曹 慧 许利东 涂 伟 赵湖潮

云南建投基础工程有限责任公司 云南 昆明 650501

0 引言

云南泥炭类土作为一种特殊土，具有孔隙比大、含水量高、压缩性高、天然密度小、抗剪强度低、有机质含量高、结构性强且极不稳定、流变性强、固结慢等多种特殊工程特性。其状态多为流塑-软塑状态，局部可达可塑状态。其间分布有淤泥、粉质黏土、粉土或粉砂透镜体。

与其他省份的泥炭土相比，云南地区的泥炭土分布更加广泛、含水量及孔隙比更高、区域性更强。深厚泥炭质土地质环境条件下的各类工程建设通常面临诸多难点。

三轴深层搅拌桩是水泥搅拌桩的常用类型之一，其主要利用水泥作为固化剂，是软土地基处理的一种有效形式，被广泛用于基坑工程止水帷幕施工。由于泥炭质土的特殊工程性状，故在深厚泥炭地质环境下进行三轴深层搅拌桩施工通常会面临以下几个难点：

1）泥炭质土中的有机质含量一般都大于10%，部分区域高达40%，并且具有一定的弱酸性，水泥与有机质不能有效地发生化学反应，搅拌后的土体有可能不凝固或发生后期崩解。

2）泥炭质土天然密度小、流变性强、固结慢，在三轴搅拌桩施工过程中会造成附近地面沉降，影响周边环境。

3）若注浆压力偏大，则返浆现象严重，既浪费资源又污染环境；若注浆压力偏小，则不能有效地将泥炭质土中的有机质置换出来，土体得不到充分搅拌，成桩质量难以保证[1]。

1 工程实例

1.1 工程概况

应用工程建设场地位于昆明市西山区，设2层地下室，基坑开挖深度约11 m，设计采用三轴搅拌桩作为全封闭止水帷幕。

1.2 工程地质条件

场地地貌属于滇池湖相沉积盆地西南部地段，拟建场地钻孔揭露深度范围内地基土层以厚度较大的第四系湖相松散堆积层为主。

钻孔揭露深度内地表浅部多分布有厚薄不均的人工杂填土层，其下则主要以厚度较大的黏性土及粉土互层为主，其间多夹有机质黏土等软弱土层。基坑底以上土层为杂填土、硬壳层黏土、很厚一层软弱层泥炭质土、软塑状黏土。

1.3 基坑止水方案分析

场地内存在的主要地下水为上层孔隙潜水，基坑底以上土层多为弱透水层，基底以下有一层透镜体粉土层，粉土层内含微承压孔隙水，且孔隙潜水和微承压水对基坑开挖影响不大。

基坑开挖施工需要采取降水措施，宜采用隔离、疏干和减压结合的止水体系。基坑采用单排三轴深层搅拌桩作止水帷幕，且止水帷幕的主要作用为防止桩间软土的坍塌。

由于基坑开挖范围内存在一层很厚的泥炭质土，该层土呈软-流塑状态，饱和，高-超高压缩性，高孔隙比，高含水量并具高塑性，有机质含量22.5%～41.5%，平均38.8%，是昆明俗称的“草煤”层，为典型的软弱土层。通常基坑工程中采用水泥土桩作为止水帷幕，但本工程泥炭质土层中含有高含量的有机质，在有机质土层中进行水泥土成桩后开挖试验，发现该有机质土与水泥浆液很难发生化学反应，普通水泥土桩起不到止水的作用，也起不到防止桩间流土的作用。所以，在该软土层中采用水泥土桩时，本质是将有机质置换出来或是通过配制合理的浆液，让有机质与浆液能够充分发生化学反应，成为共同固结体。

2 三轴搅拌桩施工改进原理

三轴深层搅拌施工是采用三轴型钻掘搅拌机在现场向设计深度进行旋转掘进，同时在灰浆系统及高压风系统的配合作用下，在钻头处喷射出浆液，钻头及螺旋钻杆将浆液与土体反复混合搅拌，在各桩单元之间采取重叠搭接咬合的方式施工，使土体的均匀性、自立性、密实度、抗压强度、渗透性等性能参数指标提高，从而满足设计需求的一种施工工艺[2]。

2.1 有机质置换工艺

在三轴深搅桩喷浆搅拌之前，增加1道置换有机质土的施工工序，对泥炭质土层中的有机质进行部分置换，置换工序为：三轴钻机定位→配制浓度较低的水泥黏土浆液→钻机下沉至泥炭质土层层顶→开始搅拌喷浆→搅拌喷浆至泥炭质土层层底→钻机停止下钻并持续送风，送风搅拌5 min→钻机边搅拌边提升至泥炭质土层顶部→停止送风喷浆→清理地表有机质（图1）。

