高压旋喷水泥土搅拌桩同心植入预应力混凝土管桩复合桩质量控制研究

工程概况：沿海某炼化项目中心化验楼区域地基处理采用复合桩，总数 510 根。施工工艺采用高压旋喷水泥土搅拌桩同心植入预应力混凝土管桩，机械扩底。外桩采用高喷搅拌水泥土扩底桩，42.5级普通硅酸盐水泥，有效桩长 9.15m（桩身 7.85m+ 扩底 1.30m）。水泥土桩顶下 7.85m 桩身范围内水泥掺入量 18%～20%。在标准养护条件下，28d 龄期的水泥土无侧限抗压强度≥ 1.2MPa。水泥土桩端上1.30m 范围采用机械扩底，扩底端水泥掺入量 40% ，在标准养护条件下，28d 龄期的水泥土无侧限抗压强度≥ 3.0MPa。芯桩采用预应力混凝土管桩 PHC400AB95-9，PHC 管桩桩身混凝土强度等级 C80，最大水灰比 0.35，抗渗等级 >P12，胶凝材料中 Cl 离子含量≤ 0.06%，碱含量<3.00kg/m3，胶凝材料最少用量430kg/m3。设计单桩承载力特征值 1380kN，单桩极限承载力标准值 2760kN。高压旋喷水泥土搅拌桩采用干法施工、同径搅拌工艺，桩身直径 D=1000mm，机械扩底直径Dt=1300mm。施工水泥土桩的机械配置远程监控与智能化管理系统，实现水泥土桩施工数字化、可视化质量控制管理。

1 施工准备

1.1 现场准备

1.1.1 施工临时设施的准备

根据施工平面布置图的要求搭设临时设施；根据工程规模、结构特点和复杂程度，建立项目部组织机构、明确岗位责任。

1.1.2 工程材料准备

编制材料进场计划，材料进场检查、验收、第三方检测，合格后方可投入使用。

1.1.3 工程设备准备

组织施工机械进场，并进行进场检验，检验合格后方可投入使用。复合桩设备选型及配置选择山河智能研发的智能劲性搅拌桩机 1台，以满足水泥土桩施工过程中数字化、可视化质量控制管理的需求以及工程进度要求。

1.1.4 人员准备

对特种设备作业人员进行三级教育、岗前培训，考核合格后方可上岗，必须持证上岗。

1.1.5 场地准备

对场地进行平整，满足工程机械、设备作业条件。按最重的设备劲性复合扩底桩机考虑，设备自重 80T，桩机施工中的接地面积约8m2， 地耐力要求80÷8=10T/m2。场地耐力不足时，优先采用铺设钢板方式进行处理。

2 施工方法及工艺要求

2.1 复合桩施工工序

本工程桩基采用复合桩，共分为两道施工工序，分别为水泥土搅拌桩施工、芯桩施工。先施工水泥土桩，再植入管桩，组成劲扩桩。

2.2 水泥土搅拌桩施工工序

测量定位- 桩机就位- 下钻喷灰- 钻至扩低段，打开液压扩底机械叶片，降低推进速度，并在桩底停置喷灰 30 秒，根据要求喷入足量水泥，从桩底上行至搅拌段，收回扩底叶片 - 提升喷灰 - 提升至地面- 施工完成- 移机下一桩位。

2.3 芯桩施工工序

测量定位 - 桩机就位对中调直 - 压装（记录标高）- 送桩 - 送至标高（记录入土深度）- 清理- 停机- 移机。

2.4 复合桩施工方法

2.4.1 水泥土搅拌桩施工方法

（1） 测量定位：由测量人员将施工图上的桩位通过控制点重新测放。（2） 桩机就位：根据桩位，将机架移到指定桩位对中。当地面起伏不平时，调整塔架丝杆或平台基座，使机械保持垂直，以防桩打斜，影响桩基承载力。

（3） 下钻喷灰：启动干喷搅拌桩机，钻头边旋转搅拌边喷射高压空气及水泥，使其排水置换，同时减小负载扭距。随着钻进，被加固的土体在原位受到搅动，利用高压空气将水泥与土体充分搅拌。

（4） 钻至桩底扩底段：在施工底标高至扩底段上标高时，打开液压机械扩底钻头，降低主卷扬推进速度，并在桩底停置喷灰 30 秒，根据要求喷入足量水泥。从桩底上行至搅拌段，收回扩底叶片，同时观察运行电流及主泵压力值，是否存在异常。

（5） 喷粉提升：从桩底标高开始直至桩顶标高以上 0.5m 范围内，第二次搅拌继续喷入水泥，从而将水泥与土体充分搅拌均匀，至此完成桩身全长的二搅二喷工艺。

（6） 施工完成：提升至桩顶标高以上 0.5m 位置时停止喷粉，在喷粉管道内吹入高压空气清除管道余粉，并将钻头逐渐旋转提升出地面，完成一根桩的施工，移动机械至下一根桩位。机长负责核对智能设备的施工记录，确保其与实际工程情况相符。

