维普资讯 http://www.cqvip.com 科学之友 Ｆｒｉｅｎｄ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｍａｔｅｕｒｓ ２００８￣ｆ－０４月圆 水泥搅拌桩在软土路基中的应用 孙海刚 （中铁十二局集团一公司，山西临汾ｏ４１ｏｏｏ） 摘要：介绍了水泥搅拌桩的加固机理，验证水泥土配合比、施工工艺特征和机械特点，通 过实际检测和经济比较，说明水泥搅拌桩在高填方软基处理中的实用性与经济性。 关键词：水泥搅拌桩；软土地基；作用机理；施工与检测；经济比较 中图分类号：Ｕ４４３．１５ 文献标识号：Ａ 文章编号：１０００—８１３６（２００８）０４—００４１—０３ １前言 ２．２．３碳酸化作用 水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧 黄延高速公路位于陕西省黄陵至延安境内，线路地形地貌多 化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，从而使水泥增加 为丘陵岗地，地形起伏大，岗问洼地相间，岗脊窄狭。土层结构上 强度。但是增长的速度较慢，幅度也较小。 部主要为弱膨胀性低液限黏土，下部为极软岩。洼地有厚度不等 从水泥土的加固机理分析，由于搅拌机械的切削搅拌作用。 的新近沉积软弱土，工程性质较差。 实际上不可避免的会留下一些未被粉碎的大小土团。在拌人水泥 黄延高速公路软基处理采用了两种方式，一种是浅层处理， 后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团间的大孑Ｌ隙基本上已被 即在清除软土后换填石渣，铺设６０ ｃｍ～８０ ｃｍ中粗砂和一层土工 水泥颗粒填满。所以搅拌越充分，土块被粉碎得越小、越细，水泥 格栅；另一种是深层处理，即采用水泥搅拌桩加固地基。现介绍深 分布到土巾越均匀，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观的 层软基处理水泥搅拌桩的施工。 总体强度也越高。 水泥搅拌桩是以水泥作为固化剂，通过控制深层搅拌机械， 将固化剂和地基土强制搅拌，使软土固结成具有整体性、稳定性 ３水泥搅拌桩的机械特点 和一定强度的桩体。 水泥搅拌桩钻机是进行软弱地基处理的新型机具，该机具的 ２水泥搅拌桩加固机理 型号有ＰＨ一５Ａ、ＰＨ一５Ｂ、ＰＨ一５Ｃ、ＰＨ一５Ｄ。①钻机部分为机械传动， 有多挡旋转、给进（或提升）速度，并设有过载保护装置，操作方便 ２．１ 水泥的水解和水化反应 可靠。②钻机底架为液压步履式，能纵向、横向移动，对孔就位迅 普通硅酸盐水泥主要成分是氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、 速简便，机动性强。③钻进进尺有深度计显示，便于操作控制。④ 三氧化二铁及三氧化硫等，这些不同的氧化物分别组成了不同的 针对不同的软土条件施工，配有多种喷浆桩专用钻头，在成桩性 水泥矿物。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土 能上有独特之处。⑤喷浆系统采用无级调速方式控制喷浆量，旋 中的水发生了水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水 扭调节表显示，方便可靠。