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水泥搅拌桩在船坞工程中的应用
摘要：本文通过天津临港造修船基地1#、2#造船坞工程实例，介绍水泥搅拌桩在地基加固、减小沉降、挡土防渗、稳定土体等方面的应用，并对搅拌桩施工工艺与质量控制加以阐述。
关键字：水泥搅拌桩;挡土;防渗;质量控制;地基加固
1、引言
水泥搅拌桩自出现以来，发展迅速，应用范围广泛。国内外大量用于建筑物地基加固、减小沉降、挡土防渗、边坡稳定等方面，而且越来越多的使用在港口及水利建设中。其中有的属于设计内的工程项目，有的属于施工措施项目，就其不同的使用功能结合天津临港造修船基地1#、2#造船坞工程实例进行探讨。
2、水泥搅拌桩的原理及优点
水泥搅拌桩是用水泥作为固化剂，利用深层搅拌机械将土或砂同水泥或水泥系列材料固化剂强制搅拌形成圆形的水泥土体。水泥搅拌桩按水泥的喷射方法分为干粉喷射及浆液喷射水泥搅拌桩，其施工过程都是先将土体的钻进设备下沉至设计桩底标高，开启灰浆泵，通过管路送浆至搅拌头出浆口，按一定的提升速度边喷浆搅拌边提升钻杆，使浆液和土体充分拌和形成水泥土固化土柱体。
深层搅拌桩加固技术优点：(1)深层搅拌桩由于是将固化剂和原地基软土就地搅拌混和，因而最大限度地利用了原土。(2)按照不同地基的性质及工程设计要求，可合理选择固化剂及其配比，设计比较灵活。(3)施工时无振动、无噪音，无污染.可避免对周围结构的稳定性产生影响，在市区和密集建筑群中均可进行施工(4)与钢筋混凝土桩基相比，节省大量的钢材造价相对较低。基于上诉原因水泥搅拌桩加固技术在水利工程、工业与民用建筑方面均得到广泛应用
3、水泥搅拌桩技术在本工程中的应用
3.1提高地基承载力减小沉降作用
水泥搅拌桩最广泛的应用是作为复合地基。水泥搅拌桩复合地基以其工期短，震动小、无污染的特点，是国内外进行地基加固的主流之一。原理在于其所形成的水泥土加固体与桩间土的共同承担上部结构荷载，起到提高地基承载力，减小沉降的作用。
船坞1～4#总组平台中，根据勘察结果显示，场地浅部表层回填①2层粉砂，土质较纯，根据勘察实验结果该承载力特征值fak为80kpa。但其使用时承载力受其下卧的①3 ①4 ②A②B层的饱和软粘土承载力较低影响。①3状态及均匀性变化较大，土性主要以淤泥质粘土或淤泥为主，其天然地基承载力特征值为25kpa。用①3层作为天然地基持力层的下卧层易产生较大沉降。对于一般位置堆载为50～100kpa的区域，设计采用天然地基上设钢筋混凝土地坪。但对于主机预舾装场地平均堆载在200Kpa以上，浅部土层均不能满足承载要求，所以本工程中应用深层水泥搅拌桩加固地基的方案。
在船坞总组平台主机预舾装场地的500mm厚钢筋砼板下，采用单根双轴Φ700@500，加固深度18.9m，横向间距1500mm，纵向间距1000mm的搅拌桩复合地基提高承载力同时减小平台的沉降。
3.2影响水泥土搅拌桩沉降的主要因素
(1)桩长对沉降的影响
水泥土搅拌桩的强度与压缩模量介于刚性桩和柔性桩之间，顶荷载通过桩的侧摩阻力和桩端阻力传递给土体，同时桩体侧向膨胀，且主要发生在桩顶以下一定长度范围，该段桩是水泥土搅拌桩的主要受力区。搅拌桩的主要破坏形式是桩体的环向拉伸导致延径开裂破坏或产生压碎破坏，当地基中的滑动面穿过桩体时，还可能发生因剪切破坏导致断桩的情况。研究表明，水泥土搅拌桩存在临界桩长，超过临界桩长增加桩长并不能减小地基沉降。
(2)水泥掺量对沉降影响
