深层水泥土搅拌法是在石灰搅拌法的基础上发展起来的，20世纪50年代起源于美国，后在日本得到推广应用。该法是利用水泥作固化剂，通过特制深层搅拌机械 将土和水泥进行搅拌，利用水泥的固化胶结性能使土-水泥混合体硬结成具有整体性、水稳定性(抗渗性)和一定强度水泥土的一种地基处理方法。因此，该法既能 加强土体强度，又能增强土体抗渗性能，常用于地基处理工程中。在我国，该法还常被用于构建基坑止水帷幕，坝基加固防渗、闸基防渗等项目。该法加固深度一般 在15~25m之间，也偶见深达30余米的案例，但超过40m的水泥土搅拌桩应用在国内还未见报道。由于缺少施工经验和可借鉴的工程实例，对超深水泥土搅 拌桩成桩质量和加固效果的检验就显得尤为重要。


本文结合上海轨道交通9号线工程加固深度为45m和60m的三根三轴水泥土搅拌桩进行钻心取样施工过程，重点分析讨论了超深水泥土搅拌桩的渗透性能。


1 工程概况


该工程系9号线二期3标土建工程源深路中间风井三轴搅拌桩水泥土墙，位于浦东新区杨高路与世纪大道交汇处。为减少第⑦层土承压水对杨高路下立交的影响，采用搅拌桩对第⑦层及其以上各土层进行地基加固及构建止水帷幕。加固区土层分布及其相关参数见表1。
本工程采用高度2lmDH608-120M桩机，悬挂日本三和株式会社生产的MAC-240-3B(ø850)三轴搅拌机具，采用现场连接钻具的方式进行三轴搅拌桩水泥土墙施工。本文研究的水泥土芯样来自三根长度超过40m的水泥土搅拌桩，相关参数见表2。





2 钻孔取芯及室内渗透试验


试验按国标《钻心法检测混凝土强度技术规定》(CECS03：88)、《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)及上海市标准《钻心法检测混凝土强度技术规程》(DB/TJ08-002-98)执行。


2.1 钻孔取芯


成桩后28d使用油压GXY-1型工程地质钻机，配以外径108±0.20mm、内径100±0.20 mm的合金钢钻头对搅拌桩取芯。考虑到桩长较长，为保证钻芯不偏出桩身，除配备必要的纠偏工具外，钻孔中心定在距桩中心附近位置。

取芯时严格控制回次进尺，每回次不超过1.5m，取芯率>60%。

对钻取芯样进行鉴定、描述并记录(见表3)。


2.2 室内试验

2.2.1试样加工

切样时做到两端面平整。水平向渗透试验时，确保加工好的芯样上下表面与原芯样轴线垂直；垂直向渗透试验时，确保加工好的芯样上下表面与原芯样轴线平行。将试件切割放入环刀中，用蜡将试件与环刀间隙封好。这一环节很重要，可确保试件与环刀间隙不渗水。

对加工好的试件进行标记，填写试验表格，录入试件信息要包括所在深度及方向(垂直或水平)。将加工好的试件按要求进行饱和、备用。

2.2.2 变水头渗透试验

本次试验采用QYI-2型土壤渗水渗压测定仪。

(1) 将饱和的试件装入容器，在环刀外套上“O”形止水圈，放上定向垫片，旋上压紧螺丝，装上透水石和传压块(见图1)；

(2) 根据试验要求施加相应的压力；

(3) 打开渗流阀门产生渗流，记下计量管某一读数为起始水头，开动秒表，当水头下降至某一读数时，记下渗流时间，按此重复两次。


图1 试件的抗渗试验
3 试验成果及分析


由于试件的加工对原始桩芯的要求较高(需要芯样保护完好及具有足够高度)、加工过程繁琐、人为损坏难以避免以及试验目的主要是检测深层土体的渗透性能等因素，并不是所有土层均有试件参加试验。最终满足要求的试件分布在第④，⑤1-2，⑥，⑦1-1，⑦1-2，⑦2层。


