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[摘 要] 针对软土地区高速公路结构物地基对工后沉降要求较高的特点，介绍了水泥搅拌桩加固结构物软土地基的施工技术，包括水泥搅拌桩的加固设计、加固原理、施工工艺、质量控制和质量检测措施，对类似工程施工有一定的参考作用。
[关键词] 水泥搅拌桩 软土地基 质量控制 质量检测
1.引言
我国幅员辽阔，地质情况复杂多变，其中软土在我国分布十分广泛，在长江、珠江三角洲等滨海和湖沼地带尤为普遍。软土地基由于其低抗剪强度、高压缩性和弱透水性，工程力学性能很差，直接影响结构工程的稳定性和耐久性。为保证高速公路的安全和正常使用，必须要对高速公路通过地段的软土进行加固处理，使其满足工程的要求。工程实践证明，对于深厚软黏土地基或粘性较大的软土地基的加固处理以深层搅拌法居多。深层搅拌法处理深度一般要超过5m，一些资料显示最大加固深度可达60m，一般不超15m～18m。深层搅拌法采用的固化剂一般分水泥类、石灰类、沥青类和化学材料类。目前最常用的固化剂就是水泥类固化剂，其次是石灰类固化剂。用水泥类固化剂的搅拌桩又分为“湿法”和“干法”两种工艺，水泥深层搅拌桩就是典型的“湿法”。本文介绍的某高速公路中，桥坡段及涵洞或通道结构物处为防止结构物开裂、位移、基桩受剪破坏及控制工后沉降，采用水泥搅拌桩处理方案。
2.搅拌桩加固设计
1)桥坡段处理方案。针对软土地基上桥台可能发生诸如桥台开裂、位移、基桩受剪破坏等情况，为保证桥台与路堤相邻处差异和工后沉降不大于0.1m，桥坡段采用水泥搅拌桩预压处理方案，湿法施工，成桩直径50cm，在桩顶做30cm厚碎石垫层，布桩形式采用正三角形，按平行于桥台走向布设，桩长8 m～10m，桥坡段按2倍左右的台背高度等分A，B，C三段加固处理区，桩间距分别为1.1m，1.2m，1.3m，另外在台前1.5倍～2倍左右的台后填土高度及锥坡范围内的D区也要处理，桩间距1.3m。
2)小型构筑物地基的处理方案。为满足涵洞或通道结构物对地基承载力的要求和保证工后沉降不大于0.2m，对软土地基采用水泥深层搅拌桩预压处理方案，湿法施工，成桩直径50cm，在桩顶做30cm厚碎石垫层，布桩形式采用正三角形，按平行涵洞的中轴线对称布桩，桩长8m～14m，涵洞附近划分B，A，B三段加固处理区，中间加密区A断桩间距为1.1m，两端过渡区B段为1.3m。A区采用20m高土工格室装碎石回填密实。
3.水泥搅拌桩的加固原理
通过搅拌机械将胶结材料(水泥)与地基的软土搅拌成桩柱体。由水泥搅拌桩柱体与四周软土组成复合地基，提高地基的承载力，减少地基沉降。此外，还能阻止地下水的渗透。水泥黏土固化过程中的物理化学机理与混凝土的硬化机理有所不同。水泥黏土在固化过程中由于水泥掺入量很少，它是由黏土包围水泥，与混凝土不同，水泥黏土的固化速度慢，强度也低，并随含水量的变化而改变。
3.1水泥的水介和水化化学反应
普通硅酸盐水泥由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物可以分别组成不同的水泥矿物，它们是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙及硫酸钙等。当黏土与水泥相接触时，水泥颗粒与黏土中的水发生水介和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等钙化物。这些钙化物是坚硬的固体，是促进水泥黏土具有一定强度而达到加固目的的核心物质。
3.2水泥水化物与黏土颗粒的化学作用
当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥骨架;有的则与其周围的黏土颗粒发生一系列的反应，这些反应如下:1)离子交换和团粒化作用。2)硬化反应。3)碳酸化作用。
