浅谈软基水泥搅拌桩的施工质量控制和检测方法的应用

2022-09-22

水泥搅拌桩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, 使软土硬结而提高地基强度。这种方法适用于处理软土, 处理效果显著, 处理后很快可以投入使用。如何有效地控制水泥搅拌桩的成桩质量, 确保软基处理的效果是我们一直在工程时间中探索的一个课题。

1 水泥搅拌桩加固原理

水泥搅拌桩施工是首先将水泥拌和成水泥浆, 水泥中各种钙质矿物和水完成部分水解和水化反应后, 再和软土中的水继续进行水解和水化反应, 生成钙质化合物, 这是形成复合地基强度的主导因素。

黏土中的化合物表面带有各种离子, 它们和水泥水化生成的钙离子进行当量吸附交换, 从而提高土体强度;又由于软土本身具有胶凝性, 再和水泥水化作用形成的凝胶粒子结合起来, 形成水泥土坚固连接的团粒结构, 使水泥土的强度大大提高。

随水泥水化作用生成的钙离子超出交换作用的数量时, 这部分钙离子就与组成黏土的化合物反应, 生成许多不溶于水的结晶化合物并逐渐硬化, 同样大大的增强了水泥土的强度和水稳性。

2 现场工艺性试桩

(1) 水泥搅拌桩使用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等基地。当用于处理泥炭土、有机质土、塑性指数IP大于25的粘土或地下水具有侵蚀性时, 应通过试验确定其适用性。冬季施工时应注意低温对处理效果的影响。

(2) 水泥搅拌桩施工是籍搅拌头将水泥浆和软土强制拌和, 搅拌次数越多, 拌和越均匀, 水泥土的强度也越高。但是搅拌次数越多, 施工时间也越长, 工效也越低。试桩的目的是为了寻求最佳的搅拌次数、确定水泥浆的水灰比、泵送时间、泵送压力、搅拌机提升速度、下钻速度以及复搅深度等参数, 以指导下一步水泥搅拌桩的大规模施工。

(3) 现场工艺性试桩一般应在10根左右, 在条件受限时, 每种配合比不得少于2根;试桩施工段落最好选择在地质最差段落, 以利于更好的控制后续施工。试桩检验可采取7天后直接开挖取出, 或至少14天后取芯, 通过试块的无侧限抗压强度, 以及现场的轻型动力触探试验来去定搅拌桩及桩间土的承载力, 以检验水泥搅拌桩是否能够达到设计要求。

3 施工准备

(1) 水泥土搅拌桩施工现场事先应予以平整, 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) 。遇有明浜、池塘及洼地时应抽水和清淤, 回填粘性土料并予以压实, 不得回填杂土或生活垃圾。

(2) 水泥搅拌桩宜采用强度等级为32.5R以上的普通硅酸盐袋装水泥以便于计量。使用前, 应将水泥的样品送中心试验室或监理工程师制定的试验室检验。

(3) 水泥搅拌桩施工机械应配备电脑记录仪及打印设备, 以便了解和控制水泥浆用量及喷浆均匀程度。监理工程师每天收集电脑记录一次。

(4) 水泥搅拌桩施工机械必须具备良好及稳定的性能, 所有钻机开钻之前应由监理工程师和项目经理部组织检查, 验收合格后方可开钻。

(5) 水泥搅拌桩施工机械设备性能, 应满足本工程土层的物理力学性质、有机质含量、含水量等特点和设计技术要求。

(6) 水泥搅拌桩施工机械按设计要求的桩长配备好搅拌杆、搅拌叶片的直径 (桩径偏差不得大于4%) 。

(7) 水泥搅拌桩施工机械灰浆泵要有压力计、流量计, 灰浆搅拌机制浆的能力要满足桩基施工的要求。

(8) 确认测量基准线, 复核施工测量放样, 复查轴线、桩位与桩数 (桩位布置与设计图误差不得大于5cm) 。

4 施工控制

(1) 项目经理部指派专人负责水泥搅拌桩的施工, 全过程旁站水泥搅拌桩的施工过程。所有施工机械均应编号, 应将现场技术员、钻机长、现场负责人、水泥搅拌桩桩长、桩距等制成标牌悬挂于钻机明显处, 确保人员到位, 责任到人。

(2) 水泥搅拌桩开钻之前, 应用水清洗整个管道并检查管道中有无堵塞现象, 待水排尽后方可下钻。

(3) 为保证桩体搅拌均匀, 桩机钻头应焊接至少6个横向搅拌刀片, 且在每个横向刀片上焊接1个~2个竖向搅拌刀片, 同时保证桩体的竖向搅拌效果, 竖向搅拌刀片长度大于5cm, 宽度不小于2cm。

(4) 为保证水泥搅拌桩桩体垂直度满足规范要求, 再主机上悬挂一吊锤, 通过控制吊锤与钻杆上、下、左、右距离相等来进行控制。防止施工时装机倾斜, 最终导致检测时桩体无法检测到底, 到时候桩体质量固然再好也是枉然。

(5) 对每根成型的搅拌桩质量检查重点是水泥用量。水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。

(6) 为了确保桩体每米掺合量以及水泥浆用量达到设计要求, 每台机械均应配备电脑记录仪。同时现场应配备水泥浆比重测定仪, 以备监理工程师和项目经理部质检人员随时抽查检验水泥浆水灰比是否满足设计要求。

(7) 水泥搅拌配合比:水灰比0.45~0.55, 水泥掺量不小于设计值。

(8) 水泥搅拌桩施工采用二喷四搅工艺。第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻, 喷浆量应小于总量的1/2, 严禁带水下钻。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。每根桩的正常成桩时间应不少于40分钟, 喷浆压力不小于0.4MPa。

