欧红亮 龙海飚 赵丽娟 刘冉

中交第四航务工程局有限公司 中交第一公路勘察设计研究院有限公司

摘 要：水泥土搅拌桩是国内常用于淤泥、淤泥质土等软土的加固处理方法。根据喷入地基土中固化剂的形态进行分类，现主要采用浆喷法、粉喷法作业两种工艺。通过对不同工法的加固机理、施工设备、施工工艺进行研究分析，以明确两种工法的差异、适用条件。再通过实际工程检测数据与自动化监测数据的对比分析，得出两种工法的实际施工效果及利弊，并提出实际使用建议。

关键词：水泥搅拌桩;粉喷桩;浆喷桩;加固剂;钻芯取样;监测数据;

水泥土搅拌桩是目前加固各种成因饱和软黏土最成熟、最常见的处理方法，国内常用于淤泥、淤泥质土等的加固。水泥搅拌桩以不同状态的水泥作为加固剂，通过专用的输送装置将加固材料喷入地基中，利用搅拌设备将其与原位地基土强制搅拌，使软土与加固剂发生一系列水化、固结反应，从而减少土中自由水含量，生成强度较高的水化物，形成团粒结构，将软土硬化为有一定强度的优质地基，满足上覆建筑物承载力及变形要求。

水泥搅拌桩喷入地基土中固化剂的形态分为水泥浆液和水泥粉体，形成浆喷法和粉喷法两种加固工艺。其中粉喷法加固主要适用于含水量较高的软土层。两种工法施工机械、施工方法相差较大，工法的选择直接影响成桩质量、地基加固效果。

我国分布着深厚而广泛的软黏土层，在软黏土地区水泥搅拌桩应用较多。本文依托工程在进行软基处理时采用水泥搅拌桩，并根据沿线地质条件采用粉喷法、浆喷法两种不同工艺进行水泥搅拌桩施工。通过对不同段落施工桩体钻芯取样结果以及自动化监测设备采集数据的对比分析，对水泥搅拌桩在软基处理中施工工艺的选取与应用效果进行分析、研究、评价，可为软土地区水泥搅拌桩工法选取提供参考依据。

1 浆喷法、粉喷法水泥搅拌桩加固机理及施工差异

水泥搅拌桩加固的基本原理是基于水泥土的物理化学反应过程。浆喷法、粉喷法施工最大的差异是加固剂的含水量，主要影响水泥土反应速度，影响强度增长的速度以及加固效果。但两者的加固原理一样。

浆喷法、粉喷法作业的加固原理虽然一样，但由于施工机械、控制因素与加固剂的形态不一，造成两种施工工法适用条件及加固效果差异较大。

1.1加固机理

1.1.1水泥的水解和水化反应

水泥主要由CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3及S2O3等成分组成。水泥里面的这些矿物可与地基中自由水发生水解和水化反应，如生成可溶于水的氢氧化钙、水化硅酸钙，直至达到饱和，以胶体析出。水泥中少量的CaSO4与水反应生成水泥杆菌，可将土体中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，且减少量达水泥杆菌重量的46%。水解和水化反应的进行，使自由水减少，析出的水化物改善了软土含水量高、强度低的弊端。

1.1.2黏土颗粒与水泥水化物的作用

软黏土颗粒表面带有钠离子和钾离子，与水化反应产物钙离子易发生当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，表面积增大1 000倍，具有强烈的吸附活性，使土团粒结合构成团粒结构，形成密闭的结构体，从而增强软土的结构性，使软土强度大大提高。

水泥水化反应生成的不溶于水的稳定结晶化合物在水和空气中逐渐硬化，并且随着时间的增长生成更多的结晶后向外扩张，形成致密的空间网状结构，使土体与水泥相融合，增大了水泥土的强度与水稳定性。

1.1.3碳酸作用

水泥生成的水化物与水和空气中的二氧化碳发生反应，生成不溶于水的碳酸钙。不溶解物质的生成促进了水泥土强度的增加。其中，水泥水化物中CAH的碳化反应速度较快，对地基土强度提高幅度较大。

1.2设备及施工差异

1.2.1设备差异

浆喷桩机和粉喷桩机设备最大差别在于：(1)钻杆提升设备分别采用钢丝绳、链条；(2)由于加固剂状态不同，浆喷时为流体状，采用管体泵送入土体内部，而粉喷时为粉粒状，采用压缩空气输入粉体。

1.2.1.1传动、提升系统

(1)浆喷桩机由电动机提供整机的动力，通过主离合器、变速箱、正反档变速箱蜗杆减速箱、转盘以及钢丝绳等组成的卷扬系统，带动钻杆实现钻机的钻进，使钻具钻进或提升。

(2)粉喷桩机由电动机提供整机的动力，通过皮带轮、摩擦离合器、变速换向器、万向轴和转盘带动钻具正、反向旋转，通过上塔链条输入动力，带动塔架中的加减压链条上下运动，使钻具钻进或提升。

