水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方法

水泥土搅拌桩的施工质量问题和解决方法1.搅拌桩在我国的应用情况和可行性１．１搅拌桩工法的可行性国外海上自动化程度很高的搅拌船最大施工深度已达海平面下70m，陆上加固深度也达40m。在地基的5种主要加固方法(置换法、降水法、致密法、固化法和加筋法)中，灌浆法和搅拌桩法是固化法的代表，经常被使用，且认为是以上加固技术中最有效的技术。国内搅拌桩加固深度一般在15m左右，并曾有“深层搅拌桩属于柔性桩，其有效作用桩长只能达到15m”的观点，原因是搅拌桩施工质量不佳引起荷载难以向下传递。近几年，笔者接触了较多的搅拌桩工程，成功研制和应用了长达27m的超长搅拌桩，取得一些经验和认识。实践证明，只要施工设备和施工工艺适当，管理措施得力，现有设备完全可以在软土中将搅拌桩做到长达27m，复合地基承载力达240kPa以上。１．２搅拌桩在我国的生存危机自1984年在我国投入批量生产后，水泥土搅拌桩以其低廉的价格、较快的施工速度、灵活的布桩形式和水泥掺入量，在土木建筑的软土地基处理中得到了广泛应用，节省了巨额的投资。但是，随着搅拌桩施工队伍的迅速发展，素质参差不齐，而搅拌桩工法的成败关键是水泥和土搅拌的均匀程度，施工中稍有不慎，就会出现水泥富集块或桩身不连续的质量问题，而导致工程事故。随着国内许多豆腐渣工程的暴露及其造成的严重后果，这几年时而发生的搅拌桩工程事故已严重影响了其生存空间，使其不断受到设计、业主和建设主管部门的质疑甚至禁止，大有“搅拌桩恐惧症”之倾向。１．３关于湿喷和干喷深层搅拌时的喷浆方式有干喷和湿喷二种，前者又称粉喷桩。从地基含水率的角度出发，干喷显然要好于湿喷。但是，干喷时出灰孔容易堵塞，其水泥土均匀性往往比湿喷差。因此，国外海上的搅拌桩都只使用湿喷，在陆地上则二者均有。国内这个问题比较突出，由此造成干喷桩的质量问题比湿喷桩更多、更严重。本文内容主要针对湿喷方法。２搅拌桩施工质量问题和产生原因２．１当前搅拌桩成桩质量问题一般认为，含水率高的软土中水泥土桩体的强度较低；有机质含量高或呈酸性的土层中桩体强度也很低，因其阻碍水泥的水化反应，影响水泥土强度增长。依据搅拌桩规范，当决定用搅拌桩处理地基时，先要在室内标准条件下制备不同配比的水泥土试件，进行不同龄期强度试验，确定合适的水泥掺量和外加剂，再依据90d龄期的试块强度标准值来计算单桩竖向承载力。国内工程开工前几乎都依规范做了室内配比试验，获得或推得90d试块强度，符合要求后才进行搅拌桩施工。所以，工程桩出问题，一般不是土质原因。从国内事故工程中的搅拌桩桩身钻孔取芯结果可以看出，这些桩身常存在严重的水泥富集块，小则1～5cm，大则在桩轴处形成一条水泥芯柱，而有的部位则很少有水泥浆；也有偷工减料，水泥掺量明显不足的案例。这些均导致现场水泥土桩身强度严重不足。国外搅拌桩实践也表明：搅拌桩的现场水泥土强度与水泥和土搅拌的均匀程度密切相关。２．２搅拌桩质量问题产生的原因归纳国内搅拌桩普遍存在的水泥土搅拌不均、桩身不连续，以致桩身强度过低，其主要原因有：（１）施工机械设备和工艺不合要求主要表现在电机功率、转速、灌浆压力、叶片层数、喷浆提升速度、出浆口位置和方向等方面。