钉形水泥土双向搅拌桩施工工法.doc

钉形水泥土双向搅拌桩施工工法 中铁二十局集团第六工程有限公司 李明 常运超 马亮亮 任剑 党钊钊 1 前 言中铁二十局集团第六工程有限公司在天津滨海新区所承建的中央大道跨津晋高速公路工程。工程范围内为大面积盐池。采用苜蓿叶全互通立交，中央大道上跨现状津晋高速。共设置八条匝道连接中央大道和津晋高速。在E、F、G、H匝道上共设8道新建箱洞，在津晋高速两侧接建6道箱涵。在涵洞地基处理范围内(约20米)采用钉形水泥土双向搅拌桩进行处理。本项目钉形水泥土搅拌桩共计5126根，合68372延米。钉形水泥土双向搅拌桩是通过对现有的常规水泥土搅拌桩成桩机械进行简单改造，配上专用的动力设备及多功能钻头，采用同心双轴钻杆，在内钻杆上设置正向旋转叶片并设置喷浆口，外钻杆上安装反向旋转叶片。通过外杆上叶片反向旋转过程中的压浆作用和正反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土的作用，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保了成桩质量。该工法分别应用于涵洞底及桥头较深软基处理，推广应用成绩显著。从现有的工程实例看，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资约25%，本项目每延米利润为30元，总利润为2051160元。并且随着处理软土深度的增加，其经济效益和社会效益越发明显。目前已完成钉形水泥土双向搅拌桩52000延米，经钻芯取样和单桩静载及复合地基荷载试验得出，桩体质量良好，满足设计及施工要求，多次得到业主和监理的认可。在施工实践的基础上，总结形成本工法。2 工法特点2.1常规水泥土搅拌桩的缺点水泥土搅拌桩是指利用水泥、石灰等胶凝材料作为固结剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂与软土之间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。由于其具有施工方便和快捷，可有效缩短工期；并且减少噪声、振动小等优点，在软土地基处理工程中得到较为广泛地应用。但是常规水泥土搅拌桩存在以下缺点：2.1.1水泥土难以搅拌均匀；2.1.2水泥浆在桩体中分布不均，特点是在桩体下部水泥浆掺入量达不到设计及规范要求；2.1.3在土压力、孔隙水压力、喷浆压力的相互作用下，水泥浆沿钻杆上行，普遍存在冒浆现象，影响水泥浆掺入量；2.1.4桩土共同作用难以协调，需在桩顶部设置垫层或土工织物加筋层；2.1.5桩间距较小，造价较高。2.2钉形水泥土搅拌桩的特点2.2.1钉形水泥土双向搅拌桩利用常规设备加工改进，易于推广； 2.2.2钉形水泥土双向搅拌桩扩大头部分与桩一次施工完成，操作方便；2.2.3钉形水泥土双向搅拌桩在路基上覆荷载的作用下，充分利用土拱作用，扩大头部分确保桩体和桩周土协调变形，达到更佳的复合地基效果；2.2.4钉形水泥土双向搅拌桩充分利用土中应力传递规律，加强土体上部复合地基强度；2.2.5搅拌桩类似钉子形状，上部扩大头起到类似承台的作用，不需再设置加筋以及垫层；2.2.6扩大头作用以及环形对称边载效应，可成倍增大桩间距，不需加筋垫层，大大节省工程造价。 3 适用范围本工法适用于各种软土地基路段施工。4 工艺原理4.1双向搅拌技术双向搅拌桩技术将水泥土搅拌桩的成桩机械的钻杆改进为同心双轴钻杆;内钻杆上设置正向旋转叶片；外钻杆上设置反向旋转叶片，通过外杆上叶片反向旋转过程中的压浆作用和正反向旋转叶片同时双向搅拌水泥土的作用，阻断水泥浆上冒途径，保证水泥浆在桩体中均匀分布和搅拌均匀，确保成桩质量。钉形水泥土双向搅拌桩机钻头示意图见图4.1图4.1双向搅拌桩桩机钻头示意图4.2双向水泥土搅拌桩概念利用同轴双向转动的转杆以及可自动伸缩的钻头，沿深度方向将软土与固化剂（水泥浆，可掺入一定量的外加剂）就地进行强制搅拌，使土体与固化剂发生物理化学反应，形成具有一定整体性和一定强度的水泥土复合地基。钉形水泥土搅拌桩原理见图4.2(1)利用土拱效应、应力分布规律等；（2）通过搅拌叶片的伸缩形成桩身截面上大下小类似钉子形状的搅拌桩。