1、1喷浆水泥搅拌桩在高速公路施工中的应用内容提要 介绍喷浆水泥搅拌桩施工工艺,及其在公路施工中特殊路基处理中的应用和质量控制措施。关键词水泥搅拌桩 高速公路 施工 应用一、绪论在地质不良地段,诸如:软弱土和砂土液化地基、淤泥或淤泥质土、泥炭土和粉土土等地段,这类地质地基的特点是:面积较大,地层较深,地基强度差。这类地段、特别是在小桥涵地基及桥头段路基,需要进行特殊路基处理。特殊路基处理方法有多种,诸如:在沉降量不大的较高填方路段,用加强型双向塑钢土工格栅进行处理;在小桥涵地基及桥头段的不良地质段,需要进行特殊处理。可以选择强夯等办法。水泥搅拌桩多用于软土层的地基加固处理,其特点是:处理时间短,受
2、外界环境影响小,处理效果显著。因此,水泥搅拌桩法处理特殊地基方法,近些年在诸多高速公路建设项目中得到快速的推广,施工工艺得到了进一步的完善。二、基本原理水泥搅拌桩施工工艺主要有两种:一种是先在地面把水泥制成水泥浆,然后送至地下与地基土搅和,待其固化后,使地基土的物理力学性能得到加强;另一种是,采用压缩空气把干燥,松散状态的水泥粉直接送入地下与地基土拌和,利用地基土中的孔隙水进行水化反应后,再行固结,达到改良地基的目的。目前我国水泥搅拌桩施工较多采用的是“喷浆”工艺。水泥搅拌桩的基本原理是:利用水泥作为固化剂的主剂,通过特制的深层搅拌机械在地基深部就地将软土和固化剂强制拌和,并在喷注过程中上下搅
3、拌均匀,使水泥与土发生水解和水化反应,生2成水泥水化物并形成凝胶体,将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的水泥骨架结构整体。用水泥作为固化剂加固软土时,由于水化和水解反应,生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁铝酸钙等化合物,在水中和空气中逐渐硬化,钙离子和土中交换性钠离子发生交换作用,使粘土颗粒集合成较大团粒;水泥水化物中的游离氢氧化钙吸收水和空气中的二氧化碳,生成不溶于水的碳酸钙等项效应,形成具有一定迁强度和稳定性水泥加固土,从而达到提高地基强度、提高地基承载力的目的。水泥和土间搅拌越充分,混合越均匀,则水泥土结构强度的离散性越小,宏观的总体强度也越高。水泥土的容重与软土接近,而比
4、重稍大,无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增加。三、工艺流程1、施工前的准备工作(1) 、材料要求水泥采用不低于 32.5 级矿渣水泥或硅酸盐水泥。对进场的同厂家、同品质、同编号、同生产日期的水泥以 200t 为一检验批次,做胶砂强度、安定性、细度、凝结时间等项目试验检测,符合规范标准要求时方可使用,受潮结块的水泥不允许使用。要求对水泥进行支垫整齐堆放,10 袋水泥为一堆,并在进行标牌标示,以便进行水泥数量清点管理。对于高效减水剂等外掺剂也要按相关规范要求进行试验检测和存放。(2) 、配合比试验水泥掺入量为大于加固土体(原状土体)质量的 1215%,水灰比控制在 0.40.6 之间;在掺入一
5、定量的高效减水剂时,水灰比可以控制在 0.50.7 之间,以保证喷浆稠度和流动性;在加固土体含水量较高的情况下,宜掺入高效减水剂,并将水灰比控制3在 0.40.5 之间。要采用至少三个不同的配合比,在基准配合比的下,另外两个配合比的水灰比,宜较基准配合比分别增加和减少0.05。用天然含水量时的加固土体制备 7.077.077.07cm3立方体标准试件,在标准养生条件下养护,以试验检测配合比试件的7d、14d、28d 及 90d 的无侧限抗压强度。每个配合比至少要制备4 组(6 块组)以上试件在制取标准试件时,要检测记录制作标准试件用的水泥浆稠度和比重。必要时,要对加固软土层含水量及有机质含量进
