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水泥深层搅拌桩在海相粘土层中加固的应用及质量控制

范文

刘辉

摘要：水泥深层搅拌桩（Deep Cement Mix）作为深基坑软基加固的措施，同时作为柔性支撑体系，在基坑围护结构中，起到支撑、防渗等至关重要的作用。海相粘土（Marine Clay）作为软基的一种，具有低强度、高塑性的特点。本文以新加坡樟宜机场第三跑道项目明挖隧道工程为例，浅谈水泥深层搅拌桩在海相粘土层中的加固效果及其质量控制。

关键词：水泥深层搅拌桩;海相粘土;质量控制

Abstract： Deep Cement Mix is used as a measure to strengthen the soft foundation of deep foundation pits and at the same time as a flexible support system. As a kind of soft foundation， Marine Clay has the characteristics of low strength and high plasticity. This article takes the open-cut tunnel project of the third runway project of Singapore Changi Airport as an example to discuss the reinforcement effect and quality control of the deep cement mixing pile in the marine clay layer.

Key words： deep cement mix;marine clay;quality control

0? 引言

水泥深层搅拌桩是利用硅酸盐水泥作为土体固化剂，在设计桩身标高位置采用机械搅拌及无压喷浆，使水泥浆液与软基土充分拌和，产生一系列物理化学反应并逐步硬化，形成整体性及稳定性良好，并具备一定强度及抗渗性的支撑结构。此文章以新加坡樟宜机场第三跑道项目明挖隧道工程为例，阐述水泥深层搅拌桩在基坑施工过程中的应用。

1? 项目介绍

新加坡樟宜机场第三跑道项目位于新加坡东部，毗邻樟宜机场第二航站楼，是新加坡樟宜机场扩建项目第五航站楼的重要组成部分。此明挖隧道作为连接第五航站楼的纽带工程，围护结构体系尤为关键。

1.1 项目地质情况? 樟宜机场项目所在区域为上世纪90年代填海造陆而成，其中地质结构由上而下主要分为回填层（Fill）、加冷地层（Kallang Foundation）及原有冲积层（Old Alluvium）。其中加冷地层为新加坡特有地层分类，主要包含海相粘土层（M）、粘土层（E）、冲积粘土层（F1）及冲积沙层（F2）。

在上述地层中，海相粘土的标准贯入度（SPT）值最低，锤击次数N值约为3～5。此项目深层搅拌桩加固区域大部分位于海相粘土层。海相粘土是一种非常柔软，外观呈灰色或蓝灰色的粘土，偶尔带有散布的贝壳类碎片及细沙。并具有高含水率、高灵敏度、高压缩性、低强度和低渗透性的特点，此地层处理不当，便会引起构筑物局部下沉或隆起，错缝、错台、断裂和构筑物渗水等严重质量问题，无法保证施工及后期运营安全。

1.2 围护结构形式? 樟宜机场三跑道项目明挖隧道平均深度为10～15m，整个隧道基坑围护结构采用钢板桩工钢结合与底部满堂地基加固支撑体系。地基加固主要以水泥深层搅拌桩为主，配有高压旋喷桩填补与钢板桩之间的空隙，加固深度为3～4m。

2? 水泥深层搅拌桩施工应用

2.1 设计要求? 新加坡施工设计采用英标体系，整体设计理念以安全为主，设计参数安全系数较高。水泥搅拌桩体最小无侧限抗压强度（qu）>600kPa;最小无侧限抗剪强度（cu）>300kPa;最小弹性模量值（E）>140MPa;抗渗系数K<5.0×10-8m/s。取芯完整度（TCR）不小于85%。

2.2 施工参数? 为确保在海相粘土中的加固效果，根据设计要求及试桩结果，施工机械采用双轴水泥搅拌钻机，单桩直径1.6m，搭接区域长度0.2m。配备双90kW动力头，钻头转速20r/min，最大扭矩112kN·m。水泥浆选用42.5硅酸盐水泥，采用水泥搅拌站集中拌和的形式，水灰比为1：1，比重密度为1.51，水泥参量为200kg/m3，水泥浆段浆量为1084L/m。

在试桩过程中，曾选用水泥参量为180kg/m3的对照组进行比选试验。28天养护期过后，通过取芯试验发现，搭接部位的成桩效果较差，取芯完整度（TCR）不足70%，远远小于设计要求85%。经多次试验分析，初步断定为水泥参量较低所致。水泥参量较低，所用水泥浆含量较少，在喷浆搅拌過程中，无法充分覆盖整个圆柱体，导致局部土体区域无水泥浆液混合，因此达不到取芯强度及要求。最终通过二次试桩验证，200kg/m3的水泥参量符合施工设计质量要求，同时遵循施工经济化的原则，节约成本，优化配比，达到最佳效果。

