水泥土搅拌桩施工工艺
一、前言
为满足水工建筑物地基承载力要求，对于非岩基土质类基础，可采取相应的工程技术措施进行基础加固补强，以达到一定的强度，并保持较好的整体性和稳定性。水泥土搅拌桩就是利用机械将水泥浆等材料与土体强制搅拌，形成柱状增强体，与原土体构成复合地基的工程技术方法。
二、工程概况
闸址区工程地质主要为古河道多年冲积砂层和粉细砂层，基础承载力仅为90余kpa，不能满足闸坝基础承载力要求，采用水泥土搅拌桩以提高基础承载力。搅拌桩布置主要为柱状和壁状结合体，设计桩体直径600mm，间排距1m×1m，最大桩体长度13m，桩体底部插入持力层深度2～4m，壁状搅拌桩设置在工程区最下游，桩体搭接长度10cm，合计搅拌桩总工程量为871根。加固后复合地基承载力不小于130kpa（28d龄期）和150kpa（90d龄期），单桩承载力不小于120KN（28d龄期）和140KN（90d龄期）。
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三、工艺制定过程
3.1工艺试验
根据《水利灌溉工程水泥土搅拌桩施工技术要求》及相关的施工技术规范要求，制定搅拌桩工艺试验，采用湿法搅拌桩施工工艺，初拟施工工艺选用2组8根工艺桩，每组桩成1m×1m正方形布置，分别采用“二喷四搅”和“三喷五搅”的工艺试验。
3.1室内配合比试验
2014年11月11日在项目总监理工程师的见证下，在工程址区选取较有代表性的砂土样，经室内试验测定其天然密度为2.1g/m3；拟定水泥掺量分别为10%、12%、14%、16%共计4个配合比，水灰比0.8，水泥选用泰国产TPI牌p.o 42.5级水泥，进行配合比计算和试配。2014年12月10日进行了室内砂浆试件抗压强度检测，均满足设计要求，详见《水泥搅拌桩室内配合比设计说明书及试验报告》。设计指标：试件28d龄期无侧限抗压强度标准值不低于1.4Mpa，90d龄期无侧限抗压强度标准值不小于2.0Mpa。
3.3现场工艺试验
3.3.1工艺试验主要设备
水泥浆液制浆机1台，容量580L；地下砖砌储浆池1座，最大容量1000L；灰浆泵1台，最大排浆量100L/min；水泥浆液输浆管100m；PH-5B型步履式深层搅拌桩机1台，最大地基加固深度18m；拓普康全站仪1台、钢卷尺2把、轻型触探仪1台；1500ml量筒1个、水泥浆比重计1支、秒表1个。
3.3.2工艺试验
2014年12月11日主要进行“二喷四搅”工艺试验，试验区设在溢流坝段右侧下游端，桩位放样采用拓普康全站仪放样，水泥浆液水灰比选用0.8，水泥掺入比分别对应1～4号桩位采用10%、12%、14%、16%， 经现场试验测得水泥浆液自灰浆泵至出浆口时间为52s～58s，输浆压力0.4～0.5Mpa，预搅下沉速度0.8m/min，提升速度1.7m/min，给进速度1.4m/min，钻机转速48r/min，单桩完成用时42min。水泥浆液制备施工配合比见表1
表1 配制水泥浆液施工配合比
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水 灰 比 水泥用量（kg) 0.8:1 400 说 明 水泥浆液比重按1.568g/cm3，水泥采用水用量（L） 320 TPI牌P.O42.5级水泥。 2014年12月12日主要进行“三喷五搅”工艺试验，水泥浆液水灰比选用0.8，其他均参照“二喷四搅”工艺执行，现场测得单桩完成用时1h。
3.3.3工艺桩检验
成桩后3d，采用轻型动力触探仪（N10）检查每米桩身的均匀性，并进行人工浅部开挖桩头，开挖深度1.5m，目测检查了搅拌的均匀性，采用钢卷尺量测桩体直径。
3.3.4工艺确定
依据以上工艺试验结果，均能满足设计要求和规范要求，决定采用“二喷四搅”湿喷法工艺施工，水泥浆液水灰比0.8，水泥浆液比重1.568g/cm3，水泥采用泰国产TPI牌p.o 42.5级水泥，水泥掺入比12%。
四、主要施工工艺