3.1 试验结果整理

试验测得的变水头渗透系数按下式计算：
k t=2.3 a L /〔A (t2-t1)〕log H1 / H2 (1)
式中：a一变水头管的断面积(cm2)；

2.3一ln和log的变换因数；

L一渗径(cm)；
t1，t2一分别为测读水头的起始和终止时间；
H1，H2一分别为起始和终止水头。

渗透系数修正：为了消除温度对试验结果产生的影响，根据试验时的水温，按下式计算标准温度下的渗透系数k 20：

k 20= k T η T / η 20 (2)
式中：k 20一标准温度时试样的渗透系数(cm/s)；
η T一T0C时水的动力粘滞系数(kPa·s)；
η 20一200C时水的动力粘滞系数(kPa·s)。


3.2 试验结果分析

试验结果表明：水泥土搅拌法对于黏性土(第④，⑤1-2，⑥层)与砂性土(第⑦1-1，⑦1-2⑦2层)的渗透加固效果明显不同。


3.2.1 黏性土层加固效果

对试验结果整理分析后发现，对于黏性土，水泥土搅拌法对土体的抗渗性能并未起到改善作用。相反，与原状土相比，各层土渗透系数均有所增大。如图2和图3所示(两图中左→右依次为④、⑤1-2、⑥层)。


从图2和图3中可以看出，无论是水平渗透系数还是垂直渗透系数都较原状土有不同程度的增大，特别是第④层土增大程度更加明显。对比而言，三个土层水平渗透 系数的增大较垂直渗透系数的增加要明显。这种现象在国内其他工程中也曾出现过。结合取芯试桩参数(见表2)及芯样描述(见表3)，可以推测：在黏土层范围 内抗渗性能无改善的原因是施工过程破坏了原状黏性土层致密结构，而由于土自身的黏性使得对该范围土层搅拌不均匀、不充分，出现局部浆液富集和黏土成块的现 象，形成的水泥土固结体不如原状土结构致密，从而造成渗透系数的增大。因此，为确保黏性土层水泥土搅拌桩的施工质量，必须要加强施工管理，提高工艺水平， 根据土层调整施工参数，确保搅拌均匀。这其中包括确保水泥用量，控制提升和进尺速度，喷浆后的搅拌次数，均匀喷浆及实时监控搅拌桩各项参数指标等。


本工程中，虽然黏土层范围内渗透系数并没有降低，但试件的渗透系数数量级仍在10-6~10-7之间。一般情况下该数量级能够满足建造地下设施时对土体抗渗的要求。

3.2.2 砂性土层加固效果

第⑦1-1，⑦1-2，⑦2土层是本工程处理的重点，该范围内芯样渗透试验数据见表4~表6。

分析对比试验数据发现：


(1) 所有水平渗透试验样本中，渗透系数数量级10-6的占60%、10-7的占35%、10-8占5%；所有垂直渗透试验样本中，渗透系数数量级10-6的占54.5%、10-7的占24.4%，而其余样本值达到了10-8；加固后三个土层的渗透系数均值均有大幅降低，降低大约200~340倍，数量级由原来的l0-4，降低到了10-6，l0-7。可见，水泥土搅拌法改善砂性土层抗渗性能的效果是非常显著的。


(2) 加固区不同位置加固体渗透系数的变异系数除个别土层较小，其余数值都比较大。同一个钻孔不同芯样渗透系数变异系数较大，即渗透系数值的离散性较大。这说明 同一根桩、同一土层水泥土固结体质量不均匀。该工程中水泥土搅拌法对砂性土层抗渗性能的改善效果不够平均，需总结经验，提高工艺水平，保证同土层施工效果 的平均性。






4 结语

(1) 虽然超深搅拌桩加固性能尚可，但仍然存在不均匀性。这是因为黏性土自身的黏性使得该范围土层较难搅拌均匀，出现局部浆液富集和黏土成块的现象，从而造成加固后渗透系数的增大，导致抗渗性能改善效果不理想。

(2) 用水泥土搅拌桩法处理上海地区第⑦层砂性土层，能明显降低加固区抗渗系数，提高该区域的抗渗性能，有效起到止水作用。然而，在黏性土、砂性土中，加固后的抗渗性同样存在不均匀性，且同土层加固体渗透系数离散性较大。

(3) 本工程中，长度超过40m的水泥土搅拌桩的成功应用，证明了上海地区具备了应用超深水泥土搅拌法的机械设备条件和技术水平。但黏性土加固后渗透系数的增加 及砂土加固后渗透系数较大的离散性说明超深水泥土搅拌桩的施工工艺还有待进一步改进，要不断积累经验，进一步提高工艺水平和施工质量。

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文章来源： 永年加固公司
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