图4.2钉形水泥土搅拌桩原理5施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺5.1.1施工工艺流程施工工艺流程见图5.1桩机定位切土下沉缩径下沉提升搅拌扩径提升扩径下沉提升搅拌图5.1施工工艺流程5.1.2成桩施工成桩施工顺序示意见图5.2abfcdea）钻机就位 b）正转喷浆搅拌下钻 c）反转喷浆搅拌下钻d）反转搅拌提升 e）正转搅拌提升 f）成桩图5.2成桩施工顺序示意图a）搅拌桩机到指定桩位并对中，钻杆必须垂直；b）喷浆下沉：启动搅拌机，使搅拌机沿导向架向下切土，同时开启送浆泵向土体喷水泥浆，两组叶片同时正、反向旋转（外钻杆逆时针旋转，内钻杆顺时针旋转）切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到扩大头设计深度；c）施工下部桩体;改变内、外钻杆的旋转方向，将搅拌叶片收缩到下部桩体直径；喷浆切土下沉；两组叶片同时正、反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到设计深度，在村端应就地持续喷浆10秒以上d）提升搅拌：搅拌机提升、关闭送浆泵，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直至扩大头底面标高；e）伸展叶片：改变内外转杆的旋转方向，将搅拌叶片伸展至扩大头径；提升搅拌：提升钻杆，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直到地表或设计桩顶标高以上50cm；f）切土下沉：搅拌机沿导向架向下切土，同时开启送浆泵，向土体喷水泥浆，两组叶片同时正、反向旋转切割、搅拌土体，搅拌机持续下沉，直到扩大头设计深度；g）提升搅拌：关闭送浆泵，两组叶片同时正反向旋转搅拌水泥土，直到地表或设计桩顶标高以上50cm，完成单桩施工。5.1.3打桩顺序a）钉形水泥土搅拌桩属非挤密桩，一般情况下对施工顺序无特殊要求；b）若施工场地一端靠近建（构）筑物，应从靠近建（构）筑物一侧由近向远施工；c）若施工场地一侧靠近边坡，应从靠近边坡一侧由近向远施工，在边坡施工进应采取可靠的防护措施，防止边坡失稳和机械安全。5.2施工操作要点5.2.1施工准备5.2.1.1搞好施工现场的三通（路通、水通、电通）一平（清除施工场区内的障碍物，根据设计桩顶高程平整好施工场地），查清地下管线位置及确定架空电线的位置、净空；5.2.1.2按设计图纸放线，准确定出各搅拌桩位置；5.2.1.3做好包括水电线路、机械设备施工线路、机械设备放置位置、材料堆放位置、运输通道等施工布置规划。5.2.2施工配合比及试桩5.2.2.1配合比钉形水泥土搅拌桩桩身水泥掺入比应根据单桩承载力，通过室内配比确定，水泥掺入量宜为被加固湿土质量的15%18%，水灰比可选用0.550.60，地基含水量高者取小值。根据土质条件可适当选用添加剂,添加剂的选用应先进行室内配比试验。5.2.2.2试桩在没有施工资料和地质条件比较复杂的场地应先进行试桩，并根据设计要求进行施工工艺参数试验，同一工程地质条件下试桩数不应小于3根。试验桩的地质条件应具有代表性，试验桩应与工程桩一致。试验桩应获得以下参数：掌握满足设计单桩喷浆量（由水泥掺入量、水灰比计算）的各种技术参数，如钻杆下沉和提升速度、喷浆压力、断浆量、搅拌机转速、进入持力层电流和钻进速度等（下沉速度0.50.8m/min；提升速度0.71.0m/min；内杆钻速50r/min；外杆钻速70r/min；下沉时喷浆压力0.250.4MPa）。合理选择喷浆口的位置及大小。掌握下沉和提升的阻力情况，选择合理的搅拌钻头形式、电机功率与搅拌叶片的重视倾角等（供参考双搅拌桩机叶片宽度80100mm；叶片厚度2540mm；叶片倾角1020度）。检验室内所确定的配合比、水灰比是否便于施工，是否需要添加外加剂等；检验桩身的无侧限坑压强度是否满足设计要求；检验复合地基承载力是否满足设计要求。在完成试桩一天后，开挖检查，挖除深度在1.5m左右，观察成桩情况。观察搅拌桩外壁水泥土状况，桩身水泥土是否完整，水泥土是否搅拌均匀，是否出现大块水泥或大块土。