（7） 施工过程控制：在施工过程中，持续监控显示屏各项参数，如下钻提钻速度、运行电流、压力值、转速、深度、扩底使用水泥量等。扩底施工过程中，严格按照技术交底要求，在桩底扩大桩区域指定标高处，打开液压机械扩底钻头，喷入足量水泥，关注压力值变化。并在上行至扩底结束标高处，及时收回液压机械扩底钻头。

2.4.2 芯桩施工方法

（1） 测量定位：根据 GPS 进行定位，同时使用全站仪对静压桩机点位进行复测。

（2） 桩机就位、对中、调直：通过启动桩机纵向和横向行走油缸，将桩机对准桩位，将管桩吊起，插入桩位，调整桩在两个方向的垂直度，将桩压入土中。桩端入土前后是否垂直，是保证桩身垂直度的关键。

（3） 打桩：在打桩过程中认真记录桩入土深度和静压数，以判断桩的质量及承载力。如果静压数突然提高或减少，要停机对照地质资料进行分析，看是否遇到障碍物或产生断桩等情况。

（4） 送桩：当桩打至一定深度时，需用送桩器进行送桩，以使桩顶标高满足设计要求。

（5） 打桩结束：管桩以桩底标高控制为主，当桩送至设计桩顶标高位置，压力值在正常范围内时便可以停止打桩，施工结束。

3 质量控制措施

3.1 搅拌桩的质量控制措施

3.1.1 测量：测量仪器使用前进行检定，仪器的检定必须在有效期内，保证测量精度。根据建设单位提供的建筑物坐标采用测量软件将所有桩位转化成坐标，并根据施工图进行复核，采用全站仪坐标法测放桩位，并用未受影响控制网点进行联测复核。在施工现场布设闭合控制网，进行整体控制，同时视现场的具体情况，灵活运用其他放样方法，确保桩位偏差小于 30mm。

3.1.2 严格控制桩身垂直度，通过两台经纬仪或两只悬挂于桩机塔架上的吊锤构成 90°角的两个方向进行观测，确保桩的垂直度偏差小于 5‰。

3.1.3 在钻杆或塔架上做出标志，保证桩的长度符合图纸要求；测量钻头叶片直径，不小于图纸的设计桩径，在施工中经常复测，磨损量不得大于 10mm，如有磨损应及时补焊。

3.1.4 严格按图纸要求足量使用材料，PO42.5 级水泥掺入量为20%-40%，开工前准确计算每根桩的水泥用量，施工中严格按设计用量使用。水泥用量计算公式为：

水泥用量=3.14× 半径 2× （ 桩长 +0.5m）× 土的比重 （1.8）×（20%～ 40% ）

3.1.5 预搅下钻开始时要慢速钻进，观察是否有跑位现象，待一切正常后方可按正常速度持续搅拌钻进，同时密切注意电流表读数。

3.1.6 钻至设计桩底标高位置时不应立即提升钻杆，应于桩底停置 30 秒，根据图纸要求或特殊注明要求，喷入足量水泥，待桩底水泥土充分搅拌均匀，持续反转提升钻杆、喷入干粉，保持提升速度不大于 0.8m/min。当提升钻头到达桩顶设计标高以上 0.5m 时，宜暂停提升，在原位搅拌 30 秒，以保证桩头均匀密实。

3.1.7 水泥土桩施工时要求桩身完整，搅拌均匀，几何尺寸准确，每根桩应一次性连续完成，不得中途中断，不得有空壳和夹心现象；如在喷粉提升时因机械故障造成施工短暂中断，恢复施工后应先将钻头下钻复打，复打的重叠段应大于 1 米。

3.1.8 施工中由专人详细记录搅拌下沉和提升的时间、扩底段施工时间、扩底段智能显示压力值，水泥用量，施工中发生的问题及处理情况应加以记录和说明。

3.1.9 使用劲性复合扩底桩机进行施工，具备同时喷粉、喷气施工。采用螺旋反压工艺压密水泥土体。送粉压力 0.7-1.2MPa，空压机功率大于 55KW，主机功率大于 165KW。

3.1.10 结合工程施工情况，控制成桩质量，可适当调整钻杆提升速度及钻头转速，对搅拌桩上下端顶部可进行复搅。

3.2 芯桩的质量控制措施

3.2.1 测量：搅拌桩施工结束后，在施工芯桩前对施工位置进行平整并重新测放桩位，确保芯桩桩位测量误差小于 20mm；芯桩施工机械就位后，应有可靠的垂直度控制措施，垂直度偏差不得超过 5‰；保证芯桩与水泥土桩两圆心的偏差不大于 0.05D（D 为管桩直径）；

芯桩应在水泥土桩施工 6 小时内进行施工；在芯桩植入水泥土桩中时应采取必要的措施，保证芯桩桩顶标高到位。

3.2.2 预应力管桩采用静压施工，施工时压力数控制和标高控制双控。

3.2.3 为防止水泥土进入管桩，影响后期的桩顶填芯工作，在管桩桩顶采用封头钢板封闭后再施工。

3.2.4 预应力管桩的强度必须达到设计强度的 80% 方可起吊，达到100%才能出厂、运输和施打；施工前逐根检查验收，断桩严禁使用。管桩装卸时应轻放，严禁抛掷、碰撞、滚落。管桩堆放场地应压实平整，并有排水措施。堆放应按两支点法进行，且各支点应在同一水平面。堆放层数不超过三层。桩身起吊，应匀速平稳，桩斜拉至预定高度后，缓慢直立喂向桩机。管桩吊移过程中，桩下不准站人。