1.2.1.2加固剂传输系统

(1)浆喷桩机以水泥浆作为固化剂，通过输浆管将浆液泵送输入土体中，通过搅拌头将水泥浆和软黏土拌和均匀，形成桩体。

(2)粉喷桩机以水泥或石灰等粉体为固化剂，通过粉体发送器定时定量发送粉体材料，以空气压缩机为风源，克服喷灰口处土及地下水的阻力将粉体喷入土中；通过叶片的机械搅拌作用，使灰、土混合，形成加固桩体。

1.2.2施工工艺差异

(1)浆喷法的施工顺序为：就位、预搅下沉、制备水泥浆、喷浆搅拌提升、重复搅拌下沉和提升、清洗、移位。

(2)粉喷法的施工顺序为：就位、钻进、提升、成桩。

浆喷和粉喷法施工工艺略有区别。浆喷桩机施工暂停或结束时需及时清洗管路中的水泥浆，直至基本干净；浆喷法、粉喷法一般都可通过复搅的方法提高桩体质量，其中浆喷法由于介质难搅拌，必须进行全桩身重复搅拌一次，而粉喷法可根据实际情况进行复搅。

2 浆喷法、粉喷法水泥搅拌桩在各试验段的应用

2.1工程概况

本工程段场地大部分区域为海积平原区，占工程段路线总长的92.98%,长约12 715 m。淤泥、淤泥质软土广泛分布于沿线海积成因的滨海平原内，厚度为25.00～42.00 m, 主要力学指标见表1。其具有埋藏浅、厚度变化大、含水量高、强度低、压缩性高、渗透性差、固结时间长等特点，路基填筑后沉降量大，沉降时间长。另外，其还具有不均匀沉降的特点。由于路堤轴线下应力集中，而路堤边缘应力相对扩散，所以路堤轴线下路基土沉降量大。柔性路面将因之而产生不均匀沉降。在与桥梁桩基接壤地段，也将产生不均匀沉降。因此，深厚软土地区公路易发生路基侧向滑移、过量沉降、不均匀沉降、桥头跳车及桩基缩径等问题。为此，需进行地基处理，主要采用水泥搅拌桩处理。

表1 工程段主要地层力学指标

2.2浆喷法、粉喷法水泥搅拌桩应用

根据项目现场地质条件及局部段落周围场地的用途，采取不同的施工工艺。K10段附近周边农田均为鱼塘，土层含水量较高，采用粉喷法施工；K14段外侧已修建海堤，项目场地范围农田被抽干翻晒，土体内含水量偏低，采用浆喷法施工。

设计参数为：K10段设计水泥搅拌桩长为15～18 m, 间距为1.1～1.4 m, 桩径d=0.5 m; K14段设计水泥搅拌桩长为10 m, 间距为1.4 m, 桩径d=0.5 m。搅拌桩采用正三角形布置。搅拌桩材料采用42.5号普通硅酸盐水泥，水泥掺量宜为被加固湿土质量的12%～20%。浆喷法水泥浆的水灰比可选用0.45～0.55,桩体设计掺灰量不少于 65 kg/m。桩体设计强度为：28 d无侧限抗压强度不应小于0.8 MPa; 90 d无侧限抗压强度不应小于1.3 MPa。单桩承载力特征值不应小于74 kN。

为对比两种施工工艺的效果，分别在施工K10+106～K10+126、K14+381～K14+681两个段落时安装水泥搅拌桩监测系统。该监测系统可用于记录桩机施工的各个桩长以及沿桩身的浆量、钻杆速度、内外钻杆电流、钻杆前后/左右倾角等参数，可用于判断桩身质量。

3 浆喷法、粉喷法水泥搅拌桩加固评价

粉喷法水泥搅拌桩加固原理与浆喷法一致，但由于加固剂采用粉末状，搅拌技术不完善，压缩空气输送粉体量不易控制，以致施工质量在早期出现了很多问题。很多地方明确暂停使用粉喷桩，但近些年已开始扩大应用。现通过对依托项目的两种工法施工效果进行检测，对各个工法的适用条件以及加固效果进行研究分析。

(1)浆喷法、粉喷法施工水泥搅拌桩现场钻芯取样结果分析。

桩长控制基本是由钻杆的钻进长度来控制，取决于施工人员操作经验，与施工工艺无关。K10段采用粉喷法、K14段采用浆喷法，施工检测结果显示，桩长均能满足要求且不受施工工艺影响，见表2。