6、行检测。通过试验确定每延米水泥用量,一般控制在 3060kgm,可以根据不同的土质和处理要求确定水泥用量。(3) 、调查、了解各施工段落范围内的地上、地下的各管线及其它设施并绘于平面布置图上,及早办理拆迁,以免因施工造成严重后果。搅拌桩施工场地应事先平整,清除桩位处地上、地下一切障碍( 包括大块石、树根和生活垃圾等 )。场地低洼时应回填粘土,不得回填杂土。路基压实应达到要求的压实度。(4) 、各施工段的桩位平面布置图应编号,注明该段落加固深度,上报审批。在现场进行放样定位,并对行、排位置线在施工范围外设固定桩。一般设计采用了桩径 50cm 的,桩间距为:11m、1.11.1m、1.21.2m、
7、1.41.4m 等等间距三角布置。同时在设计中,对加固后的桩体 28d 无侧限抗压强度、单位复合地基承载力等做了明确的规定。(5) 、设备可选用 ST1 型、PS5 型等 “叶缘喷浆”深层水泥搅拌桩机,每台搅拌桩机必须配备钻孔、注浆自动记录设备及打印设备,保证自动打印相关数据,以便了解和控制水泥浆用量及喷浆均匀程度,减少人为因素影响。灰浆制备必须采用灰浆拌和机拌和。灰浆斗上要配置过滤筛。灰浆拌和斗的容量根据试验确定,保证一定的水泥浆余量,不会因浆液供应不足而断桩,也不会因浆4液过多产生沉淀而引起浆液浓度不足。检查设备机具的机械性能,确保运转良好。同时要确定输浆泵输浆量和灰浆经输浆管到达搅拌机喷
8、浆口的时间。2、试桩试桩目的是确定工艺的各项技术参数,诸如:钻进速度、喷浆速度、输浆泵输浆量、灰浆经输浆管到达搅拌机喷浆口的时间、喷浆压力、拌和斗容量,每米水泥浆用量、完成一根桩的时间等。在搅拌桩正式开工前,应根据地质情况选取具有代表性施工地段,做工艺性试桩且不少于五根,以便取得可靠的、符合设计要求的工艺控制数据,其中包括制浆工艺、水灰比、注浆压力、钻具钻进速度、提升速度、提升时钻头反转速度、搅拌遍数、复拌深度、单位时间注浆量、每延米注浆量等数据,并经质量检验合格后,写出试桩总结报告,经相关部门审批后,方能正式开工。所取得的各项数据参数,应作为现场施工的控制依据,作为操作规程,严格控制、认真执
9、行。在工艺性试桩开工前至少 7 天,施工单位应编制施工方案,上报审批。3、水泥搅拌桩施工工艺流程根据搅拌次数和喷浆次数,可以将喷浆水泥搅拌桩施工分为:二搅二喷、二搅四喷等方法,以上两类是较常用的两种方法。以下分别说明其工艺流程。(1) 、四搅二喷(复拌复喷)施工流程地上(下)清障、地面整平、路基压实测定桩位钻机就位、检验、调整钻机正循环钻进至设计深度打开高压注浆泵(喷浆持搅 2030s 磨桩端)反循环提钻并喷水泥浆(提升速度一般控制在 0.50.8m/min 左右)上升至地面以下 3050cm(持搅2030s 磨桩头 ) 搅拌喷浆至地面以上 50cm 基准面停止重复正5循环复搅下沉到底部、打开
10、高压注浆泵(喷浆持搅 2030s 磨桩端)反循环提钻并喷水泥浆(提升速度一般控制在 0.71.0m/min 左右)上升至地面以下 3050cm( 持搅 2030s 磨桩头) 搅拌喷浆至地面以上 50cm 基准面停止成桩结束施工下一颗桩清桩头验桩。在四搅二喷时,要求在第一次搅拌前,要求叶片带浆下沉搅拌。严禁带水下钻。(2) 、四搅四喷施工流程地上(下)清障、地面整平、路基压实测定桩位钻机就位、检验、调整钻机打开高压注浆泵、正循环钻进并喷浆至设计深度(搅拌、喷浆持续 1020s 磨桩端)反循环提钻并喷水泥浆(提升速度一般控制在 0.70.9m/min 左右) 上升至地面以下3050cm(持搅 10
11、20s 磨桩头)搅拌喷浆至地面以上 50cm 基准面停止重复正循环复搅喷浆下沉到底部(喷浆持搅 1020s 磨桩端)反循环提钻并喷水泥浆(提升速度一般控制在 0.81.0m/min 左右) 搅拌喷浆至地面以上 50cm 基准面停止成桩结束 施工下一颗桩清桩头验桩。四搅二喷和四搅四喷基本在成桩质量上没有多大差别,只是四搅四喷在全过程进行喷浆,在钻进和提升速度上较快,可以全过程保证喷浆的连续性和均匀性。一般情况下四搅二喷,也基本可以保证喷浆的均匀性,所以大多采用的是四搅二喷施工工艺。在四搅二喷施工难以保证喷浆搅拌的均匀性时,采用四搅四喷施工工艺。4、施工过程控制(1) 、在开钻前严格检查钻机、灰浆