⑥地基加固深度１８ ｍ；成桩直径为 铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。 ５００ ｍｍ，最大成桩直径６００ ｍｍ。⑦钻杆最大扭矩２４．０５ ｋＮ．ｍ。⑧ （１）硅酸三钙：在水泥中含量最高（约占５０％左右）是决定强 钻机纵向单步行程１．２ Ｉｌｌ，横向单步行程０．５ ｍ。 度的主要因素。 （２）硅酸二钙：在水泥中含量较高（占２５％左右），主要产生 ４水泥土的室内配合比试验 后期强度。 ４．１试验目的 （３）铝酸三钙：占水泥重量的１０％左右、水化速度最快、促进 确定加固使用水泥的品种、掺人量、水灰比和水泥土的强度。 早凝。 ４．２水泥土配合比 （４）铁铝酸四钙：占水泥重量的１０％左右，能促进早期强度。 按照设计要求，水泥掺人量为１５％，每米不小于５０ ｋｇ，其９０ ｄ （５）硫酸钙：在水泥中的含量占３％左右，它与铝酸三钙一起 龄期强度达到１．２ ＭＰａ。在原地表３ ｍ以下现场取土，测得含水量 与水反应，生产一种“水泥杆状”化合物，对于含水量高的软土的 为２５％，干密度为１．６ ｇ／ｃｍ’。 强度增长具有特殊意义。 水泥采用陕西省铜川声威水泥厂生产的普通硅酸盐Ｐ．０３２．５ ２＿２黏土颗粒与水泥水化物的作用 水泥。 ２．２．１团粒化作用 １ ｍ桩身的干土重：０．２５２×３．１４×１×１．６＝３１４ ｋｇ 黏土和水泥结合时表现出一种胶体特征，使较小的土颗粒形 湿土重：３１４×（１＋２５％）＝３９３ ｋｇ 成较大的土团粒，从而使土体的整体强度得到提高。水泥水化生 水泥掺人量：３９３×１５％＝５９ ｋｇ 成的凝胶粒子有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合 水灰比采用１：０．４５ 起来，形成水泥土的团粒板块结构，使水泥土的强度大大提高。 用水量：（５９÷０．４５）＋３９３—３１４＝２１０ ｋｇ ２．２．２硬凝反应 配合比：水泥：干土：水＝５９：３１４：２１０＝１：５．３２：３．５６ 随着水泥水化反应的深人，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化 根据配合比分别称量土、水泥和水，将粉状土料和水泥放在 合物，增大了水泥土的强度。 搅拌器内拌和均匀，然后将水用喷水器均匀地喷洒在水泥土上进 —．４１—． 维普资讯 http://www.cqvip.com 孙海刚：水泥搅拌桩在软土路基中的应用 行拌和，直至均匀。在试模（７０．７×７０．７×７０．７ ｍｍ）内装入一半试 料，放在振动台上振动ｌ ｍｉｎ后，装入其余的试样后再振动ｌ ｍｉｎ； 振捣成型；最后将试件表面刮平，随后把试件放入标养室。２ ｄ后拆 模进行标准养护。 ９ｏ天龄期强度分别为：３．８、３．８、３．８、３．８、３．６、４．４ ＭＰａ，平均强 度：３．９ ＭＰａ大于１．２ ＭＰａ满足设计要求，可以用于生产。 （２）钻机就位：移动钻机就位，在钻杆上做出桩顶、桩底的明 显标记。以便在钻进过程中与钻机自带的测深仪相互核对，确保 桩长满足设计要求。 （３）水泥浆制备：制备水泥浆过程中要严格控制水灰比，确 保浆液均匀不得出现离析。每根桩所用的水泥浆要按配合比计 算用量一次性制配完成，盛装水泥浆的盛浆桶内要设有每米桩 长所需浆液的标记，并带有电动浆液搅拌器，保证浆液使用的均 匀性。 ５地基承载力验算 Ｋ２０３￣２０５一Ｋ２０３＋２５３段设计为水泥搅拌桩处理，设计桩长 ｌ０ ｍ，桩径５０ ｃｍ，路基填土高度８ ｍ。 填土性质：ｒ￣＝１８．７ ｋＮ／ｍ３，ｃｌ＝３４ ｋＰａ， ＝２５。 （４）预搅下沉：在预搅下沉过程中，钻机电流控制在６ｏＡ～ ９０ Ａ，电压在３６０ Ｖ～３９０ Ｖ之间，钻机钻速８０ ｄｍｉｎ～１３５ ｄｍｉｎ 之间。下钻进尺速度在０．８ ｍ／ｍｉｎ～１．９ ｍ／ｍｉｎ。钻头钻进到接近设 地基土性质：ｒｚ＝１５．４ ｋＮ／ｍ，，土的抗剪强度指标ｃ．＝３４ ｋＰａ， ＝０。用太沙基公式验算路堤下地基承载力是否满足要求，取安 全系数为３。太沙基的极限荷载公式： Ｐ ｌ／２ｙＢＮ￣＋ｑ＾ｑ４－Ｃ＾。 式中：ⅣＴ、Ⅳ０、Ⅳｃ为承载力系数 表１太沙基公式承载力系数表 Ｏ。 ５。 １０。 ｌ５。 ２０。 ２５。 ３０。 ３５。 ４０。 ４５。 Ｎｒ Ｏ Ｏ．５ｌ Ｉ．２Ｏ Ｉ＿８Ｏ ４．Ｏ １．Ｏ ２１．８ ４５．４ １２５ ３２６ Ｎｑ Ｉ＿Ｏ １．６４ ２．６９ ４．４５ ７．４２ １２．７ ２２．５ ４Ｉ＿４ ８Ｉ．３ １７３．３ Ｎｅ ５．７ｌ ７Ｉ３２ ９．５８ １２．９ ｌ７．６ ２５．１ ３７．２ ５７．７ ９５．７ １７２．２ 用太沙基公式计算极限荷载： Ｐ １／２ＴＢＮ，＋ｑＮｑ４－ＣＮｏ ＝０。由表中可以查出承载力系数为： ＾仁０ Ⅳ０：０＾ ５．７ｌ 代入 导：Ｐｏ＝ｌ／２ｘ １５Ａｘ４０ｘＯ＋ｌ８．７×１＋２４×５．７１＝１５５．７ ｋＰａ 路基填土压力ｐ＝１８．７×８＝１４９．６ ｋＰａ 地基承载力安全系数Ｋ＝Ｐｕ／Ｐ＝Ｉ５５．７／１４９．６＝１．０４＜３，路堤下 的地基承载力不能满足要求。 ６水泥搅拌桩的施工 ６．１施工要求 （１）施工现场事先予以平整，必须清除地上和地下的障碍 物。对于池塘及洼地应抽水和清淤，回填黏性土并予以压实，不 得回填杂土或垃圾。 （２）搅拌头翼片的枚数、宽度与搅拌轴的垂直夹角、搅拌头 的回转数、提升速度应相互匹配，以确保加固深度范围内土体的 任何一点均能通过２０次以上的搅拌。 （３）停桨面高于桩顶设计标高５０ ｃｍ～８０ ｃｍ，下道工序施工 时将桩头预留部分凿除。 （４）施工中保持搅拌机底盘水平和导向架竖直，搅拌机的垂 直偏差不超过ｌ％；桩位的偏差不得大于５０ ｍｍ；成桩直径和桩 长不得小于设计值。 （５）水泥土搅拌桩施工前要进行工艺性试桩，数量不少于５ 根，不同的施工点若有土质变化时，必须打试验桩，以确定施工工 艺和相应的施工参数。 ６．２工艺特征 （１）测量工作：对各控制点的位置与高程进行放样测量，用 钢尺标出横排、纵排的每根桩的具体位置，桩位按正三角型布 置，桩中心距离为１２０ ｃｍ。在桩位处打人长度不小于５Ｏ ｃｍ的木 桩。 一４２一 计深度时，要低速慢进，钻机在原位钻动ｌ ｍｉｎ～２ ｍｉｎ，同时保证 桩尖深入到持力层深度不小于５０ ｃｍ。当电流表值发生突变，数值 是额定电流值的１２０％以上时即可以判定为达到持力层。 （５）喷浆、搅拌、提升：在预搅下沉后，继续喷浆，送浆泵出口 压力保持在４ ＭＰａ～６ ＭＰａ。压力根据桩长调整，即桩长取高值， 桩短取低值。设专业人员看管送浆泵，水泥浆喷送速度在４ｏ ｌ／ｍｉｎ－６０ ｌ／ｍｉｎ之间，送浆必须连续，并且记录送浆开始、结束时 间。 （６）复搅下沉：为了保证桩身质量，复搅的长度必须是从桩 底到桩顶全程搅拌。 （７）复搅提升：复搅提升时，边提升边喷浆搅拌，当水泥浆液 到达出浆口后，喷浆搅拌３０ ｓ，在浆液与桩端土充分搅拌后，再 开始提升搅拌头。 （８）关闭、移动钻机，重新就位进行其他桩的施工。 ７水泥搅拌桩质量检测 ７．１检测要求 （１）成桩１４ ｄ后，取施工总桩数的５％做低应变试验检测； ０．５％做桩身取芯试验，并量测成桩的直径。 （２）成桩２８ ｄ后，进行成桩复合地基承载力试验，每工点１ 处。 ７．２检测结果评定 （１）搅拌桩检验和评分，根据现场钻取的芯样判断桩体土特 征、连续性和桩长，见表２，表３。 表２桩体土芯样描述标准 搅拌均匀性 现场取芯情况 搅拌均匀 水泥土搅拌纹理清晰、无粒块状胶结水泥（土），无 片理（一层水泥一层土）状。 搅拌较均匀 水泥土搅拌纹理（较）不连续，含胶结水泥（土）粒、 （搅拌较不均匀） 块且颗粒直径小于１ Ｃ／／１，无片层状。 水泥土搅拌无纹理，夹胶结水泥（土）快或较多水 搅拌不均匀 泥富集块，且胶结水泥（土）块直径大于ｌ ｃｍ，或有 片层状结构。 表３桩体土芯样描述标准 搅拌均匀性 现场取芯情况 喷桩均匀 水泥土颜色（基本）～致，整体无大的差异。 喷桩较均匀 水泥分布均匀，局部水泥不足（较少）段长度小于 （喷桩较不均匀） １０ ｃｍ。 喷桩不均匀 水泥分布不均匀，足（较少）段长度大于局部少量间隔状分布，１０ ｃｍ。 且水泥不 维普资讯 http://www.cqvip.com 科学之友 桩体土搅拌 土体状态 及评价 搅拌及 喷浆情况 记分 状态 均匀 较均匀 ｌｏ０ 坚硬 ７５ 坚塑 可塑 Ｆｒｉｅｎｄ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａ１３３ａｔｅｕｒｓ 表４搅拌桩施工质量的检验与评判 ２００８￣－０４，ＥＪ回 表７水泥搅拌桩复合地基检测表 变形分析 标准贯人试验 无侧限抗压试验 桩号 记分 ｌｏ０ ７５ ５０ 强度 ，ＭＰａ ７ｏ０ ３ｏｏ ｌｏ０ 最大荷载 承载力特征值 胁 ，ｌ（Ｐａ ｌ８５ 总沉降 ／ｍｍ 总回弹 ／ｍｍ 弹性形变 ，％ 记分 击数 ｌｏ０ ７５ ５０ ２７ ｌ５ ７ 记分 ２３－ｌ８ ４ＯＯ ｌ５．１Ｏ ４．７６ ３１．５２ ｌｏ０ ７５ ５０ ８水泥搅拌桩处理软基的经济比较 Ｋ２０３＋２０５～Ｋ２０３＋２５３填土高度按８ｍ计算，路基底宽为４８ｍ， 按照设计要求，浅层软基处理，清除淤泥后换填石渣，铺设土工 较不均匀 ５０ 不均匀 Ｏ 软塑 Ｏ ＜７Ｏ Ｏ ＜ｌｏ０ Ｏ 及流塑 格栅和６０ ｃｍ中粗砂。土工格栅和中粗砂的宽度按路基底宽计 算。清淤换填宽度为路基设计坡脚外加２ ｍ，土工格栅和中粗砂 表５搅拌桩施工质量的检验与评判 的长度纵向外延２ ｍ，实际清淤换填宽度为５２ ｍ，长度为５２ ｍ， 桩体土搅拌 土体状态 及评价 标准贯人试验 无侧限抗压试验 土工格栅与中粗砂的宽度为４８ ｍ，长度为５６ ｍ，清淤换填深度以 搅拌及 记分 状态 记分 击数 记分 强度 记分 ３ ｍ计算，工程量计算如下： 喷浆情况 ，ＭＰａ 清淤数量：５２Ｘ ５２Ｘ ３＝８ １１２ｍ 均匀 ｌｏ０ 坚硬 ｌｏ０ ２０ ｌｏ０ ５２０ ｌｏ０ 换填石渣数量：５２ Ｘ ５２ Ｘ ３＝８ １ １２ｍ３（不考虑第一层石渣压人 软土中的数量） 较均匀 ７５ 硬塑 ７５ １４ ７５ ２４Ｏ ７５ 土工格棚数量：４８ Ｘ ５６＝２ ６８８ ｍ 较不均匀 ５０ 可塑 ５０ ７ ５０ ｌｏ０ ５０ 中粗砂数量：４８ Ｘ ５６ Ｘ ０．