表2 K10段和K14段钻芯取样检测结果对比分析

由施工后桩身强度判断，浆喷桩施工质量要优于粉喷桩。浆喷桩桩身抗压强度基本在1.4 MPa以上，离散性较小：桩身长度大于10 m时，抗压强度值偏小，基本为1.4～1.6 MPa; 桩身长度不超过10 m时，抗压强度值略大，基本为1.6～1.8 MPa。粉喷桩桩身强度基本在1.6 MPa以下，离散性较大：桩身长度大于10 m时，抗压强度值偏小且离散较大，基本为1.1～1.6 MPa; 桩身长度不超过10 m时，抗压强度值略大，基本为1.3～1.6 MPa。

根据浆喷桩的芯样均匀度、完整性判断，其施工质量要优于粉喷桩。浆喷桩桩身整体连续，且桩身材料搅拌均匀。根据钻芯取样结果对比可知，粉喷桩桩身均匀性一般，芯样完整性可满足要求但较浆喷桩差。

通过以上实际取样与试验结果对比得知，随着粉喷法施工技术的发展以及相关技术规范的完善，目前粉喷法施工已经完全能满足规范要求；但相较于浆喷法施工，其除桩长无影响外，其他如桩身抗压强度、桩身整体性及均匀性等离散性较大，施工质量略差。

(2)监测系统采集的桩长、灰量数据结果分析。

本次所抽取数据，主要是桩长为10 m的水泥搅拌桩监测数据，见表3。

从监测结果分析可知，两种施工工艺的桩长相差不大，基本都能满足要求。粉喷法节省了水泥制浆时间，下钻速度也较快，但为保证施工质量，采用了两次搅拌，成桩平均时间为2 500 s, 为浆喷桩成桩时间(为1 500 s)的1.7倍。另外，粉喷桩采用灰量明显较浆喷桩节约。

但通过施工监测可知，粉喷桩监测数据不稳定，桩长以及灰量均有明显的错误。如：桩长监测数据出现连续的1 m～2 m的错误数据，灰量监测数据出现连续小于10 kg的错误数据。

表3 K10段和K14段自动化监测数据对比分析

针对以上自动化监测数据对比分析可知，粉喷法施工远程监测仪器尤其是粉体计量仪，由于粉体易发生结块、粉体计量较流体困难等原因，自动化监测结果易发生错误，对仪器的维护较频繁；粉喷法施工质量较难保证，为确保桩身质量，需较浆喷桩增加搅拌次数从而减慢施工进度；施工采用加固剂不需进行拌和，减少了材料浪费。

综合钻芯取样检测数据结果与自动化采集数据结果可知，浆喷法、粉喷法施工现有技术均可满足工程要求。但在一般软土地区或含水量略高的软土地区，采用浆喷法施工，桩身施工质量、施工进度均较粉喷法施工效果好，仪器设备均比粉喷法施工成熟，桩长均可满足设计要求。但随着桩长加长，两种工法施工质量均会减低，且粉喷法施工变化幅度较大。在含水量高的软土地区，由于水分较多，除参与加固反应外还有多余自由水，仍会降低加固土层的物理力学性质，所以建议采用粉喷法施工。

4 结语

(1)浆喷法与粉喷法作业相比，加固原理一样，但加固剂状态不一样，直接影响水泥土反应速度，影响桩体强度增长的速度以及加固效果。

(2)浆喷桩机和粉喷桩机采用不同的钻杆提升设备、加固剂泵送设备，施工工艺略有差异。浆喷桩机采用钢丝绳提升钻杆、管体泵送浆液；粉喷桩机采用链条提升钻杆、压缩空气输入粉体。浆喷桩机施工时需及时清洗管路中的水泥浆，且必须全桩身复搅一次；粉喷桩机施工无需清洗管路，复搅可根据实际情况确定。

(3)根据钻芯取样检测结果对比可知，随着水泥搅拌桩的发展以及相关技术规范的完善，两种施工工法均可满足规范要求。但浆喷法施工质量仍明显优于粉喷法，仅桩长不受工法影响。浆喷桩桩身整体连续，且桩身材料搅拌均匀；粉喷桩桩身均匀性一般，芯样完整性一般，桩身抗压强度值偏小且离散性较大。

(4)根据自动化监测数据对比分析可知，由于粉体易发生结块、粉体计量较流体困难等原因，粉喷法自动化监测结果易发生错误，仪器的维护较频繁；粉喷法施工质量整体较差，为确保桩身质量，搅拌次数明显高于浆喷法，从而减慢了施工进度。

(5)粉喷法、浆喷法施工现有技术均可满足工程要求。在一般软土地区或含水量略高的软土地区，浆喷法控制桩身质量、施工进度效果较好，仪器设备应用成熟，施工质量随桩长增加变化幅度小。但在含水量高的软土地区，由于水分较多，除参与加固反应外还有多余自由水，建议仍采用粉喷法施工。

参考文献

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