12、搅拌机和输送泵等设备的机械性能,确保运转良好的情况下开始施工。(2) 、水泥搅拌桩开钻之前,应用水清洗整个输送管道并检验管道中有无堵塞现象,待水排尽后方可下钻。(3) 、为保证水泥搅拌桩桩体垂直度满足规范要求,在开机前6必须进行钻机的垂直度检查,符合要求后开始。并在施工过程中,要不定时进行垂直度检查校正。(4) 、影响成型水泥搅拌桩质量的重要因素是水泥用量、水泥浆拌制的均匀性、压浆过程中的连续性、喷浆搅拌提升速度以及复搅复喷次数。因此要施工过程中的数据控制,确保施工过程中的数据符合试桩报告所确定的数据。、在完成一根水泥桩后,首先进行水泥用量的清点和计算,以保证单桩的水泥用量。、严格按照批复的配
13、合比进行水泥浆拌制,控制好水灰比及外掺剂用量。水泥浆必须使用机械拌制,拌和时间不少于 3min。在拌和水泥浆时,首先要过筛,受潮结块的水泥不允许使用。一次拌和的水泥浆储量要保证不少于一根水泥桩灌注量50kg。在喷浆过程中要不断搅拌水泥浆,防止沉淀,不得产生离析 。在喷浆过程中,要不断检测水泥浆的比重和稠度,必须保证其与配合比中所确定的数据一致。严格控制水泥浆储量,储量不足时不得进行下一根桩施工,以保证开钻后水泥桩施工连续作业。、严密监控水泥搅拌桩机的操作系统,控制好搅拌提升速度。控制好灰浆喷浆压力和速度。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(16m 左右)的正常成桩
14、时间应不少于 40 分钟,喷浆压力应不小于 0.4MPa。(5) 、为保证桩端、桩身和桩头的质量,必须在桩端和桩头做停留搅拌和喷浆。(6) 、施工中发现喷浆量不足,应按要求整桩复搅,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。要求在 12 小时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 12 小时应7采取补桩措施。(7) 、搅拌机预搅下沉时不宜冲水,当遇到硬土层搅拌下沉太慢时,经相关技术个监督人员认可后,方可适量加水,但冲水对桩身强度有较大影响,应加大喷浆量,增加复搅遍数。(8) 、水泥搅拌现场施工人员要认真填写
15、施工原始记录,记录内容应包括:、施工桩号、施工日期、天气情况;、喷浆深度、停浆标高;、灰浆泵压力、管道压力;、钻机转速、钻进速度、提升速度;、浆液流量、每米喷浆量和外掺剂用量;、复搅深度等。(9) 、水泥搅拌桩施工区域周边要开挖排水沟,便于排放废弃水泥浆。并在每根桩施工完毕后,及时清理桩头多余水泥桩,进行验桩和标记。(10) 、在成桩后 7d 内,不得随意在成桩区域堆放大荷载物品,防止损伤新完成的水泥桩桩体。5、质量标准及要求(1) 、成品质量检查标准检查项目 规定值或允许偏差 检查方法和频率桩体强度(Mpa ) 在合格标准内 钻芯取样法: 每施工点桩总量的 0.5桩位偏差(mm) 不得大于
16、50mm 全站仪或经纬仪:每施工点桩总量的 2桩距偏差(mm) 50 尺量:每施工点桩总量的 2垂直度() 1.5 的桩长 侧壁(斜)仪或钻杆垂线法:每桩检查桩径(mm ) 不小于设计 尺量钻头法:每桩检查桩长(mm ) 不小于设计长度100 尺量钻杆法:每桩检查单桩承载力(KN) 不小于设计 荷载试验:每施工点不少于 3且不少于 3 根复合地基承载力(Kpa) 不小于设计 荷载试验:每施工点不少于 1 处8(2) 、轻便动力触探检测方法检测、在成桩 3d(或 7d)内,用轻便动力触探(N10)检查每米桩身的均匀性,检查频率为每施工点总桩数 1%且不少于 3 根。、成桩 7d 后,采用浅层开挖