(9) 为保证水泥搅拌桩桩端、桩顶及桩身的质量, 第一次提钻喷浆时应在桩底部停留30s, 进行磨桩端, 余浆上提过程中全部喷入桩体, 且在桩顶部位进行磨桩头, 停留时间为30s。

(10) 施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。每根桩开钻后应连续作业, 不得中断喷浆。严禁在尚未喷浆的情况下进行钻杆提升作业。储浆罐内的储浆应不小于一根桩的用量加50kg。若储浆量小于上述重量时, 不得进行下一根桩的施工。

(11) 施工中发现喷浆量不足, 应按监理工程师要求整桩复搅, 复喷得喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因, 喷浆中断时应几时记录中断深度。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。补喷重叠段应不大于100cm, 超过12小时应采取补桩措施。

(12) 现场施工人员认真填写施工原始记录, 记录内容应包括: (1) 施工桩号、施工日期、天气情况; (2) 喷浆深度、停浆标高; (3) 灰浆泵压力、管道压力; (4) 钻进速度、提升速度; (5) 浆液流量; (6) 每米喷浆量和外掺剂用量; (7) 复搅深度。

5 质量检测

搅拌桩质量检测方法有很多种, 但目前仍没有一种方法被大家所公认是合理、方便、经济有效的检测方法, 由于质量不易控制, 加上设计理论的不完善, 影响了搅拌桩处理软基的效果, 也给这种软基处理方式的应用前景带来了不利影响。然而搅拌桩作为一种快速、有效、经济的软基处理方法至今还没有一种更好的方法所能替代。为此, 为保证搅拌桩的施工质量, 保证软基处理的效果, 一方面迫切需要对施工机具进行改造并进一步完善施工工艺, 另一方面迫切需要搅拌桩质量检测方法作进一步的研究。搅拌桩质量检验方法主要有:静载荷试验、轻便触探仪触探法、静力触探法、标准贯入试验法、钻孔取芯法等。

5.1 静载荷试验

静载荷试验能够较好地模拟桩身实际受荷条件, 得到桩的实际承载能力。因此, 它是检测搅拌桩是否能满足设计承载力要求的最可靠的方法, 静载荷试验一般在28d龄期后进行, 通过P-S曲线确定桩的极限或容许承载能力。

静载荷试验虽然能从承载力上反映桩身的质量, 但静载试验法得到的是维持荷载作用下, 最薄弱破坏模式相应的桩土体系丧失承载刚度的外荷, 尽管它能全面获得承载刚度的变化情况, 描述最弱的破坏荷载模式, 并得到与之相应的承载力, 但它不能提供桩身质量的完整性、均匀性、连续性的完整信息, 也就不能对搅拌桩的施工质量作出全面的评价。仅对承载力有怀疑的单桩或复合地基而言, 目前静载试验法是最权威的检测方法, 但要对搅拌桩的施工质量作出全面评价, 还须用其它的检测方法与之配合和补充。另外, 由于静载试验费用高、速度慢、试验工作量大, 故难以大量采用, 只能针对某个具体工程选择几根至几十根桩进行试验, 由于抽样频率很低, 试验结果的代表性值得商榷。

5.2 轻便触探仪触探法

成桩后3d内, 可用轻型动力触探 (N10) 检查每米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1%, 且不少于3跟。由于每次落锤能量较小, 轻便触探探测深度一般不超过4m, 但是如果采用从桩顶开始至桩底, 每米桩身先钻孔700mm深度, 然后触探300mm, 并记录锤击数的操作方法则触探深度可加大, 触探杆宜用铝合金制造, 可不考虑杆长的修正。

5.3 静力触探法

静力触探发 (简称CPT法) 仲的探头与土的相互作用, 相似于桩与土的相互作用, 因此可以用静力触探试验测得的比贯入阻力 (单桥) 或双桥探头中的锥尖阻力与侧壁摩阻力估算单桩承载力。但不能之际以静力触探中端阻力与摩阻作为实际单桩的端阻力和摩阻力, 而必须经过修正, 这是因为静力触探的工作性能与实际单桩的工作性能有所不同。采用静力触探法能够快速、经济、有效地对搅拌桩前期强度或施工时实时质量进行检测, 便于搅拌桩质量的事先控制。当龄期超过7d时, 由于强度增长, 采用CPT法已难以试验, 故CPT法只适合于7d龄期以内的质量检测。

5.4 标准贯入试验法

对于龄期超过7d的搅拌桩, 也可以采用标准贯入试验法 (简称SPT法) , 该法能较好地评价桩身质量。首先, 对桩身水泥土强度, 可以通过标准贯入击数N63.5来评定, N63.5与无侧限抗压强度之间的关系已有较为成熟的经验公式, 实践表明, 该公式能比较客观地反映桩身水泥土强度;其次, 在标准贯入试验的同时, 进行取芯, 通过芯样观察、描述, 可以了解搅拌桩的均匀性, 同事必要时芯样可送回试验室, 进行抗压试验, 确定其强度。第三, 桩长是决定搅拌桩复合地基加固效果的主要因素之一, 通过钻孔贯入过程, 贯穿桩底, 可以准确地确定出桩长。

5.5 钻孔取芯法

钻孔取芯法是检测搅拌桩直观、可靠、有效的方法, 测定结果能较好地反映搅拌桩的整体质量。但由于搅拌桩横断面方向有搅拌轴部位的喷浆盲区、水泥土强度不是很高且桩体千层饼状特点, 因此在采用钻孔取芯法做单桩试验时应特别注意。同时该方法也存在检测时间长、钻孔费用高, 钻孔取芯时间一般需在28d以后, 难以对搅拌桩质量实施动态控制等问题。