图1 有机质置换工序

2.2 土体改良机理

部分有机质置换出来以后，进行搅拌桩的施工，施工技术措施中最重要的一项是充分改良喷浆浆液，添加合理比例的外加剂，使浆液能够与有机质发生化学反应，从而达到改良土体的目的。

三轴搅拌桩注浆浆液的配制采用在普通硅酸盐水泥中加入磷石膏、活性粉煤灰，使浆液能与有机质充分发生化学反应，同时加入黏土，提高搅拌土体的塑性强度，以达到增加土体强度、保证成桩质量的效果。

1）本浆液水泥掺入量约为20%，水灰比为1.2～1.5，将配比浆液和泥炭质土充分搅拌后，浆液中的水泥发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙及水化铁酸钙等化合物，主要反应如下：

这些化合物能迅速溶解于水，使得水泥颗粒表面又重新暴露出来并重复上述作用，直至周围溶液逐步达到饱和，水继续深入水泥颗粒内部后所生成的化合物不再溶解，而是以细小的分散状态的胶体析出，悬浮在溶液中，形成胶体。水化产生水化硅酸钙，能够对泥炭质土起到良好的胶结作用，填充孔隙率的作用较小。在泥炭层处，纤维状水化硅酸钙附着在孔壁上，提高了孔壁土体的整体性，但未能有效填充泥炭层土体的孔隙来减少孔隙造成的强度损失。随着水泥水化反应的深入，溶液中不断析出大量的钙离子，当其超过需要的离子交换量后，在碱性环境中，它将与部分组成黏土矿物的化合物发生反应，生成不溶于水的稳定结晶化合物，使水泥土的强度增加。

2）在浆液的配制中加入水泥质量3%的凝石膏，其主要成分为CaSO4，能与水泥水化产物3CaO·Al2O3一起与水发生反应，生成“水泥杆菌”化合物。其反应为：

3CaSO4＋3CaO·Al2O3＋2Ca(OH)2＋32H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

反应产生的钙矾石，含有32个结晶水，在其生成过程中，体积增加120%左右，由于其体积膨胀，填充和压缩孔隙，改变了土体中的孔径分布，使孔隙细化、孔隙量减少，提高了加固土体强度。在泥炭质土中，由于有机物质含量高，水泥凝结效果差，石膏具有早凝性，凝石膏的掺入可以使水泥土早期强度形成，使得泥炭层水泥土进一步凝结硬化，后期强度亦有显著提高。

3）掺入水泥质量15%的活性粉煤灰，粉煤灰中活性部分能与水泥水化产物氢氧化钙起化学反应，生成水硬性胶凝材料，增强水泥凝结作用，凝结硬化后能提高水泥土强度。同时由于消耗了水泥水化产生的氢氧化钙，可以促进水泥进一步水化。

4）掺入水泥质量50%的黏土颗粒，选用塑性指数大于17、土粒细、分散程度高、比表面积大、交换量大的黏土。黏土中主要矿物为蒙托石、伊利石和高岭石，蒙托石、伊利石亲水性强并具有强烈的膨胀性。黏土水泥浆颗粒比单液水泥浆的颗粒要细小得多，有利于微细裂隙的充填和扩散。

3 施工前准备工作

1）场地平整：清除桩位处的地表及地下障碍物，在低洼区回填黏土。

2）材料：水泥采用42.5级普通硅酸盐袋装水泥以便于计量，使用前对水泥取样送检，确保合格。黏土采用塑性指数大于17，粒径小于0.05 mm占50%左右的黏性土。

3）机械设备：主机采用三轴型钻掘搅拌机，配套机械主要有灰浆拌和机、集料斗、灰浆输送泵、控制柜、计量装置及空气压缩机等，计量装置施工前必须经过计量标定后才能使用。

4）试桩：三轴深层搅拌施工中搅拌次数越多，拌和越均匀，水泥土的强度也越高。但是搅拌次数越多，施工时间也越长，工效也越低。试桩的目的是为了寻求最佳的搅拌次数，确定最佳水灰比、泵送时间、泵送压力、搅拌机提升速度、提升时钻头反转速度、下钻速度、搅拌遍数、复拌遍数、复拌深度、单位时间注浆量以及每延米注浆量等参数，以指导下一步水泥搅拌桩的大规模施工。在正式开始施工前，选取代表性工点，进行2根试桩，取得符合设计要求的工艺控制数据[3-4]。

