堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比优化_温国栋.pdf

71 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比优化温国栋1，钱少璇2，杨婷婷1（1.江苏天源建设集团有限公司，江苏 淮安 211700；2.江苏省盱眙县水务局，江苏 盱眙 211700）摘 要：以盱眙县淮河干流滩区城根滩堤防薄弱段应急除险加固工程为例，对其堤防防渗加固中三轴水泥土搅拌桩原水灰比进行了试桩试验，提出原水灰比下存在浆液需要量大、废浆量大、成桩强度有待提升等问题；通过分析现行相关技术规范，并结合工程实际，将水灰比调整为 1.2，根据试验结果，浆液用量及废浆量明显减少，桩身强度及取芯率均显著提升。关键词：除险加固；三轴水泥土搅拌桩；水灰比；优化中图分类号：TV697.3文献标识码：B三轴水泥土搅拌桩应用于水利水电、建筑、交通等工程，主要目的是有效解决双轴水泥土搅拌桩邻桩搭接不完全、成桩垂直度无法保证等技术问题。但三轴水泥土搅拌桩在工程应用中主要面临搅拌桩材料用量、水灰比和成桩质量控制等问题，现行规范中对搅拌桩水灰比的规定并不统一，对搅拌桩强度的争议也较大1。为此，本文依托具体的堤防除险加固工程进行成桩试验，探讨三轴水泥土搅拌桩水灰比优化及强度控制问题。1 工程概况盱眙县淮河干流滩区城根滩堤防薄弱段应急除险加固工程施工 2 标（桩号 9+00016+440）包括堤防加固 7.4km，堤防防渗处理 7.44km，堤后填塘固基 3.17104，拆建大洲引水涵洞 1 座，拆建坝拐排灌站出水池及穿堤涵洞，改造大洲排涝站出水口，配套工程管理与堤防巡查设施建设。设计防渗墙轴线沿城根滩圩堤现状堤顶布置，桩顶高程16.5m，桩底高程 910.5m，水泥搅拌桩设计桩径0.5m，钻孔间距 0.4m，搭接厚度约 0.3m。为增强加固效果，达到支护、防渗或承载的目的，决定采用三轴水泥土搅拌桩其施工工艺。为保证施工质量，必须在施工开始前通过成桩试验确定水泥浆水灰比、喷浆提升速度等施工参数取值及具体施工工艺。考虑到密封效果，水泥搅拌桩应设置连续型断面，并将相邻桩套接为一孔施工，邻桩搭接施工间歇控制在 16h 以内，若因不可避免的原因而延误搭接施工，必须减缓搅拌速度，确保搭接质量。三轴搅拌桩施工期间，还应始终保持桩基底盘垂直于立柱导向架，并将立柱导向架垂直度偏差严格控制在 1/250 以内。2 施工原理及试桩方案2.1 施工原理三轴水泥搅拌桩以水泥为固化剂，借助三轴螺旋钻头进行地基土原位翻转及强制搅拌，切削土体后在下沉及提升搅拌的同时喷浆，并施加高压空气，保证水泥土充分搅拌。在搅拌土未完全固化前比重基本维持在 1.51.6kg/cm3。三轴水泥搅拌桩施工工艺对环境影响小，施工过程中高压空气持续释放压力，可有效缓解施工对周围土体的侧向压力。本工程采用 850 三轴搅拌桩设备套接一孔法两喷两搅收稿日期 2022-12-26作者简介温国栋（1990-），男，江苏淮安人，工程师，从事工程施工和管理工作；钱少璇（1987-），女，江苏淮安人，工程师，主要从事全县河湖、水利工程管理、水利工程安全鉴定、小型水库除险加固工程建设管理等工作；杨婷婷（1987-），女，江苏淮安人，工程师，从事工程施工和管理工作。文章编号:1007-7596（2023）01-0071-03DOI:10.14122/ki.hskj.2023.01.041 72 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）施工，并保证桩体范围内水泥搅拌均匀，桩体垂直度误差控制在 1/200 以内。施工使用 42.5 普通硅酸盐水泥，按照 20%确定水泥掺量，水灰比按 1.5 确定，墙体抗渗系数 10-610-7cm/s，桩体 28d 无侧限抗压强度至少为 1.0MPa。