4.1场地平整
进行深层搅拌法施工的场地事先应予平整，必须清除地上一切障碍，本工程址区为古河道，所以不存在地下管线等设施。本工程水泥搅拌桩施工区域均需进行一定量开挖，开挖时现场应严格控制开挖底部高程，底部开挖控制方法是采用水准仪精确控制标高，标高控制标准设计桩顶标高加50cm超高，即溢流坝段开挖底部标高▽24.9m、泄洪闸段开挖底部标高▽22.9m（齿槽部位除外）。
经开挖后的场地，若因砂层松散或者淤泥土而不能满足桩机稳定时，应采取防止施工机械失稳的措施。
4.2测放桩位
采用拓普康全站仪对要施工搅拌桩逐排或者逐列进行放样，现场根据放样标识，牵引一根线绳，再采用钢卷尺沿线绳逐个放出桩位，测放的桩位应安设小直径竹条或钢筋做标记，并喷涂颜色鲜艳的涂刷材料，桩位最大允许偏差2cm。
4.3浆液制备
浆液制备工艺流程：见图1。
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图1 水泥浆液制备工艺流程图
浆液制备由集中制浆站统一制备，制浆站的设置应因地制宜，充分利用地形优势，制浆站尽量与施工点同高程，以避免产生往高处供浆而造成的灰浆泵压力较大的假象，导致输浆压力失真；制浆站距离搅拌桩工作面距离不宜大于100m。
浆液配合比严格按照项目质检站出具的配合比通知单进行配料拌制，施工用水泥浆液水灰比0.8，水泥掺入量为土料质量的12%，即每米桩身水泥用量为71.7kg，按每拌制459.18L浆液计算，需用水泥400kg，用水量为320kg。材料称量的最大允许误差为±1%，先投放足量的水，再投放胶凝材料，浆液搅拌时间不小于3min，浆液自制备到用完的时间不宜超过２ｈ。
施工用水采用水泵抽取地层渗水至制浆站的钢制水池，拌制时由水池用软管引入580L拌浆桶，水质应干净清洁，达到饮用水标准。拌制用水泥采用泰国产的TPI牌5型p.o 42.5级硅酸盐水泥，水泥使用前应经过项目实验室检测质量合格，制浆机应加装滤网，以防止杂物落入制浆机，影响水泥浆质量或者堵塞输浆管路。
拌制合格的水泥浆液流入储浆池，浆液入池前应关闭制浆机后进行浆液比重检测，合格后方可流入储浆池，经灰浆泵抽取并泵送。储浆池容积1000L，满足2罐浆液容量。
4.4桩机就位、调平
本工程采用中国河南巨业机械公司生产的PH-5B型液压步履式搅拌桩机，该机主要由液压步履式底架、井架、钻机传动系统、钻具、液压系统和电器系统组成。桩机移动通过上底架的液压系统和下底架的纵向移动系统共同工作完成，桩机最大纵向单步行程1.5m，横向单步行程0.5m。单搅拌头，4枚搅拌叶片，搅拌叶片厚度3cm，搅拌叶片宽度6~12cm，两层搅拌叶片层距36cm。
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移动桩机到达指定桩位，桩机搅拌头中心应对准桩位，桩位对中误差不大于50mm。桩机就位对中后，必须进行桩机调平，桩机调平通过上部机架和搅拌轴是否铅垂控制，在机架两个相邻的侧面正中位置悬挂吊线锤，机架下部正中位置做黄色标记，检查吊线锤的吊线是否与下部黄色标记线重合，以确定搅拌轴和机架是否铅垂，通过调整四支液压支腿保证转盘水平，或者通过机架油缸调整机架铅垂。检查搅拌轴是否铅垂，还可以采用水平尺检查桩机转盘是否水平来控制。搅拌轴的垂直度允许偏差不超过0.5%。
4.5喷浆、搅拌
根据本工程现场工艺试验研究，确定本工程水泥土搅拌桩采用“二喷四搅”施工工艺，详细施工工艺流程见图2：
1.2.3.4.5.6.1—桩机就位; 2—喷浆预搅下沉至桩底； 3—提升搅拌； 4—重复喷浆给进搅拌5—重复喷浆提升复搅； 6—成桩完毕。
图2 “二喷四搅”施工工艺流程图
（1）喷浆预搅下沉至桩底
待水泥浆液制备完成、桩机就位调平后，开始实施喷浆搅拌作业。启动灰浆泵将水泥浆液从储浆池中抽取并增压输送到搅拌头出浆口，开始启动桩机主电机，观察出浆口完全喷射出新鲜浆液，并保证浆液喷射距离大于2m时，开始启动下钻程序，直至喷浆钻进至设计桩底以下50cm。