17、桩头目测检查搅拌均匀性、整体性及外观质量,并测量成桩直径。开挖深度为停浆面以下 1.5m 处。检查频率为每施工点总桩数的 5%。、在成桩 28d 后,钻芯取样(用双管单动取样器钻芯取样)做无侧限抗压强度试验,每根桩取 3 处,即距桩顶及桩底 1.0M,桩中间,每处取 3 个试件。检验频率为每工点总桩数 0.5%,且不少于1 根桩。同时从钻取的芯样中检查搅拌均匀性、桩长及桩底是否穿过软土层。在条件允许或必要时,留一组试件做三个月龄期的无侧限抗压试验,以测定桩身强度。经试验证明:水泥搅拌桩三个月后的无侧限抗压强度增长速度缓慢,基本趋于稳定。取出桩芯后,观察其颜色是否一致,是否存在水泥浆富集的“结核
18、” 或未被搅匀的土团,以检查检验搅拌是否均匀。、在成桩 28 天后,对单桩承载力及复合地基承载力进行检测。检测频率为每施工段桩总数的 0.3%,且不少于 3(根) 。(3) 、外观鉴定、桩体是否圆匀,有无无缩颈和回陷现象。、搅拌是否均匀,凝体是否松散。、群桩桩顶是否平齐,间距是否均匀。(4) 、质量评定水泥搅拌桩强度质量评定,可以参照水泥混凝土抗压强度评定办法进行评定。若某一施工段水泥搅拌桩强度质量评定结果不合格率小于 10,则可认为该段水泥搅拌桩整体满足要求;如果不合格率大于 10小于 20时,则应在该段同等补桩;如果不合格率大于30,则该段水泥搅拌桩为不合格。9四、数据整理分析下面就某高速
19、公路施工原始资料进行整理分析1、原始记录数据分析设计桩长 16m,桩径 50cm,使用了 PS32.5 水泥。以下数据为一搅拌桩机在一工作时段自动记录数据。开始时间 结束时间 计时(min)水泥浆比重(g/cm 3) 单桩喷浆量(L )4:15 4:58 43 1.60 8564:59 5:43 44 1.63 8555:44 6:30 46 1.62 8546:31 7:15 44 1.64 8537:16 8:00 44 1.61 8528:01 8:46 45 1.63 8518:47 9:30 43 1.64 8529:31 10:17 46 1.61 85310:18 11:00 4
20、2 1.63 85411:01 11:47 46 1.62 85511:48 12:33 45 1.61 85612:34 13:20 46 1.62 85713:21 14:06 45 1.60 85814:07 14:53 46 1.60 85914:54 15:40 46 1.62 85815:41 16:27 46 1.64 85716:28 17:12 44 1.61 85617:13 18:00 47 1.62 85518:01 18:46 45 1.61 85418:47 19:30 43 1.63 85310水 泥 搅 拌 桩 施 工 时 间 散 布 图414243444546
21、474849500 10 20 30点 数时 间 (min)单 桩 水 泥 浆 使 用 量 散 布 图8468488508528548568588601 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324水 泥 桩 号 ( 根 )单 桩 水 泥 浆 使 用 量( L)19:31 20:20 49 1.62 85120:21 21:07 46 1.62 85121:08 21:55 47 1.62 85221:57 22:43 46 1.62 853整理数据分析如下:由水泥搅拌桩用时散布图可以看到,完成一根桩所用时间基本在 4247min 之间,可以满足不少于 40min 的时间要求。在时间控制上,是稳定的。由单桩水泥浆使用量散布图可以清晰得知:单桩水泥浆用量在850860L 之间波动。由以上数据可以看到水泥搅拌桩的施工过程控制是稳定的。