2.3 施工工艺? 水泥深层搅拌桩施工工艺一般分为“两搅一喷”、“两搅两喷”、“四搅一喷” “四搅两喷”等，为保证施工质量，国内最为常见的施工工艺为“四搅两喷”。新加坡樟宜机场项目根据试桩结果及现场地质条件的分析，施工过程中采用改良版“四搅一喷”施工工艺，在传统“四搅一喷”工艺的基础上对加固区最后1m的位置增加额外两次搅拌流程，使得底部得以充分搅拌，确保底部施工质量。施工流程如图1所示：施工准备及放样→钻进下沉至底部标高→空搅提升至设计顶标高→注浆下钻至底标高→空搅提升1m→空搅下钻1m→空搅提升至地面标高。此施工工艺在保证施工质量的同时，节约了时间、燃料、机械等一系列成本，符合项目管控要求。

3? 施工质量控制

3.1 原材料检测? 水泥原材料由专业供应商提供，施工前由具备检测资质的第三方试验室出具检测合格报告，并在施工过程中分批次抽检。原材料是施工质量控制的前提，只有把好水泥质量关，才能确保接下来的一系列质量把控措施行之有效。

3.2 水泥浆质量控制? 新加坡樟宜机场项目采用最新型的智能搅拌系统，通过数字化管理，电子操控每盘原材料搅拌含量，使得水泥与水每盘搅拌量都控制在500kg左右，误差不大于2%。每盘搅拌完成后，通过比重计校验水泥浆比重，比重误差维持在±0.02之内，浮动区间为1.49～1.53，二次确保水泥浆施工质量。

3.3 施工过程質量监控? 施工前首先进行施工放样，确保每个点的位置坐标准确。钻机定位后，进行钻杆垂直度检测，并进行预钻。施工过程中，每台钻机配备施工参数实时监控系统，能实时显示钻进时间、钻进速度、钻进深度、钻杆转动速率、扭矩、垂直度、注浆流量和注浆量等主要参数，并将搅拌及注浆范围图像化，通过图形很直观的展现成桩效果，使钻机操作手及时发现在海相粘土层施工过程中产生的问题，根据地质情况调整施工参数，保障施工质量。如图2。

3.4 现场试验质量控制? 根据规范要求：“水泥搅拌桩安装完成28天后，①现场每加固1000m3土体，取4个点检测标准贯入度SPT值，N值不小于20;②现场进行抗渗试验检测，抗渗系数小于5.0×10-8m/s，单项目不少于3个点”。

根据施工总方量，现场由监理工程师随机抽取190个点进行标准贯入度试验，试验结果N值均在25以上。

现场抗渗试验采用上升水头的试验方法。试验流程为：地质钻机钻进至加固区试验深度，取出芯样后，静置24小时达到自然水位，清空试验段积水，在两个小时内频繁记录水位高度，并至水位不再上升为止，计算如下：

L-试验段长度（m）;D-试验孔的直径（m）;T-水位上升至静止所需总时间（s）;A-试验孔截面面积（m2）;F-透水系数（m）;k-渗透系数（m/s）。

现场三组试验结果表明，渗透系数均在5×10-9m/s左右，小于设计值5×10-8m/s，继承了海相粘土低渗透性的特点，提高了基坑防水效果，确保基坑开挖过程中，不会出现渗水、涌水等现象。

3.5 试验室试验质量控制? 根据规范要求：“水泥搅拌桩安装完成28天后，现场每加固1000m3土体，取4个点进行取芯试验，每个取芯孔选取上、中、下三块为一组样本送至试验室完成抗压试验”。

根据现场施工总加固土体方量，由监理工程师随机抽取190个点进行钻孔取芯。根据现场取芯结果，芯体呈灰黑色，触感较为坚硬，完整性良好，无泥沙夹层，且取芯完整度（TCR）均在90%以上。（如图3）

将190组试块送至具有专业资质的第三方试验室进行无侧限抗压强度试验，实验结果显示，平均抗压强度值（qu）在1000kPa左右，远远大于设计值600kPa，最小一组抗压强度值为640kPa，仍满足设计要求。因此，通过取芯试验能很好地验证水泥深层搅拌桩在海相粘土层具有良好的加固效果。

4? 结论

结合项目实际应用效果来看，水泥深层搅拌桩作为传统的地基加固施工工艺之一，具有施工方便、加固范围广、加固强度高、渗水性低等优点，且在如海相粘土此类软基中加固效果更佳，能很好地改善地基承载力及稳定性，为基坑工程或隧道工程奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]李翔军.水泥搅拌桩复合地基技术研究与工程实践[D].天津大学，2013.

[2]张利先.水泥深层搅拌桩的施工工艺及其施工控制[J].黑龙江科技信息，2013.

[3]李纲军.水泥深层搅拌桩处理软基的质量控制措施[J].山西建筑，2009，17：199-200.

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