深层搅拌法在软弱地基处理中的应用

1、深层搅拌法在软弱地基处理中的应用王海兵【镇江市港航工程公司 镇江212003】摘 要：本文结合苏南运河丹阳市河段和江口完善段整治工程的实 践，阐述了深层搅拌法在软基处理中的应用及加固机理、施工机械、 工艺流程、质量检验与工程验收等。关键词：软基处理深层搅拌法应用基础是重力式挡土墙非常重要的部分，它关系到建筑物的稳定和 沉降量。凡是基础直接建筑在未经加固的天然土层上时，这种地基称 之为天然地基。若天然地基很软弱，不能满足强度和变形的要求，必 须经过处理后再修建基础，这种地基称之为人工地基。我国工业与民 用建筑地基基础设计规范指出：“软弱地基系指压缩层主要由淤泥、 淤泥质土、冲填土、杂填土或其它高

2、压缩性土层构成的地基”。实际 上，软弱地基还应包括可液化的饱和粉砂和粉土地基，以及湿陷性黄 土和膨胀土地基等。地基处理的日的是采取适当的措施，以改善地基 土的强度、压缩性、透水性、动力特性、湿陷性和胀缩性等。深层搅 拌法施工是地基处理中的一种化学处理方法，它具有设备简单、操作 方便、工艺合理、技术可靠、无振动、无噪音、无泥浆、无废水污染 环境、成本低、效果好等特点，是很适合我国国情的一种地基加固方 法。根据固化材料状态的不同，它又可分为粉喷（干燥状态的水泥）和浆喷(水泥浆)两种。现就这两种施工方法在加固机理、施工机械、 工艺流程、质量检验与工程验收以及在苏南运河整治工程中的实际应 用等方面作一

3、比较分析。1加固机理粉喷搅拌法是利用压缩空气通过固化材料供给机的特殊装 置，携带着粉体固化材料，经过高压软管和搅拌轴输送到搅拌叶片的 喷嘴喷出，借助搅拌叶片旋转，在叶片的背面产生空隙，安装在叶片 背面的喷嘴将压缩空气连同粉体固化材料一起喷出，喷出的混合气体 在空隙中压力急剧降低，促使固化材料就地粘附在旋转产生空隙的土 中，旋转到半周，另一搅拌叶片把土与粉体固化材料搅拌混合在一起， 与此同时，这只叶片背后的喷嘴将混合气体喷出，这样周而复始地搅 拌、喷射、提升，与固化材料分离后的空气传递到搅拌轴的周围，上 升到地面释放浆喷搅拌法是利用水泥浆作固化剂，通过特制的深层搅拌机 械，在加固深度内就地将软土

4、和水泥浆充分拌和，使软土硬结成具有 整体性、水稳定性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。水泥土 的强度机理主要有两个方面的作用，首先是水泥的骨架作用，水泥与 饱和软粘土搅拌后，首先发生水泥的水解和水化反应，生成水泥水化 物，形成凝胶体-氢氧化钙，将土颗粒或小土团凝结在一起，形成一 种稳定的结构整体。其次是离子交换作用，水泥在水化过程中，生成 的钙离子与土颗粒表面的钠离子(或钾离子)进行离子交换，生成稳定 的钙离子，从而提高土体的强度。粉体喷射搅拌地基土加固与浆体比较具有如下特点：使用的干燥状态的固化材料可以吸收软土地基中的水分，对加 固含水量高的软土、极软土以及泥炭化土地基效果更为显著。固化

5、材料全面地被喷射到靠搅拌叶片旋转过程中产生的空隙 中，同时又靠土的水分把它粘附到空隙内部，随着搅拌叶片的搅拌， 固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地 基土的加固强度。与浆喷深层搅拌或高压旋喷相比，输入地基土中的固化材料要 少得多，无浆液排出，地面无拱起现象。同时固化材料是干燥状态的0.5mm以下的粉状体，如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛， 并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，不同 的土质要求都可以找出与之相适应的固化材料，其适应的工程对象较 广。固化材料从施工现场的供给机的贮仓一直到喷入地基土中，成 为连贯的密闭系统，中途不会发生粉尘外溢、污染