3.2.5 严格控制桩的垂直度偏差不大于 5‰，如果超差，应及时调整，但不能采用强拔、强拉的方法进行快速纠偏以防将桩身拉裂、折断。必须保证桩的垂直度，桩端入土前后是否垂直，是保证桩身垂直度的关键。一般来说，桩端沉入土中的垂直度偏差小，整根桩的垂直度偏差也不会太大，同时，桩的破损率也减小。因为桩身倾斜，桩偏心受力，桩极易被压坏，故要十分重视桩端的插设工作。桩端插入时应使桩身和夹桩器具在同一中心线上。

3.2.6 一根桩原则上应一次打入，中途不得人为停顿，确需停顿的，应尽量缩短停顿时间，并且桩应停留在软土层中，且停留时间不宜超过6 小时。

3.2.7 打桩至送桩宜连续进行，即压即送，因为间歇时间一长，桩周土体固结，送桩困难，也很容易将桩头压碎。送桩器应有足够的强度、刚度和耐压性，送桩器应与桩外径相匹配。送桩器长度应满足送桩深度的要求，送桩器上下端面应平整，且与送桩器中心轴线相垂直，如果上下端面与中心线不垂直，容易产生偏心压力，将桩头压碎。送桩时，送桩器轴线必须与桩中心线一致，不得在晃动的情况下进行施工。

3.2.8 严格按图纸要求控制桩顶标高，通过高程控制点、设计桩顶标高、测量仪器高度，经换算后在送桩器上刻划标高控制线，通过水准仪精确控制桩顶标高。

3.2.9 在打桩过程中及时记录桩的入土深度和静压数。

3.3 重点环节质量控制措施

3.3.1 一根桩由两道工序组成，同一根桩需要测放桩位线两次，必须严格检查两次测放的点是否重合。

3.3.2 高压旋喷搅拌桩施工检查重点是：水泥原材料质量和用量、垂直度、施工深度、搅拌均匀性、提升速度、复搅次数和复搅深度、喷灰的开始时间和结束时间。

3.3.3 管桩施工的检查重点是：管桩的质量、桩的垂直度、最后的压桩力、桩顶标高。

3.3.4 质量员针对质量控制要点进行重点检查，确保工程质量。

3.4 特殊施工机具的保障措施

3.4.1 本工程设计为劲性复合扩底桩，主要施工机械为劲性复合扩底桩机和静压桩机，其中劲性复合扩底桩机是针对本工程的特点而专门配置的专用施工设备。

3.4.2 在开工前做好设备的调度，确保各施工设备能如期进场。进场后按现场平面布置图的布置要求，安排就位。

3.4.3 安排专职人员对设备进行安装、试运行和安全检查，对发现的问题及时整改。

3.4.4 在施工过程中，对机械设备进行定期检测和维护，不使机械设备“带病”运行。

3.4.5 对现场操作人员进行岗前培训，严格按照操作规程操作，以防因操作不当对机械造成损坏，从而影响施工进度。

4 复合桩质量控制标准及检验方法

水泥土搅拌桩按照《建筑地基基础工程施工质量验收标准》的相关标准进行验收，芯桩按照《先张法预应力混凝土管桩》相关标准进行验收。

5 桩基检测

复合桩施工完成 28d 后待预留水泥土抗压强度试件试样强度检测达到设计要求，根据基桩检测计划和基桩检测委托要求，按照规范和设计要求随机抽取 30% 共计 153 根桩做桩身完整性检测，经检测桩身完整性类别均为Ⅰ类桩，桩身完整性符合设计要求；抽取 1% 共 6根桩做基桩承载力检测，承载力特征值均不小于 1380KN，承载力符合设计要求。

6 结论

本项目通过对水泥土试样的强度检测、复合桩桩身完整性检测、基桩承载力检测，本项目所使用的高压旋喷水泥土搅拌桩同心植入预应力混凝土管桩复合桩达到了设计预期的承载力要求，同时与邻近相同或相近承载力要求的预应力管桩相比，节省工程造价和工期成本约20%，具有较为明显技术经济效益和工程应用价值。

参考文献

[1] 建筑地基基础工程施工质量验收标准：GB50202-2018. 北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2] 劲性复合桩技术规程：JGJ/T327-2014. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3] 劲扩桩技术规程：T/CCES41-2023. 北京：中国建筑工业出版社，2023.

[4] 先张法预应力混凝土管桩：23G409. 北京：中国建筑工业出版社，2023.

作者简介：李鹏（1981.9.5-），男，汉，陕西商洛，本科，研究方向：土木工程类杨鹏才（1973.2.13-），男，汉，甘肃古浪县，本科，研究方向：土木工程类