根据相应实验结果得出一定条件下水泥掺量对沉降的影响关系曲线。
从上图得出，水泥掺量较低时对降低沉降的作用十分明显，当水泥掺入比达到15%左右时，已不能大幅降低沉降，因此盲目的通过增大水泥掺入比来降低沉降的方法效果并不理想。
(3)置换率
改变土体置换率，置换率越大，沉降越小，但过高的置换率会引起造价增加。
(4)加荷速率
合理的加荷速率对降低沉降，特别是对工后沉降有重要影响，加荷速率过大，会引起下部孔隙水压力太大，孔压消散缓慢，对工后沉降不利。此外现场土质条件、桩体上部是否复搅等因素对沉降也有影响。
3.3稳定土体作用
搅拌桩加固技术在临港造修船基地1#、2#造船坞工程的坞墙锚拉体系中对保证土体稳定起到关键作用，本船坞坞墙结构为锚拉式地下连续墙加高桩承台结构(见图1)，锚定板桩区主动土层主要为①2 ①3 ①4 ①5 ②A ②B，由于①层土层软塑(松散)，②层呈流塑～软塑，其主动土压力大而被动土压力小。根据地质特点利用深层水泥搅拌桩加固技术对锚碇板桩被动土区的土体进行加固，提高锚定板桩前的被动土压力。
本工程锚定板桩前搅拌桩采用Φ700@500的双轴搅拌桩，采用如图2中的格形的布置方法，通过此方法很好的固定了锚定墙前一定范围的土体，提高了被动压力，较好的控制了坞墙的位移。在施工中如发现地质的变化，可采取加大搅拌桩施打宽度和增加加固深度或增加拉杆长度提高其锚碇效果。
3.4挡土防渗作用
搅拌桩加固在船坞两侧顺岸码头中起着挡土防渗的作用，临港造修船基地1#2#造船坞工程中1#、2#顺岸码头为锚拉式高桩扶壁结构。为使船坞形成封闭的止水体系，避免船坞内水系与海水相连通，利用相互咬合的Φ700@500双轴水泥搅拌桩形成一道水泥土墙止水帷幕，搅拌桩顶标高+2.20m，底标高-14.50m，与旋喷桩配合使用起到隔水防渗的作用(见图3)。同时起挡土作用也防止了因潮汐影响，掏空钢筋砼灌注桩间土体，造成结构破坏。
3.5临时支护作用
地连墙施工时由于第②A②B层的流塑状淤泥易坍塌，向槽内回淤以致无法成槽。同时其浅部分布有沙土和粉土层，这些土层易在动水压力下易产生流沙或坍塌现象，施工难以进行。
为解决此问题，采取在地下连续墙两侧进行1m～1.2m宽的搅拌桩加固，形成水泥土墙，跨过②层流塑状淤泥层，防止两侧淤泥回淤，如图4所示。同时配合降水、加大泥浆比重等措施，保证成槽和地连墙的顺利施工。
4、搅拌桩施工工艺及质量控制
施工方面易出现水泥与土搅拌不均匀，甚至水泥与土无法混合导致成桩效果不理想的情况，经分析与施工机械的各施工参数有关，如钻进速度、钻头转速、提升速度、喷浆压力、水泥用量等。施工时必须通过试验桩，根据不同地质层、不同土质、不同土压力找到合适的施工参数，加以严格控制，使桩体均匀，防止出现缩颈、断桩等现象。下面结合重点技术要求介绍搅拌桩的施工工艺。
4.1试桩
深层水泥搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、泥炭土和粉土。深层搅拌桩施工是藉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，水泥土的强度也超高。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。
4.2设备安装
搭置起吊塔架、安装起吊装置和导向架及搅拌轴、输浆管。电器系统须安装漏电保护装置，供浆系统应在离深层浆喷桩机50m范围内。
4.3桩机定位