因为水泥浆和土搅拌次数越多，拌合越均匀，水泥土强度越高；反之，强度则越低；（２）施工管理混乱搅拌桩施工中个体企业很多，即使是国有企业中标的工程实际也多为个体户施工，水灰比、搅拌深度、桩身均匀性和连续性均无法保证；（３）缺乏必要的检测手段规范对搅拌桩的检测主要为轻便触探器钻取桩身水泥土样，而其检验深度只能达3～4m。静载试验虽能给出桩的承载力，但不能给出全长桩身质量，且存在荷载作用面积小、时间短导致影响深度有限的问题。目前因缺少对桩身全长质量检测的方法，使得桩身水泥土很差的搅拌桩常能顺利通过最终的质量检测关。对施工机械和工艺来说，突出问题有：（１）出浆口位置在搅拌轴上浆液多集中在喷浆口的桩轴附近，叶片外缘缺浆，形成水泥浆富集；（２）喷浆方式不合理当前有下沉喷浆和提升喷浆二种形式，笔者认为不宜在首次下沉切土搅拌时喷浆和最后一次提升时喷浆。因前者喷浆时土未搅碎，浆液不易向四周土体中扩散，出浆口处容易形成水泥浆芯柱，故必须要求在土体搅松之后再喷浆；后者喷浆后缺少必要的搅拌次数，易造成水泥土强度过低。（３）喷浆后水泥土搅拌次数不足这又包括如下几种原因：喷浆提升速度过快，搅拌次数不足；叶片数量过少；电机功率偏低；搅拌轴上下循环的搅拌次数偏少。因此，许多工程中的搅拌桩成桩质量不合格，准确说仅上部3～5m土层中桩身质量合格，但由于软土地基上大多存在地表填土层或粘土硬壳层，它提供的桩侧摩擦力分担了桩顶近荷载1/3，其下桩身轴力迅速减小，以致在通常200kPa左右的设计荷载下，除造成建筑物沉降稍大外，并未发生破坏。同时，我们也应看到，还有相当多的多层建筑工程，用深层搅拌桩处理后失败，其中原因绝大部分不是出在设计方面而是出在施工质量上。３当前搅拌桩问题的解决办法针对前述产生搅拌桩施工质量问题的原因，笔者认为应从如下几个方面加以改进。（１）修订和完善水泥土搅拌桩规范，尤其是对桩身全长的质量检测方法水泥土搅拌桩的桩身质量主要取决于水泥土的均匀性和强度两个方面，检测工作必须紧紧围绕这两点。水泥土标贯击数和无侧限抗压强度既相互依存又相互对立。对天然地基土来说，标贯击数愈大，则无侧限抗压强度愈高。搅拌桩水泥土则须分两种情况：①搅拌均匀的水泥土桩，标贯击数和无侧限强度间的关系类似于天然地基土。②搅拌不均匀的水泥土桩，因存在大小不等的水泥碎块和片块，钻孔取样扰动较大，使水泥土无侧限强度偏低很多；而相应的标贯击数却偏大很多，因标贯筒带动水泥富集块体贯入，阻力增加。这种搅拌不均匀的桩无侧限强度过小而标贯击数过大的现象说明水泥土桩的质量检测不能单从某个方面来衡量，必须从多方面进行综合判断。标贯击数，因是原位测试，取样扰动影响较小，如桩身搅拌均匀，基本上可以反映出水泥土强度的高低。钻孔取得桩身全长水泥土芯样，不仅能直观地看出水泥土搅拌的均匀程度，而且从取出的芯样还能定量地测出其无侧限抗压强度。从现场取芯得到的无侧限强度真实地反映了现场施工水平和养护条件下的桩身水泥土强度值，不同于室内人工制备的水泥土试样强度。虽然钻孔取样对水泥土有一定的扰动，但对搅拌均匀的水泥土桩来说，其结果可作为标贯试验的有效补充。据此，笔者在1996年研制超长水泥土搅拌桩时，提出水泥土桩桩身质量检测应以现场取芯观察、标准贯入试验为主，无侧限抗压试验为辅的综合检测方法。通过钻孔取芯观察来检验水泥土搅拌的均匀性；通过标贯击数来判断搅拌均匀的水泥土强度，并辅以芯样的室内无侧限抗压强度试验。