达桩顶位置时，应停留喷浆至少30 s。提升时喷浆主要避免喷浆口堵塞。

 (6)重复搅拌下沉、喷搅提升。为使软土和水泥浆搅拌均匀，重复搅拌下沉、喷浆提升。搅拌机提升到桩顶面高程时，集料斗中的水泥浆应剩有一定余量。搅拌下沉、搅拌提升施工中间一旦因故停浆，为防止断桩和缺桩，重新开钻应保证在停浆面上下重复搅拌喷浆0.5 m。

 (7)清洗。冲洗钻杆、喷嘴，将粘附在搅拌头的软土清洗干净。

 (8)移位。关闭搅拌桩机，移动至下一桩位。桩机移至下一桩位前，检查各种管路，以免管路被压导致损坏。把钻机等机具设备移到新孔位上。在移走钻机后应及时清理冒出的水泥桩，达到与原地面基本相平，并在清理完后的桩位上做好标记，以备检查。

3效果检测

3.1检测数量

 严格按《铁路路基工程施工质量验收标准》(TB10414-2003)进行检测，地基加固28 d后进行单桩复合地基载荷试验，检验数为桩总数的2‰，成桩28 d后抽心取样进行无侧限抗压强度检测，抽检数为总桩数的2‰；本场地水泥土搅拌桩22 953根，共进行了50根水泥搅拌桩钻心取样检测和50点单桩复合地基载荷试验。

3.2检测设备

测试用设备见表1。

3.3桩身质量检测

 (1)检测方法。桩身检测采用钻心法。钻心采用XY-1型地质钻机，在成桩28 d后于1／4桩径处全长抽取，自桩顶1m以下至桩长范围内不同部位截取设计规定龄期的试件，在试验室做无侧限抗压强度试验。

 钻取的心样应由上而下按回次顺序摆放整齐，心样侧面上应清晰标明回次数、块号、本次总块数，并按规范要求填写钻孔记录；钻心结束后，应保存心样和标有工程名称、桩号、钻心孔号、分层、桩长、孔深的标示牌，按规定取样后，钻孔用水泥砂浆回灌封闭。

(2)评定方法。通过钻心取样试验可以直观地判定桩体的长度、桩体的连续性、水泥与土搅拌的均匀性；通过心样长度及心样的现场目测具体描述来判定桩体的好坏，并截取心样进行无侧限抗压强度试验，检验桩体心样的无侧限抗压强度是否满足设计规定的1.2 MPa，确定水泥土搅拌桩的施工质量。心样试件抗压强度按下式计算。

式中：厂为心样试件抗压强度，MPa，精确至0.1MPa;P为心样试件抗压试验测得的破坏荷载，N;d为心样试件的平均直径，mm;r为心样试件抗压强度折减系数，应通过试验统计确定，当无法试验统计资料宜取1.0。

3.4单桩复合地基载荷试验

 (1)加载方式。按照设计图纸提供的复合地基承载力150 kPa，现场试验最大加载量440 kN（大于复合地基承载力标准值的2倍，439 kN）进行，分为8级，每级加载量为55 kN，第一级加载量为55 kN。总堆载量528 kN。

根据设计，桩位正三角形布置，桩间距1.3m，因此单桩复合地基载荷试验承压板采用圆形，直径1. 37 m，面积1.46 IT12，板底铺设50～150mm中粗砂找平层，试坑底开挖至基底标高，坑底面积为4.2 m×4.2 m。采用手动油压千斤顶加载、工字钢搭设堆载平台、配重块堆积提供反力，最大压重量528 kN，载荷试验示意见图2。

 (2)荷载及沉降测量。荷载值通过压力表测量再由千斤顶的标定曲线换算给出，试桩沉降则通过承压板四边对称架设的机械式百分表测量，所有百分表均用磁性表座固定于由脚手架钢管构成的基准梁上，基准梁在独立的基准桩上安装，基准桩支点与承压板中心的距离不小于2.2 m。

 试验采用慢速维持荷载法逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，稳定标准为每1小时沉降不超过0.1 mm。每加一级荷载前后均各读计承压板沉降量1次，以后每半个小时读记1次，直至变形达到稳定标准或满足中止加载条件时为止。

 (3)终止加载条件。①沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；②承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6%;③当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。

(4)复合地基容许承载力的确定。①当压力一沉降曲线上极限荷载能确定，而其值不小于对应比例界限的2倍时，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半；②当压力一沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定，按压板面积为1. 46 m2，取s/b=0. 006所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。以试验桩号3-55的p-s曲线图3为例，该点位的复合地基容许承载力为150 kPa。

3.5检测结论

 (1)钻心取样检测。取心50孔，桩体的长度均达到设计要求，桩端全部进入持力层，通过对现场心样的目测，桩体是连续的，水泥与土搅拌较均匀。

 通过50根心样无侧限抗压强度试验进行综合分析：桩体上部0～1.O m范围因心样较坚硬，取心时多为块状，无侧限抗压强度试验无法进行，从水泥含量看来，搅拌均匀、强度高；1. 0～3.O m桩体无侧限抗压强度平均值为1. 51 MPa;3.0 m以下桩体无侧限抗压强度平均值为1. 22 MPa。

 按《铁路工程土工试验规程》( TB10102 -2004)桩体无侧限抗压强度的规定，根据施工与检测时地下水位以及钻心扰动等因素综合考虑，心样的无侧限抗压强度值满足设计要求。

(2)单桩复合地基试验。该工程50点单桩复合地基载荷试验均加载到设计值的2倍(440kN)，在加载过程中均未出现极限荷载，p-s曲线平缓无明显陡降段，按照相对变形值确定复合地基容许承载力，s/b一0.006，算得s-8. 22 mm所对应的荷载得出特征值，其中列出6点复合地基静载荷试验结果见表2。

 但其值不应大于最大加载量的一半，最终确定该场地容许承载力为150 kPa。

 因设计要求成桩28 d后单桩复合地基承载力不得小于150 kPa，因而得出此试验结果满足设计要求，该段软土地基经采用双向水泥搅拌桩加固处理后，软土地基承载力有效提高，地基沉降可控制在合理范围内，满足铁路路基填土要求。

4结语

 通过对太原西南环铁路软基加固工程中双向水泥搅拌桩实际运用和施工质量效果检测，验证了采用双向水泥搅拌桩施工工艺与方法，施工简便快速，能克服传统水泥搅拌桩存在的浆液损失、搅拌不均匀问题，同时有效加固深度显著提升，桩体强度和软土地基承载力明显提高，地基施工后的残余沉降和差异沉降得到了有效控制，该软土地基处理技术可广泛运用。