喷浆预搅下沉时，应严格控制灰浆泵工作压力不小于0.4Mpa，不大于0.6Mpa，具体的操作方法是现场专人控制灰浆泵的电机转速，通过旋钮调整电机转速为400r/min，即灰浆泵泵浆量33L/min。
喷浆预搅下沉的钻进速度为溢流坝段0.6m/min，泄洪闸段0.8m/min，操作时应注意观察桩机仪表盘电流表读数，正常工作时的额定电流为83.9A，预搅下沉的电流表读数超过100A时，应该立即停止钻进或者降低钻进速度，降低钻进速度至0.4m/min，连续两次低速钻进，电流表读数仍然超过100A，则表明桩机钻进至持力层，可以停止钻进。
（2）提升搅拌
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桩机预搅钻进至设计桩底标高以下50cm或者钻进至持力层后，保持钻机转速不变，持续喷浆10S后，开始反转提升搅拌头。反转提升搅拌头时，应保持提升速度1.2m/min和钻机转速40r/min的状态匀速提升搅拌至地面。桩机提升搅拌时，灰浆泵不得停止泵浆，应降低灰浆泵电机转速至200r/min，即泵浆量为15L/min。
搅拌头提升至地面后，操作人员应该下机检查搅拌头出浆孔是否通畅，若堵塞应立即采取措施清除出浆孔砂砾，保证喷浆通畅。
（3）重复喷浆给进搅拌
重复上述工序1的操作进行重复喷浆给进搅拌，其差别在于钻进速度、桩机转速和喷浆量不同，本工序确定的钻进速度为1.0m/min、钻杆转速为45r/min、喷浆量为15L/min。
（4）重复提升复搅
重复上述工序2的操作进行重复提升搅拌，将搅拌头提升至地面。 （5）停机移位
工序4完成后，即可完成一根搅拌桩的作业，可根据需要开动灰浆泵
抽水清洗管路中残存的水泥浆，或者移动桩机至另一桩位，开始施工另一根搅拌桩。
总结工序1至工序4的各个参数汇总，见表2
表2 “二喷四搅”工艺工序施工参数表
钻进速度（m/min） 0.6、0.8 / 1.0 / 提升速度桩机转速喷浆量（L/min） 33 15 15 15 工 序 喷浆预搅下沉 提升搅拌 重复给进搅拌 重复提升复搅 （m/min） （r/min） / 1.2 / 1.2 48 40 45 40 备 注 溢流坝、泄洪闸 土颗粒搅拌次数复核计算：
（1）工序一搅拌次数： 0.03m÷0.0133m/s×0.8r/s×4=7.2次； （2）工序二搅拌次数：0.03m÷0.02m/s×0.67r/s×4=4次； （3）工序三搅拌次数：0.03m÷0.017m/s×0.75r/s×4=5.3次； （4）工序四搅拌次数：0.03m÷0.02m/s×0.67r/s×4=4次。 合计搅拌次数20.5次，满足规范要求。
4.6壁状搅拌桩工艺
闸坝水泥土搅拌桩区最下游设置一排壁状搅拌桩，为了减少与闸坝混
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凝土防渗墙和下游消力池混凝土施工的干扰，施工时优先施工下游壁状搅拌桩。
壁状搅拌桩连续墙设计桩径600mm，桩间搭接厚度10cm，施工时采用柱状搅拌桩施工工艺，即“二喷四搅”施工工艺。施工工序是测量定位、浆液制备、桩机就位、喷浆搅拌施工、相邻搅拌桩搭接施工。相邻搅拌桩搭接施工应保持与上根桩间隔时间不超过10h。
4.7桩头处理工艺
搅拌桩停浆面按照设计要求，应高于设计桩顶标高50cm，在进行场地开挖、平整时预留50cm高度砂层不开挖。在桩体施工完3d后，人工开挖桩头及桩间土，开挖至设计桩顶标高。
4.8因故中断后的处理方法
（1）因故停工时间不超过8h～24h，恢复施工时应将搅拌桩机下沉至停浆搅拌点以下0.5m，再搅拌提升。
（2）若停工时间较长，无法下沉至停浆点以下0.5m时，应使下一序桩与前序桩在一侧或两侧搭接，搭接长度不小于1.2m。
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