4.施工工艺
4.1施工机械
水泥搅拌桩的主要施工机械为钻机、粉喷机和空压机等。
(1)搅拌钻机:是水泥搅拌桩的主要成桩机械，应具有动力大、操作灵活、能按不同速度均匀正向钻进和反向提升、有前后左右自行移动的功能。主要参数见表2。
(2)搅拌轴:采用127mm×10mm无缝钢管制成，两端用法兰盘连接，每节长度2.5 m。
(3)傳动系统:由一台37 kW、1480 r/min的电动机提供整机动力，通过皮带轮、摩擦离合器、变速转向器、万向轴和占盘带动钻具正、反向旋转，可以获得各3个档位的转速。
(4)粉体喷射机:是一台用压缩空气定量发送粉体材料的设备，包括储灰罐、发送装置、计量控制装置等。通过一定速度、一定压力的气流，将给料具提供的水泥粉输送到钻具中，从搅拌头克服喷灰口土体阻力而喷入土中，是粉喷机施工的关键设备。
4.2施工工艺
施工步骤为：桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆至工作基准面以0.3m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束。
4.3技术要求
(1)钻机就位:就位后的钻机台应保持水平，不倾斜、不偏移。钻头对正桩位中心的误差不大于10cm，钻杆垂直度偏差不大于1.5%。
(2)搅拌下沉:启动搅拌机，放松桩架钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土下沉，将土搅松，下钻的速度根据土质的软硬情况调整快慢。搅拌下沉速度一般为0.7 m/s，钻进到设计标高后，在原地搅拌1～2min。
(3)搅拌提升:钻头钻至设计深度后，启动喷粉机，出口压力保持0.4～0.6MPa，搅拌机边喷边旋转边提升。
(4)重复上述2～3步，即采用“复喷复搅”工艺方法，重复次数按设计和试验确定，确保质量。
(5)认真做好施工原始记录，凡施工过程中发生的情况都应在原始记录中反映，对不符合要求的搅拌桩应注明采取的措施和补救方法。
5.质量控制
5.1加强对施工机械设备的检验
(1)每台桩机必须配置可以控制桩身每米喷粉量的记录器，记录器上的任何一个可操作的按钮和开关，不得用于设定时间、深度、喷粉量、桩位编号、复搅深度、复搅次数等参数。
(2)桩机上的气压表、转速表、电流表、电子秤必须经过标定。
5.2加强对原材料的检验
水泥的堆放应该符合防雨、防潮的要求，严禁使用过期、受潮、结块、变质的水泥。
5.3施工前必须进行工艺试桩
不同地段具有不同的地质条件，为了克服盲目性，确保搅拌桩加固地基收到预期的效果，在施工前必须进行工艺试桩，数量不少于5根。试桩的目的是:
(1)提供满足设计喷粉量的各种操作参数，如管道压力、灰罐压力、钻机提升速度、钻进速度、搅拌速度等。
(2)验证搅拌均匀程度及成桩直径。
(3)确定该地质条件下，合理的工艺流程。
(4)确定进入持力层的判别方法。
6.质量检测
常用的检测方法有目测法、截桩试压法、轻便动力触探法、静力触探法、钻孔取芯法、应力波反射法、水电效应法和静载试验法等8种。钻孔取芯法是在成桩一定龄期后通过在桩身不同部位钻取试样，进行无侧限抗压强度试验来检查桩长、水泥含量、喷粉和搅拌均匀程度及桩身抗压强度，结果直观、可靠。但由于搅拌桩横断面方向有搅拌轴部位的喷灰盲区、水泥土强度不是很高且桩体呈层状的特点，在采用钻孔取芯法作单桩试验时应特别注意避开喷灰盲区，一般宜在离桩中心2/5桩径处。在整个钻进取芯过程中，钻杆必须始终保持垂直。
7.结语
软基处理在属于隐蔽工程，如施工质量不好，一旦被路基等构筑物所覆盖，便构成隐患且不好检查及补救。紧抓施工环节、严格施工过程的管理非常重要，只有在施工过程中严格控制才能确保工程质量。在施工前应对水泥加固软土的原理进行分析，对水泥搅拌桩检测实施细则进行学习，并将施工控制要点落实到过程控制中，同时还应加强对原材料的控制和现场的管理。