用起重机将深层浆喷桩机吊至指定桩位。施工中挂线缀测量，调整桩机垂直度要求不大于1/150。
4.4浆液制拌
制备好的浆液不得离析，不得停置时间过长，超过两小时的浆液应降低标号使用。为改善水泥土加固体的性能和提高早期强度施工时可掺入适量外加剂：粘土固化剂、碳酸钠、氯化钙、三乙醇胺、木质素磺酸钙等。注浆材料宜采用42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.5～0.6。水泥浆的定量不间断供应是防止断桩和缺浆的重要条件。
4.5预搅下沉
待深层浆喷桩机的冷却水循环正常后，启动深层浆喷桩机的电机，放松起重机钢丝绳，使深层浆喷桩机导向架搅拌下沉。一般情况下不宜冲水，冲水下沉会影响成桩质量，当遇到较硬土层下沉太慢(超过30min/m)时，可适当冲水下沉。
4.6喷浆搅拌提升
下沉到达设计深度后，开启灰浆泵，通过管路送浆至搅拌头出浆口，用流量泵控制输浆速度，使注浆泵出口压力一般保持0.4～0.6mpa，根据土质和要求的扩散半径调节。输浆速度一般为30L/min。出浆后为保证桩端质量，原地喷浆30s，使浆液完全到达桩端，喷浆提升的次数和速度必须符合已定的施工工艺，提升速度一般在(0.50～0.8m/min)边喷浆搅拌边提升钻杆，使浆液和土体充分拌和。
4.7重复搅拌下沉
搅拌钻头提升至桩顶以上500mm高后，关闭灰浆泵，重复搅拌下沉至设计深度，下沉速度按工艺要求进行。
4.8喷浆重复搅拌提升
下沉到达设计深度后，喷浆重复搅拌提升，一直提升至地面，步骤4～7的过程为四搅二喷法，具体的搅拌与喷浆次数应根据工程实际地质情况，通过试桩确定。
4.9桩机移位
施工完一根桩后，移动桩机至下一根桩位，重复以上步骤进行下一根桩的施工。水泥土搅拌桩应处理好搭接、接缝，搭接必须保证20cm。施工必须连续进行，相邻桩施工间隔时间不得超过16小时。
5、质量检验
对于水泥搅拌桩施工质量的监测检测，除了载荷试验方法还有一些相对简单经济的方法，如静力触探法、动力触探法、钻心取样法、开挖目测法以及低应变检测的方法。各种方法均有一定的适用条件与局限性，在实际工程中应考虑工程情况及设计要求，综合考虑使用以上方法，在不同的龄期采用不同的检测手段，以确保工程质量。本工程采用以取芯试验为主，并以28天龄期的标贯试验辅助，检验桩的总数量不小于总桩数的1%，且不少于6根，设计要求水泥土搅拌桩28天无侧限抗压强度不小于0.8Mpa，如施工初期发现质量较差，则加大抽查的比例和取芯的比例。
6、结语
搅拌桩的使用范围较广，适用于淤泥、淤泥质土及含水量较高且承载力标准值不大于120Kpa的粘性土及一部分沙土，但对于粘性土承载力大于120Kpa、含水量过大、有动水压力及对于有机质含量过大的的环境下不宜采取。本文从搅拌桩的在船坞工程中的实际应用出发，讲述其在不同应用中的施工方法和作用原理，同时根据一些在实际施工中总结的经验，对施工工艺与实验检测方面做了简要的介绍。希望可以对类似工程施工提供参考依据。
参考文献：
[1] GJG79-2002.建筑地基处理技术规范.北京：中国工业建筑出版社，2002.
[1] 叶书麟.地基处理应用实例手册.北京：中国工业建筑出版社，1998.
[3] 丁克才.深层搅拌桩应用和复合地基承载力若干问题，2001.
[4] 郝玉龙等.深厚软土搅拌桩复合地基沉降分析及控制.岩土工程学报，2001.
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