作试桩时准确完整地做好现场施工记录，包括拌制水泥浆液的灌输、水泥用量以及泵送浆液的时间、搅拌机喷浆提升的速度和次数、以及施工中出现的不可抗力因素和各种问题及解决方法，以便及时汇总分析，确定最优参数。5.3劳动力组织劳动力组织见劳动力组织情况表5.1表5.1劳动力组织情况序号单项人员所需人数备注1管理人员2现场管理2技术人员2现场技术指导3桩机司机2桩机操作4水泥浆制配人员6水泥浆制作5维修工2维修机械7测量员2现场测量放线8实验员1实验检测6 材料与设备6.1 主要施工材料见表6.1序号名称规格数量用途1水泥等级不小于42.5级的中抗硫酸盐硅酸盐水泥3900000（kg）用作配制水泥浆6.2施工机具钉形水泥土双向搅拌桩的施工设备是在常规水泥土搅拌桩施工设备的基础上配备专用的功能性箱体与多功能的钻头，以达到搅拌钻头能自动伸缩、扩大桩体上部处理直径、形成钉形水泥土搅拌桩的效果。施工机具参数见表6.1序号名称技术参数序号名称技术参数1钻进速度/（m/min）0.50.86叶片间距/mm1503002提升速度/（m/min）0.71.07叶片宽度/mm801003内钻杆转速/（r/min）608叶片厚度/mm25404外钻杆转速/（r/min）709叶片倾角/o10205喷浆压力/MPa0.250.4表6.1施工机具参数表施工机具见表6.2序号机具名称台数在搅拌桩中的作用1SJB-1型水泥搅拌桩机2钻孔、旋喷2UBJ-1.8C1型挤压式灰浆泵2对浆液及水加压3泥浆泵2抽泥浆和水4搅拌桶4制浆5高压管若干输送高压泥浆和水表6.2施工机具表7 质量控制7.1 质量控制7.1.1严格控制深层双向搅拌桩的下钻深度以及喷浆高程和停浆面，确保水泥浆液喷入量和喷浆长度满足设计要求。7.1.2为确保水泥土搅拌桩的垂直度，首先应控制导向架的垂直度和起吊设备的平整度。水泥土搅拌桩垂直度偏差不大于1%，桩位偏差不大于5%。7.1.3为保证搅拌桩的成桩质量，水泥浆必须按试验配比进行拌制，并保证其连续喷浆，浆液储存量不少于1根桩的用量。每根桩所需的浆液需1次拌制完成，并在1h内用完。7.1.4水泥浆液应严格按照预定的配合比进行拌制，制备好的浆液不得离析、不得搁置时间过长（一般不超过2小时）；浆液倒入时应加筛过滤，以免浆液内结块，损坏泵体；7.1.5泵送浆液前，管路应保持潮湿，以利于输浆。现场拌制浆液应有专人记录每根桩水泥用量，并记录送浆开始、结束时间等；7.1.6搅拌桩施工时，应先喷浆，保证管道通畅后才能钻进，以减少阻力，避免注浆管扭断，造成断桩。7.1.7桩机操作者与搅浆施工员应保持密切联系，保证搅拌机喷浆时连续供浆。因故需暂停时，应及时通知桩机操作者。为防止出现断桩，等恢复供浆时应在断浆面上下重复搭接0.5m喷浆施工。7.1.8根据成桩试验确定的技术参数进行施工。操作人员应记录每米下沉、提升时间、送浆时间、停浆时间等；7.1.9供浆必须连续，拌和必须均匀，一旦因故停浆，为防止断桩或缺浆，应试搅拌机回到停浆前1m处，待恢复供浆后继续施工。如停浆时间超过3小时，为防止浆液硬结堵管，应先拆除输浆管路，清洗后备用；7.1.9施工中若发现喷浆量不足，应在旁边补桩1根，补桩桩长和喷浆量不得小于设计值；7.1.10钉形桩在扩大头下1m范围内应增加一次喷浆搅拌；7.2质量检测钉形搅水泥土双向搅拌桩由专门的检测单位进行质量检测7.2.1成桩质量检查钉形搅拌桩质量控制应贯穿施工全过程，应坚持全程的施工监理。在施工过程中随时检查施工记录和计量记录，并对照规定的施工工艺对每根桩进行质量评定。检查重点是：水泥用量、桩长、内外钻杆转速、搅拌机提升和下沉速度、停浆处理方法和单桩施工时间等。7.2.2桩身质量检测7.2.2.1钉形搅拌桩成桩7天后采用浅部开挖观察桩体成型情况和搅拌均匀程度，并可检验桩身直径，检查频率为1，且不少于3根。7.2.2.2钉形搅拌桩成形28天后应进行标准贯入试验和取芯进行室内无侧限抗压强度试验，钻孔直径应不小于108mm，以保证试块尺寸；检验桩数应随机抽取总桩的5，且不少于3根。7.2.2.3钉形搅拌桩扩大头部分宜在小直径桩外取芯，通过芯样对桩长、扩大头长度、强度、均匀性等综合评价；7.2.2.4凿除软桩头后长度不小于设计桩长，扩大头高度为3m。