6、环境的现象。2施工机械粉体喷射搅拌机械一般由搅拌主机、粉体固化材料供给机、 空气压缩机、搅拌翼和动力部分等组成，有单搅拌轴和双搅拌轴两种 形式。搅拌设备的主要技术性能项日技术性能SJB-1深层搅拌机搅拌轴数量(根)2搅拌翼外径(mm)700800搅拌轴转速(r/min)46电机功率(kW)2X30起 吊 设 备工作时最小起吊高度(m)14提升力(kN)100提升速度(m/min)0.2 1.0固 化 剂 制 备 系 统灰浆搅拌机容量(L)2X20灰浆泵输送量(ma/h)3灰浆泵工作压力(MPa)1.47集料斗容量(Ma)0.40技一次加固面积(m2)0.71 0.80术指标最大加固深度(m)1

7、0加固效率(m/台班)40 50总重量(不包括起重机)(t)约6.5我国第一台浆喷专用SJB-1型搅拌机是双搅拌头、中心管输 浆方式的中型机械，它包括电机、减速器、搅拌轴、搅拌头、中心管、 输浆管、单向球阀等部件，采用两台30kW潜水电机，经二级行星齿 轮减速驱动搅拌轴，从而使拌和叶片起转。固化剂注入被加固土中是 通过灰浆泵从中心管下端管口压开单向球阀实现的，搅拌机与吊装机 是以导向系统配合使用的，搅拌头是一个重要的部件，它直接影响水 泥浆和软土的拌和均匀程度，决定着地基的加固效果。搅拌设备的主 要技术性能见表1。3工艺流程3.1施工前的准备工作按照施工图设计的边坡，对搅拌桩施工基面以上的土方

8、组织 开挖，以减少不必要的空搅长度。平整好搅拌桩钻机的施工现场，同 时清除施工现场上有碍钻机移动和实施钻孔搅拌的一切障碍物。地表 过软时，应采取换土夯实或铺设垫板等措施，以防钻机失稳。按照施工图的设计，对各排桩的轴线和桩位进行测量放样， 现场桩位布置与施工图设计的误差不得大于5cm。同时在钻机组装就 位过程中，应注意起吊设备的平稳和导向架的垂直，以确保桩体施工 的垂直度，其垂直度偏差应控制在1.5%以内。为取得良好的地基加固效果，施工前须作好有关资料的收集、 室内配合比试验、地基加固设计计算和施工工艺性设计。在正式施喷 前，应进行若干根试喷工作，以期熟悉并掌握施工机械的各项性能， 同时了解各参

9、数与水泥及外掺剂用量之间的关系。水泥。水泥作为固化剂是提高软土强度的主要因素，一般多采 用新出厂的普通硅酸盐水泥，因其活性高，早期和后期强度均较好， 故而加固效果优于其它水泥品种。试验表明，水泥加固土的强度随水 泥掺入比a w(掺加水泥重/被加固软土重X100%)的增加而增大， 当a w=3%5%时，水泥和土的反应过弱，固化强度较低，一般取甘w=7%15%。外掺剂。在浆喷深层搅拌工艺中使用的水泥浆需要用灰浆泵输 送，所以要求流动性较大，水灰比一般为0.50.6，由于软土的含 水量高，因而对水泥加固土的强度增长很不利，为了有利于输送，选 用较为普通的木质素磺酸钙为减水剂。根据试验，当水灰比为0.