三轴水泥搅拌桩施工前必须全面探测施工区域地下生活垃圾、块石等障碍物并清理，此后分层夯实。第一批桩施工数量至少为 3 根，并保证浆液水灰比、水泥投放量、泵送时间、搅拌桩沉降时间、桩长、垂直度等施工参数完全符合设计要求。桩体施工过程必须连续，通过套接一孔法施工，保证建成的水泥土搅拌墙具备可靠的防渗性能。注浆施工过程若因故暂停，并在恢复压浆前提升或下沉搅拌机 0.5m，确保搅拌桩连续。邻桩搭接时间控制在12h 以内，若因特殊原因超出该时间，必须报经监理方及设计方同意后，在搭接处进行搅拌桩补施工。根据相关规范，三轴水泥土搅拌桩施工时必须二喷二搅，前后两次喷浆的水泥用量分别控制在设计用量的 70%和 30%，待搅拌头沉降至设计标高后开启压浆泵，使浆液到达喷浆口，此后在搅拌且提升搅拌头的同时喷浆，提升速度必须连续、匀速，待将搅拌头提升至桩顶设计标高以上 40cm 后将灰浆泵关闭，并将搅拌头沉降至设计标高。随即开启注浆泵，并实施二次喷浆、提升和搅拌。2.2 试桩方案试桩试验安排在该堤防工程场地东侧，选择采取套打连接方式的施工 5 组 850600 三轴水泥土搅拌桩，按照 1.6 的水灰比和 20%的水泥掺量、15m 的搅拌深度成桩。待达到一定强度后进行 7d、14d、28d 动力触探试验、标准贯入试验、取芯强度试验、取浆强度试验2。试验布置具体见图 1。图 1 试桩试验方案根据相关规范及设计要求进行该堤防除险加固工程防渗三轴水泥土搅拌桩配合比确定及试桩。根据地勘资料，堤防加固段土密度取 1.8t/m3，三轴搅拌桩设计长度为 30m；为确保桩顶水泥土强度，必须按照设计高程+50cm 确定桩顶实际高程；压浆期间避免出现断浆、输浆管堵塞。拟定基础水灰比为 1.5，则对应的水泥制浆量 1.82m3/t，单幅桩所需要的浆液量为29.884m3。试桩配合比具体见表1。表 1 单幅防渗三轴水泥土搅拌桩配合比参数拌浆量/m3理论搅拌时间/s原材料重量比（水:水泥）单幅桩所需浆液量/m3截面积/固化剂掺量/%水灰比取值130825:55029.8841.495201.5在三轴搅拌桩试桩期间，当水灰比取 1.51.6时，所对应的废浆量较大，现场所估算的废浆量高达 7m3/幅，通过进一步考察该除险加固工程堤防工况条件发现，造成这种现象的原因主要是基坑内地下水位较高，所实际测得的地下水高程为-0.5m；堤防防渗桩在高程约+8.0m 的堤顶向下开挖施工，内外侧水位标高均值均达到+2.5m，堤身其余高度内则无地下水位补给。结合 6d 龄期静力触探试验检测结果，所检测得 4 根三轴水泥搅拌桩均匀性比原状土明显改善，但是静力触探比贯入阻力曲线存在较大波动，均匀性一般；6d 龄期三轴水泥搅拌桩强度也比原状土有所提升，最大提升幅度为 2.03 倍，堤防加固效果较为显著。3 水灰比优化按照设计，三轴水泥搅拌桩水泥掺量应至少为 20%，并将基于理论计算所得到的水泥浆液29.884m3 均匀掺入桩体内。但施工期间，水泥浆混合物返浆外溢现象较为明显，溢浆主要通过导流槽导入储浆坑，达到固化状态后外运弃置。这一情况会直接造成桩体水泥掺量达不到 20%的要求，并会影响成桩质量。结合调查，沉桩区域内地下水位较高，使得配置好的水泥浆液无法彻底融入待加固土体内，故应降低水灰比，从而在保证水泥掺量 20%的情况下提升浆液配置浓度，控制浆液体积。笔者调查到的现行规范中所规定的水灰比具体有 3 种：建筑深基坑工程施工安全技术规范中所规定的三轴水泥土搅拌桩水灰比，具体见表 2。