桩芯28d无侧限抗压强度应满足表7.1表7.1 桩芯28d无侧限抗压强度 桩身上部（桩顶2/3L）桩身下部（2/3L桩尖）1.0MPa0.8MPa7.3钉形搅拌桩质量检测标准详见表7.2表7.2 钉形水泥双向搅拌桩质量检测标准 项目序号检查项目容许偏差值检查方法检查频率单位偏差值保证项目1桩径不小于设计值钢卷尺量测2%2桩长不小于设计值或电流、钻进速度控制值钻芯取样结合施工记录100%3扩大头高度不小于设计值钻芯取样结合施工记录0.5%4水泥掺入量不小于设计值查施工记录100%5桩身强度不小于设计值标贯试验和强度试验0.5%6承载力不小于设计值荷载试验0.1%7水泥质量符合国家标准送检2000m3且每单项工程不少于一次一般项目1提升和下沉速度m/s0.05测单桩下沉和提升时间10%2水灰比g/cm30.05水泥浆比重每台泵不少于一次3外加剂1%按水泥重量比计量每台泵不少于一次4喷浆量1%标定每台泵一次允许偏差项目1桩位mm50钢卷尺量测2%2垂直度1%测机架垂直度5%3桩顶标高mm+30，-50扣除桩顶松散体2%7.4承载力的检测钉形搅拌桩复合地基承载力检验应采用复合地基静载试验和单桩载荷试验。载荷试验必须在桩身强度满足载荷试验条件，并宜在成桩28d后进行。检验数量为总桩载的2，且每个单项工程不少于3点。8 安全措施8.1安全控制措施 除应遵照现行有关安全规定外，严格按操作规程作业，不得违章操作，还应采取如下措施；8.1.1落实安全责任制，建立健全各种规章制度。8.1.2统一指挥，各负其责，机械操作手必须经过培训方能上岗。现场人员必须配戴安全帽。8.1.3每工班必须配有专职安全员值班，并对施工现场、电力、电线等全面检查，清除事故隐患。8.1.4机械设备应经常维修保养，并严格交接班组制度。9环保措施9.1.1 认真执行环境保护法、环境噪声污染防治法、水污染防治法、水土保持法、大气污染防治法、森林法等有关法律规定。9.1.1 成立对应的施工环境卫生管理机构，加强对施工燃油、工程材料、设备、废水、生产生活垃圾、废渣的控制和治理，遵守有关防火及废弃物处理的规章制度，随时接受相关单位的监督检查。9.1.2 将施工现场和作业限制在工程建设允许的范围内，合理布置，规范围挡，做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工现场文明整洁。9.1.3 对施工中可能影响到的各种公共设施制定可靠的防止损坏和移位的实施措施，加强实施中的检测、应对和验证。同时，将相关方案和要求向全体施工人员详细交底。9.1.4 做好弃渣及其他工程材料运输过程中的防散落与沿途污染措施，废水除按环境卫生指标进行处理达标外，并按当地环保要求的制定地点排放。弃渣及其他工程废弃物按工程建设制定的地点和方案进行合理堆放和处理。9.1.5 优先选用先进的环保机械。采取设立隔音墙、隔音罩等消音措施降低施工噪音到允许值以下，同时尽可能避免夜间施工。9.1.6 对施工场地道路进行硬化，并在晴天经常对施工通行道路进行洒水，防止尘土飞扬，污染周围环境。9.1.7施工完成后，对施工便道、场地的遗弃物进行清理平整，尽量恢复地面的天然状态。10 效益分析10.1 经济效益从现已完成的工程实例看，钉形水泥土双向搅拌桩类似钉子形状，上部扩大头起到类似承台的作用，扩大头作用以及环形对称边载效应，可成倍增大桩间距，不需加筋垫层，大大节省了工程造价。从现有的已完成的工程实例看，其综合经济效益比常规水泥土搅拌桩节省投资约25%，本项目每延米利润为30元，总利润为2051160元。10.2技术分析钉形水泥土双向搅拌桩由于桩身结构的更趋合理，它能搅拌均匀，上层叶片的同时反向旋转，阻断了水泥浆上冒途径，强制对水泥浆就地搅拌，冒浆现象彻底解决；对桩周土体扰动小，受力合理，能将上部荷载传到地基深处，减小复合地基沉降，与常规水泥土搅拌桩相比复合效果更佳，10.3 社会效益在中央大道跨津晋高速公路施工中，该工法施工工艺先进，施工过程无环境污染，比常规水泥桩施工进度快强度高等优点。在施工过程中多次得到业主和监理的肯定，受到社会各界的一致好评。社会效益显著。10.4 环境效益本工法施工，减少了施工噪音的排放，对施工产生的固废、粉尘、污水排放能够有效控制，环境效益明显。11 工程