4 三轴搅拌桩施工操作要点

4.1 技术准备

1）详细分析地质勘察报告，确定泥炭的分布、埋深及厚度，特别重视土质中有机质的含量、可溶盐的含量、烧失量以及地下水的pH和硫酸盐含量。

2）清除地面和地下障碍物，场地低洼处先抽水和清淤，分层密实回填黏性土，确保桩机站位处地基稳定。

4.2 确定浆液配合比

通过水泥土室内配合比试验及试桩结果，确定水灰比、外加剂掺入量、外掺剂对水泥强度的影响，求得龄期与强度关系，为设计计算和施工工艺提供参数。水泥土室内配合比试验应符合JGJT 223—2011《水泥土配合比设计规程》，外掺剂质量应符合相关规范规程。

4.3 制备浆液

按室内试验和成桩工艺试验确定的配合比拌制水泥浆，浆液制备过程中，应满足下列要求：

1）浆液的配合比为水∶水泥∶黏土∶活性粉煤灰∶凝石膏＝（120～150）∶100∶50∶15∶3。

2）水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5。

3）粉煤灰采用一级或二级粉煤灰，配制浆液之前应按照国家标准GB/T 1596－2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中相关规定，针对其细度、需水量比、烧失量、含水量及三氧化硫等项目进行检验。

4）按照一定比例加入外加剂三乙醇胺、木质素黄酸钙。

5）待压浆前将水泥浆倒入储浆桶中，制备好的水泥浆滞留时间不得超过2 h。

6）施工中所使用的水泥应过筛，制备好的浆液不得离析，泵送应连续进行。应记录搅拌水泥浆液的罐数、水泥和外掺剂用量以及泵送浆液的时间；喷浆量及搅拌深度采用国家计量部门认证的监测仪器进行自动记录。

4.4 钻机就位钻进

1）设备就位后必须保持平稳，确保施工过程中不发生倾斜、移动。要注意保证机架和钻杆的垂直度，其垂直度偏差不得大于1%，施工中采用吊锤观测钻杆2个方向的垂直度并用平水尺测量机架的调平情况，如发现偏差过大，应及时调整。

2）水泥搅拌桩开钻之前，应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象，待水排尽后方可下钻。

4.5 有机质部分置换

1）制备低浓度水泥黏土浆液，浆液水灰比为1.5～2.0，并加入水泥质量10%的黏土（黏土可就地取材）。

2）三轴搅拌桩机就位，进行下沉搅拌，待钻头及出浆口进入泥炭质地层时，开启注浆泵及空压机，空压机压力为0.5 MPa，搅拌下钻时下沉速度不大于1.0 m/min，直至下钻至泥炭质土层层底，停止下钻并持续送风搅拌5 min。

3）提升三轴搅拌桩机，持续送风喷浆搅拌至泥炭质土层层顶，停止注浆泵及空压机，并清理地表置换出的有机质土。

4.6 搅拌、喷浆

1）钻头钻进至设计深度后，关闭送气阀门，开启灰浆泵，喷送水泥浆液，待浆液到达喷浆口，喷浆搅拌30 s，水泥浆在桩端土充分搅拌后，再开始提升搅拌头。

2）提升搅拌过程中，严格控制提升速度、注浆压力，用流量泵控制输浆速度，使搅拌提升速度与输浆速度同步，以保证浆液和土体充分拌和，确保桩身强度和均匀性。

3）喷浆口提升至泥炭质土层中时，停止钻头提升并持续搅拌，当注浆压力稳压至2 MPa时持续注浆5 min，使浆液与泥炭质土层充分拌和并起反学反应。将喷浆口提升至工作基准面以下1 m时，注浆泵停止加压并停止空压机工作，减少返浆量[5]。

4）施工过程中，如因故停浆，应将搅拌头下沉至停浆点以下0.5 m处，待恢复供浆时，再喷浆搅拌提升；若停机超过3 h，宜先拆卸输浆管路，并加以清洗。

5 结语

通过在常规三轴搅拌桩的施工工序上增加1道有机质置换工序，并且通过配制合理的注浆浆液，在水泥浆液中添加一定比例的磷石膏、活性粉煤灰、石灰、黏土等外加剂，能够较好地解决深厚泥炭质土地质条件下的三轴搅拌桩施工难点。

该工艺具有施工简便快捷、施工质量好、对周围环境影响小等特点和优势，具有良好的工程价值和社会效益，值得推广。