[关键词] 水泥搅拌桩 软土地基 质量控制 质量检测
1.引言
我国幅员辽阔，地质情况复杂多变，其中软土在我国分布十分广泛，在长江、珠江三角洲等滨海和湖沼地带尤为普遍。软土地基由于其低抗剪强度、高压缩性和弱透水性，工程力学性能很差，直接影响结构工程的稳定性和耐久性。为保证高速公路的安全和正常使用，必须要对高速公路通过地段的软土进行加固处理，使其满足工程的要求。工程实践证明，对于深厚软黏土地基或粘性较大的软土地基的加固处理以深层搅拌法居多。深层搅拌法处理深度一般要超过5m，一些资料显示最大加固深度可达60m，一般不超15m～18m。深层搅拌法采用的固化剂一般分水泥类、石灰类、沥青类和化学材料类。目前最常用的固化剂就是水泥类固化剂，其次是石灰类固化剂。用水泥类固化剂的搅拌桩又分为“湿法”和“干法”两种工艺，水泥深层搅拌桩就是典型的“湿法”。本文介绍的某高速公路中，桥坡段及涵洞或通道结构物处为防止结构物开裂、位移、基桩受剪破坏及控制工后沉降，采用水泥搅拌桩处理方案。
2.搅拌桩加固设计
1)桥坡段处理方案。针对软土地基上桥台可能发生诸如桥台开裂、位移、基桩受剪破坏等情况，为保证桥台与路堤相邻处差异和工后沉降不大于0.1m，桥坡段采用水泥搅拌桩预压处理方案，湿法施工，成桩直径50cm，在桩顶做30cm厚碎石垫层，布桩形式采用正三角形，按平行于桥台走向布设，桩长8 m～10m，桥坡段按2倍左右的台背高度等分A，B，C三段加固处理区，桩间距分别为1.1m，1.2m，1.3m，另外在台前1.5倍～2倍左右的台后填土高度及锥坡范围内的D区也要处理，桩间距1.3m。
2)小型构筑物地基的处理方案。为满足涵洞或通道结构物对地基承载力的要求和保证工后沉降不大于0.2m，对软土地基采用水泥深层搅拌桩预压处理方案，湿法施工，成桩直径50cm，在桩顶做30cm厚碎石垫层，布桩形式采用正三角形，按平行涵洞的中轴线对称布桩，桩长8m～14m，涵洞附近划分B，A，B三段加固处理区，中间加密区A断桩间距为1.1m，两端过渡区B段为1.3m。A区采用20m高土工格室装碎石回填密实。
3.水泥搅拌桩的加固原理
通过搅拌机械将胶结材料(水泥)与地基的软土搅拌成桩柱体。由水泥搅拌桩柱体与四周软土组成复合地基，提高地基的承载力，减少地基沉降。此外，还能阻止地下水的渗透。水泥黏土固化过程中的物理化学机理与混凝土的硬化机理有所不同。水泥黏土在固化过程中由于水泥掺入量很少，它是由黏土包围水泥，与混凝土不同，水泥黏土的固化速度慢，强度也低，并随含水量的变化而改变。
3.1水泥的水介和水化化学反应
普通硅酸盐水泥由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成，由这些不同的氧化物可以分别组成不同的水泥矿物，它们是硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙及硫酸钙等。当黏土与水泥相接触时，水泥颗粒与黏土中的水发生水介和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等钙化物。这些钙化物是坚硬的固体，是促进水泥黏土具有一定强度而达到加固目的的核心物质。
3.2水泥水化物与黏土颗粒的化学作用
当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥骨架;有的则与其周围的黏土颗粒发生一系列的反应，这些反应如下:1)离子交换和团粒化作用。2)硬化反应。3)碳酸化作用。
4.施工工艺
4.1施工机械
水泥搅拌桩的主要施工机械为钻机、粉喷机和空压机等。