取出的水泥土桩芯，应观察其颜色是否一致，是否存在水泥富集块或未被搅匀的土团；只有在搅拌均匀的前提下，该点的标贯击数才是有效的。为了防止水泥土后期强度过高造成标贯击数太大而失去参考意义，检测试验日期最好选在成桩10d左右。从多个工程的检测应用看来，效果明显。（２）改进现行施工工艺，将质量检测和施工工艺结合起来。针对前述搅拌桩质量问题产生的原因，应从以下几点进行工艺改进：①将搅拌叶片由2层4片增加至3层6片。各层叶片间互成60°夹角，下面2层叶片应沿旋转时的切土方向适当倾斜。②出浆口宜设在搅拌叶片中部。以克服搅拌轴底出浆方式易引起的搅拌不均。③提升搅拌杆的卷扬机要采用调速电机。以根据水泥土搅拌均匀的需要来控制提升速度和喷浆量大小，实现桩身水泥掺量变配比要求。④应严格控制喷浆、提升速度不能过大，现行机械设备一般应控制在0.6～0.9m/s。对3上3下的工艺，最后一次复搅提升速度为0.5m/s左右。⑤变下沉喷浆为提升喷浆。下沉喷浆时存在因土体不均引起的浆液不合理分配：土愈硬，下沉愈慢，浆液愈多，水泥亦愈多；土愈软，水泥浆愈少。首次下沉的作用主要是搅松土体，给浆液切出渗透通道，并减少硬软土层间的阻力差异。⑥增加喷浆次数。对规范２上２下工艺中仅第一循环提升喷浆方式，再增加第二循环下沉喷浆，以减少一次喷浆过多而造成的地表冒浆、局部水泥浆富集和搅拌不匀现象。⑦在桩底适当座浆。当首次搅拌至桩底时，原地喷浆搅拌1分钟，以克服搅拌桩中常出现的桩底搅拌不足和深度不够的问题。国外施工时大都有此程序，而国内做得很少。⑧当桩长大于15m时应增加一次复搅：第1次搅拌下沉，喷浆提升；第2次搅拌下沉，喷浆提升；第3次搅拌下沉，搅拌提升(即3上3下工艺)。当桩长小于15m时，如工艺试桩时经各种改进后仍发现桩身搅拌不均，也可增加1次复搅。要使超长水泥土桩搅拌均匀，必须使喷浆后水泥土每点搅土次数大于40。⑨当桩长大于15m时应将搅拌电机功率由37kW提高到55kW，以保证搅拌轴的转速和叶片的切土能力。对搅拌桩的检测，应特别强调施工过程中的跟踪检测，及时发现桩身缺陷部位，采取降低喷浆提升速度的措施，增加灌浆量和搅拌次数。由于目前国产的水泥土搅拌机械大都采用定量泵输送水泥浆，而搅拌电机又是转速恒定型的，因此灌入地基中的水泥量完全取决于搅拌杆的提升速度和喷浆次数。在工程桩施工初期，应先按照预定的水泥配比施工，详细记录成孔过程中主机电流的变化。在工程桩成桩10d后，跟踪进行取芯观察、标贯试验和芯样无侧限试验，找出了水泥土搅拌不均和强度不足的部位，再根据地质报告、标贯击数、芯样和电流值，调整桩身水泥配比，使桩身各段的强度都均匀连续地与桩身应力分布大致协调。取芯位置可选在距桩中心半径1/3处。根据以上搅拌桩工艺改进方法和质量检测方法，笔者不仅在南京淤泥质软土中成功制作了长达26m的深层搅拌桩，而且最近在粘粒含量很高、业主多次试验不成功、被认为不宜采用搅拌桩的苏北流塑粘性软土中成功试验和应用了水泥土搅拌桩。（３）加强现场质量管理采取桩身浆液流量自动监测仪、严格控制水灰比、施工时采取旁站监督等措施。４结论（１）当前水泥土搅拌普遍存在现场成桩质量问题。引起质量问题的原因有搅拌桩检测方法严重滞后、成桩工艺不合理、施工管理混乱3个方面。（２）要解决目前搅拌桩成桩质量中存在的问题，需尽快修订完善水泥土搅拌桩规范，特别是对桩身全长的质量检测方法；改进现行的施工工艺，并将质量检测和施工工艺结合起来；加强现场的质量管理。