６＝１ ６１２．８ ｍ 从经济角度和使用效果来看，采用水泥搅拌桩比浅层软基 不均匀 Ｏ 软塑 Ｏ ＜７０ Ｏ ＜ｌｏ０ Ｏ 及流塑 处理经济。 （２）不符合桩条件。①桩身上部（５．０ ｍ）存在断桩；②实测桩 ９水泥搅拌桩的特点 长小于设计桩长；③某层的无侧限抗压强度或标准贯人击数 ９．１优点 均为见表４、表５，巾所列最小值，且该层厚度大于１．０ ｍ；④当桩 便于施工；浆液注入土中容易搅拌均匀；浆液计量容易控 身上部５．０ ｍ内任一连续３０ ｃｍ的标准贯人试验击数小于２７。 制；挤压泵通过自动调整压力，一般情况下都能在软土中注入浆 ７．３水泥搅拌桩成桩检测 液，使桩身质量基本保持一致。 （１）水泥搅拌桩钻孔取芯及低应变检测，见表６。 ９．２缺点 表６水泥搅拌桩钻孔取芯取低应检测 初期强度较低；浆液中较多的水分对地基加固不利。 搅拌桩 抽检根数 合格根数 合格率 不合格根数 不合格率 总根数 １０结束语 ２２６７ １２４ ｌ２３ ９９％ ｌ １％ 在高速公路施工尤其是南方高速公路或缺少砂、石料区域 钻孑Ｌ取芯 抽检根数 Ｉ类（优良） Ｉ／类冶格） Ⅲ类（不合格） 的施工中，软土地基施工采用水泥搅拌桩处理软基，既可以加快 施工进度，又可以减少因浅层处理弃土造成的征地费用和环境 ｌｌ ｌｌ 污染，相对浅层换填处理较为节省费用。因此，从方便施工、经 低应变 抽检根数 Ｉ类（优良） Ｉ／类（合格） Ⅲ类（不合格） 济、环保、节约能源的角度来讲采用水泥搅拌桩不失为一种处理 ｌｌ３ ｌｌ２ ｌ 软基的好方法。 （２）水泥搅拌桩复合地基检测，见表７。 单桩复合地基承载力特征值为１８５ ｋＰａ，，满足施工要求。 作者简介：孙海刚，男，１９７６年出生，助理工程师。 Ａｐｐｌｙ ａｂｏｕｔ Ｃｅｍｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｉｌｅ Ｉｎ ｔｈｅ Ｓｏｆｔ Ｓｏｉｌ Ｓｕｂｇｒａｄｅ Ｓｕｎ Ｈａｉｇａｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｉｌｅ，ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ｃｅｍｅｎｔ—ｓｏｉｌ ｍｉｘ、ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ￣ａｔｕｍｓ ａｂｏｕｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｙ ａｂｏｕｔ ｃｅｍｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｉｌｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｉｆｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ ｈａｎｄｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｉｌｅ；ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｎａｄ ｔｅｓｔｉｎｇ’９ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ 一４３—