10、5时， 掺加0.2%水泥用量的木质素磺酸钙，同时掺加2%水泥用量的石膏为 宜。加固土体中含水量对强度的影响。土体中的含水量对水泥浆起 稀释作用，使加固体的强度下降。此外，土中有机质和可溶盐使土具 有过大的水容量和塑性、较大的膨胀性、低渗透性和一定的酸性，这 些都阻碍水泥水化反应的进行，并影响强度的增长。不同龄期对强度增长的影响。混凝土强度在28d龄期基本上达到峰值，以后随龄期的增长，其强度 的提高作为强度的安全储备。但水泥土的龄期超过28d后，强度却有 明显增长，根据电子显微镜观察，水泥加固土硬凝反应的充分完成， 约需100d时间，龄期超过100d后，强度继续增长，但增长速度较为 缓慢，一般以

11、90d龄期的强度作为其设计强度。3.2施工过程粉喷的施工顺序为：使搅拌钻头对准桩位后，启动粉喷搅拌 钻机，钻头边旋转边钻进，贯入时喷射压缩空气，搅拌钻进至设计标 高或层位时停止向下钻进；启动粉体发送器，使搅拌钻头一边反向旋 转，一边提升，不断喷射粉体固化材料与土体拌合均匀，将搅拌钻头 提升距地面3050cm时关闭粉体发送器，停止向地基土喷射粉体固 化材料，防止粉体流出地面；在每根桩第一遍喷粉以后，应坚特重新 将钻头钻至设计桩尖标高处，进行不喷粉的复搅，复搅的深度以及下 钻和提钻的速度应与第一次相同，以使水泥和土充分搅拌均匀，确保 桩身水泥土的均匀一致。浆喷的施工顺序为：起重机悬吊搅拌机定位下沉

12、，启动带有 搅拌头的搅拌机，沿导向架搅拌下沉；搅拌机下沉至设计深度后，提 升20cm，开启灰浆泵从搅拌机中心管下端管口压开单向球阀，将水 泥浆压入土中，边喷浆边旋转边提升；重复搅拌下沉，使软土和水泥 浆搅拌均匀；重复搅拌提升，一根柱体即告完成。3.3施工中应注意的问题3.3.1粉喷严格控制水泥质量，在粉喷前水泥必须过筛。认真控制好喷灰量和每根桩的喷灰长度。随着土层深度和土质的变化，当发现喷粉量降低时，要及时 采取复喷的措施，即第一遍喷粉以后，在进行复搅的同时，进行第二 次再喷粉。3.3.2浆喷在浆喷过程中深层搅拌机预搅下沉时，应尽量不用冲水下沉， 当遇到较硬土层下沉太慢时，才可适量冲水。制备好

13、的水泥浆不得离析，可在灰浆拌制机中不断搅拌，待 压浆前再缓慢倾入集料斗中，泵送浆液必须连续。当桩顶设计标高与现场地面标高相近时，应特别注意桩头质 量，可待深层搅拌机提出地面停机后，再利用搅拌机的自身重量对桩 顶加固土层加压，以提高桩顶的密实性。3.4对不合格桩的处理如成桩过程中发生卡管等意外事故，应在12h内采取补喷措施， 补喷重叠长度不得小于0.5m，否则应重新打桩，新桩距报废桩的距 离不得大于设计桩距的15%，如果设计要求相邻固结体搭接或施工壁 状固结时，相邻柱体的施工间隔不得超过24h，原则上每一施工区段 宜连续施工。4质量检验与工程验收4.1质量标准桩身试件强度(90d龄期)应符合设计

14、标准，其中7d和28d龄 期的试件强度应分别不低于设计强度值的40%和75%。实际喷灰量不能小于设计喷灰量，同时应保证桩身水泥土搅 拌的均匀性。桩的平面位置偏差为5cm，垂直度偏差为1.5%(桩长)，深 度偏差为10cm；成桩直径不小于设计直径2.0cm。4.2检测方法在开挖基槽和凿除桩头时，应对桩数、桩位、桩径及桩头强 度进行检查，如发现漏桩、桩位和桩径偏差过大、桩头强度偏低等质 量事故，必须采取补救措施。取样检验在成桩后7d内，在凿除桩头时，按照2%5%的频 率，分别割取6组5X5X5cm的试件进行标养，分别测定7d、28d和 90d龄期的无侧限抗压强度。桩顶强度检测，一般可用16、长2m