(1)搅拌钻机:是水泥搅拌桩的主要成桩机械，应具有动力大、操作灵活、能按不同速度均匀正向钻进和反向提升、有前后左右自行移动的功能。主要参数见表2。
(2)搅拌轴:采用127mm×10mm无缝钢管制成，两端用法兰盘连接，每节长度2.5 m。
(3)傳动系统:由一台37 kW、1480 r/min的电动机提供整机动力，通过皮带轮、摩擦离合器、变速转向器、万向轴和占盘带动钻具正、反向旋转，可以获得各3个档位的转速。
(4)粉体喷射机:是一台用压缩空气定量发送粉体材料的设备，包括储灰罐、发送装置、计量控制装置等。通过一定速度、一定压力的气流，将给料具提供的水泥粉输送到钻具中，从搅拌头克服喷灰口土体阻力而喷入土中，是粉喷机施工的关键设备。
4.2施工工艺
施工步骤为：桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆至工作基准面以0.3m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束。
4.3技术要求
(1)钻机就位:就位后的钻机台应保持水平，不倾斜、不偏移。钻头对正桩位中心的误差不大于10cm，钻杆垂直度偏差不大于1.5%。
(2)搅拌下沉:启动搅拌机，放松桩架钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土下沉，将土搅松，下钻的速度根据土质的软硬情况调整快慢。搅拌下沉速度一般为0.7 m/s，钻进到设计标高后，在原地搅拌1～2min。
(3)搅拌提升:钻头钻至设计深度后，启动喷粉机，出口压力保持0.4～0.6MPa，搅拌机边喷边旋转边提升。
(4)重复上述2～3步，即采用“复喷复搅”工艺方法，重复次数按设计和试验确定，确保质量。
(5)认真做好施工原始记录，凡施工过程中发生的情况都应在原始记录中反映，对不符合要求的搅拌桩应注明采取的措施和补救方法。
5.质量控制
5.1加强对施工机械设备的检验
(1)每台桩机必须配置可以控制桩身每米喷粉量的记录器，记录器上的任何一个可操作的按钮和开关，不得用于设定时间、深度、喷粉量、桩位编号、复搅深度、复搅次数等参数。
(2)桩机上的气压表、转速表、电流表、电子秤必须经过标定。
5.2加强对原材料的检验
水泥的堆放应该符合防雨、防潮的要求，严禁使用过期、受潮、结块、变质的水泥。
5.3施工前必须进行工艺试桩
不同地段具有不同的地质条件，为了克服盲目性，确保搅拌桩加固地基收到预期的效果，在施工前必须进行工艺试桩，数量不少于5根。试桩的目的是:
(1)提供满足设计喷粉量的各种操作参数，如管道压力、灰罐压力、钻机提升速度、钻进速度、搅拌速度等。
(2)验证搅拌均匀程度及成桩直径。
(3)确定该地质条件下，合理的工艺流程。
(4)确定进入持力层的判别方法。
6.质量检测
常用的检测方法有目测法、截桩试压法、轻便动力触探法、静力触探法、钻孔取芯法、应力波反射法、水电效应法和静载试验法等8种。钻孔取芯法是在成桩一定龄期后通过在桩身不同部位钻取试样，进行无侧限抗压强度试验来检查桩长、水泥含量、喷粉和搅拌均匀程度及桩身抗压强度，结果直观、可靠。但由于搅拌桩横断面方向有搅拌轴部位的喷灰盲区、水泥土强度不是很高且桩体呈层状的特点，在采用钻孔取芯法作单桩试验时应特别注意避开喷灰盲区，一般宜在离桩中心2/5桩径处。在整个钻进取芯过程中，钻杆必须始终保持垂直。
7.结语
软基处理在属于隐蔽工程，如施工质量不好，一旦被路基等构筑物所覆盖，便构成隐患且不好检查及补救。紧抓施工环节、严格施工过程的管理非常重要，只有在施工过程中严格控制才能确保工程质量。在施工前应对水泥加固软土的原理进行分析，对水泥搅拌桩检测实施细则进行学习，并将施工控制要点落实到过程控制中，同时还应加强对原材料的控制和现场的管理。