建筑地基处理技术规范所规定的固化剂应选用强度等级至少 32.5 的水泥，单轴及双轴水泥土搅拌桩水泥掺 73 2023 年 第 1 期 黑 龙 江 水 利 科 技 No.1.2023 （第 51 卷）Heilongjiang Hydraulic Science and Technology （Total No.51）量应为 13%15%，三轴水泥土搅拌桩水泥掺量应按照 20%22%控制；湿法水泥浆水灰比应确定为0.450.70，以保证其可喷性和施工的方便性。型钢水泥土搅拌墙技术规程中将三轴水泥土搅拌桩水灰比规定在 1.22.0，具体见表 3。表 2 JGJ311-2013 所规定的三轴水泥土搅拌桩水灰比土质类型水泥用量/kg（m3）-1膨润土/kg（m3）-1水灰比粘性土 360051.52.0砂性土 3255101.52.0表 3 JGJ/T199-2010 所规定的三轴水泥土搅拌桩水灰比土质类型水泥用量/kg（m3）-1膨润土/kg（m3）-1水灰比粘性土 360051.52.0砂性土 3255101.52.0砂砾土 2905151.22.0结合笔者调查，市场上现有的三轴搅拌桩机供浆系统工作水灰比基本按照 1.52.0 设计，如果调整水灰比，必须更换机械供浆系统，势必会增大工程造价。综合考虑后该除险加固工程决定采用型钢水泥土搅拌墙技术规程所推荐的水灰比下限，并将水灰比调整为 1.2，据此计算，水泥制浆量达到 1.52m3，单幅桩所需要的制浆量则降为 24.959m3。调整后的配合比具体见表 4。与原水灰比相比，在水泥掺量不变时，调整后的水灰比下总浆液量减少 4.925m3，且每幅搅拌桩现场实测的废浆量仅为 2m3。三轴搅拌桩施工结束 28d后成桩质量检测结果显示，桩身强度、取芯率等均满足设计。表 4 调整后的单幅防渗三轴水泥土搅拌桩配合比参数拌浆量/m3理论搅拌时间/s原材料重量比（水:水泥）单幅桩所需浆液量/m3截面积/固化剂掺量/%水灰比取值125788:65724.9591.495201.2普通混凝土配合比设计规程规定，必须基于试拌配合比展开混凝土强度试验，并应在该规程所规定的试拌配合比之外，至少采用两种不同配合比，且这两种配合比的水胶比应在试拌配合比的基础上 0.05，砂率 1%。基于以上规定，还可以进行该堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比的进一步优化3。此外，进行待搅拌土层含水量原位测定，并将此部分含水量纳入三轴搅拌水泥土水灰比计算。试桩过程中应依据经验确定水灰比，基于此再将水灰比增加0.5，水泥用量不变的情况下调整用水量。在确保地基处理所需桩体强度及渗透系数的情况下进行水灰比试桩返浆量实测，并以返浆略微高出地面为准确定最有水灰比。针对所确定出的最小水灰比调整水泥用量后展开沉桩试验，并进行符合桩体强度与渗透系数的水泥用量确定，将合格保证率控制在 95%及以上。混凝土配置强度按照下式确定：,0,1.645cucu kff+式中：,0cuf混凝土配置强度，N/mm2；,cu kf混凝土标准抗压强度，N/mm2；混凝土强度标准差，N/mm2。4 结 论综上所述，该堤防除险加固工程三轴水泥土搅拌桩水灰比降低后，堤防防渗加固效果明显提升，并使得水泥地基土充分水化，加固均匀性有保证，有效避免了原水灰比下用水量过多，浆液流失严重，前期固结速度慢等系列问题，浆液外溢及固体废物污染也得到有效遏制。虽然水灰比降低会因三轴搅拌桩机供浆系统的更换而增加工程造价，但是与所产生的工程效益相比，微乎其微。按照本文所提供的思路，还可以进行三轴水泥土搅拌桩水灰比的进一步优化，不断推动三轴水泥土搅拌桩施工工艺的发展和完善。参考文献：1 孙柯华,周志峰.三轴水泥土搅拌桩水灰比优化技术 J.建筑技术,2020,51(09):1075-1077.2 江培兵.水泥土搅拌桩施工参数对桩体强度的影响研究 J.山西建筑,2019,45(18):69-70.3 沈耀剑,薛文,陈刚.水泥搅拌桩强度影响因素的试验研究 J.科技通报,2019,35(01):124-128，134.