15、的平头钢筋，垂直放 在桩顶，如用人力能压入10cm(28d龄期)，表明桩头质量有问题，一 般可先挖除，再填入100#素混凝土或砂浆。在凿除桩头过程中，经观测如对成桩的均匀性及强度有怀疑， 应在7d内再挖深1m，使用带钻头的轻便触探器，在桩身中心钻取桩 芯水泥加固土样，观察其搅拌均匀程度(主要观察颜色是否一致，是 否存在水泥土的结核及未被搅匀的土团等)，并根据触探击数(N10) 判断桩身强度是否符合设计要求。对工程地质条件复杂的场地或重要的大、中型工程，应采取 现场静载荷试验方法进行测试，一般仅作单桩垂直载荷试验，必要时 还应作单桩或群桩的复合地基的载荷试验。对搅拌桩要求相邻搭接的围护桩和对整体

16、性要求严格的工程，应在有一定龄期后进行整体开挖，检查其外观质量，同时根据搅 拌桩不同的用途，做好建筑物的沉降或位移观测，用以评价地基加固 或支护的效果。4.3工程验收搅拌桩验收时，应提供以下资料：施工平面和桩位布置及设计图。设计水泥掺合比的土工试验结果及材料检验报告。施工原始记录和施工记录汇总表。施工质量检验报告(包含桩身尺寸、平面位置、桩顶高程、桩 身搅拌均匀性及桩身强度等)。5工程实例在苏南运河镇江段的整治工程中，首次在丹阳市河段整治工程和 江口段完善工程中运用深层搅拌桩技术进行软弱地基加固处理，较好 地提高了地基的承载能力，保证了基础的施工质量和驳岸墙身的稳 定。(1)丹阳市河段整治工程

17、起迄点为丹阳西老运河至新九曲河口东，全长3.735km。其主要不良持力层为淤泥质亚粘土夹粉砂，该层呈流塑、高压缩性状态，含水量大，平均达37.4%,基本承载力低， 仅70kPa。不仅分布较广，长达1.39km，而且埋置较深，最深达T8m, 不能作为驳岸的天然持力层，故采用水泥粉喷深层搅拌桩加固处理。 设计标准为：桩径 50cm，采用425#普通硅酸盐水泥，掺入比aw为12%和15%两种，桩身设计强度（90d龄期）为2.0MPa，桩位设 计按软弱土层埋置厚度分别按纵向0.55m至1.15m和横向0.64m至 0.96m的间距呈梅花型布设。共打设粉喷桩8655根，总桩长63860 延米，总加固土方

18、量48200m3，平均置换率m=0.26，每加固1m3软土 平均用水泥66Kg。实际桩身90d龄期平均抗压强度5.0MPa，而天然 土强度仅0.07MPa，对软弱土层起到了较好的加固作用。在丹阳化肥 厂深埋在地下总容量达2000t的5个大型地下油库段的驳岸基础施工 过程中，采用柱状粉喷桩相互搭接（重叠搭接100mm以上），形成的壁 状加固体作支护结构，在基坑开挖施工期间有效地控制了地下水的渗 流，防止基坑边坡的坍塌，确保了地下油库的安全。（2）江口段完善工程是苏南运河航道整治入江口衔接工程，其锚 泊区护岸段位于谏壁船闸上游西岸纸浆厂至古运河口，长335m。其 场地工程地质条件较复杂，现地貌主要为人工地貌，表层为开凿大运 河的堆填土，古地貌为古冲沟及其边缘，呈东西向，与古运河的走向 基本相同，沉积较厚的软弱土层，土质性质为淤泥质粉质粘土夹泥炭， 其含水量较高，承载力低，仅为60kPa，呈软-流塑状态，分布长