基于深层搅拌桩技术的市政路桥软土地基施工分析

引言

在市政路桥工程中，软土地基本身的承载能力较低、压缩性大等特点容易引起路面的沉陷、桥梁的倾斜等病害问题，对结构的安全和使用寿命造成一定的破坏。传统的换填法、堆载预压法虽然具有可行性和有效性，但由于其自身的施工时间长、耗资巨大或适用条件单一，有一定的局限性。深层搅拌桩的固化效果可以通过对原地土体进行水泥和土的直接混合搅拌的方式，在原地生成复合地基，在现阶段得到了广泛的应用。但是在实际应用中，仍然存在固化效果与工程质量不稳定、施工过程地质条件出现突变时无相应对策等问题，有待进一步深入挖掘与研究[1]。本文通过分析深层搅拌桩的技术原理和施工方法与控制，以滨海城市快速路工程为实例，以复杂地质环境为背景，解决实际工程在应用时面临的深层搅拌桩技术的实用性与改进措施，对比和分析不同材料配方、施工工艺与质量检验，找出风险规避的方法，为以后同类型市政路桥软土地基的处理提供一定的技术理论依据。

1、深层搅拌桩技术基本原理与核心优势

1.1 技术发展历程与应用背景

深层搅拌桩技术最早是20 世纪中期日本在港口工程软基处理时采用的一种固化剂搅拌施工加固技术，经过设备和工艺成熟后，推广到建筑施工、公路、铁路和市政工程建设，尤其在中国沿海、沿江和湖泊河流地带存在广阔的淤泥质软土、冲填土等软弱地基，天然含水量大、压缩性高、强度很低、透水性极差，是无法直接满足市政路桥工程对地基强度及地基变形控制的有关技术指标要求，深层搅拌桩由于其适用性强、深度大、无振动和噪音、无弃土污染等优势，成为解决此类软基环境的一种首选方案。适用于对环境要求严格，邻近建筑物敏感性沉降要求较高的市政工程施工环境[2]。

1.2 水泥土固化机理深度解析

水泥与软土混合后发生复杂的水化硬化反应及离子交换作用。水泥主要矿物成分硅酸三钙、硅酸二钙水化生成水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙。这些凝胶物质包裹土颗粒，形成空间网状结构，将松散的土颗粒胶结成整体。氢氧化钙则与土中活性二氧化硅、三氧化二铝发生火山灰反应，生成具有胶结性能的水化硅酸钙和水化铝酸钙。同时，水泥水化产物中的钙离子与软土颗粒表面的钠离子、钾离子发生离子交换，促使土颗粒凝聚，降低其亲水性和塑性，从而显著提高水泥土的强度、降低其压缩性和渗透性，形成稳定的桩体结构[3]。

1.3 主要材料与关键施工设备

深层搅拌桩的固化剂是水泥，采用强度等级为32.5 或42.5 级的普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，掺量为被加固土体重量的 12%～20% ，根据土质、要求强度及工期经过试验确定。施工主要配套设备包括深层搅拌桩机（动力头为钻杆的驱动力及提升扭矩），钻杆（前端带有特殊搅拌叶片），自动化的水泥浆配制输送设备，以确保浆液配比准确，供应连续稳定；性能良好的高压泵，保证充足的压力；精密化的施工参数控制记录设备，能够记录并掌控钻进深度、提升速度、注浆压力、注浆量，保证施工过程可控。

2、深层搅拌桩施工工艺流程与精细

2.1 工前准备与流程标准化

施工准备尤为重要，首先，应进行广泛详细的地质补充勘探工作，明确加固深度以内的土体分布情况、物理力学指标、地下水等，为施工准备提供科学基础数据，奠定施工方案的科学性和可实施性。其次，根据设计要求，通过认真的室内配合比试验，细致地确定最好的水泥掺量比、水灰比、外掺剂种类及掺量，以确保施工过程中水泥浆和土体结合得最好，有效提高加固施工质量。现场场地应该平整和结实，满足桩机行走需要及施工过程中的平稳。测量放线应准确无误，每个桩位都要准确标定。施工工艺的正式开展应该达到：将桩机进行移动并调整平整，给后续的施工提供稳定的施工平台；开展搅拌钻头的喷浆或者喷粉等操作，并开始下沉至设计的桩底标高，该过程确保了桩体的底部嵌入到地层之中；接下来按照设计速度进行上升搅拌钻头，同时不断地喷浆或者喷粉操作，确保了水泥浆或者水泥粉均匀地附着到了土体之上；结合设计需求，可以选择下沉上升一次搅拌或者多次，提高搅拌的均匀性，保证施工桩体质量可靠；上升钻头至地面上，完成单桩施工。施工工艺开展过程中应该由先进的监控系统对施工进行实时记录，从而可以对其施工进行全面的监控以及对数据记录，为后续的质量认定工作提供依据。

2.2 核心施工参数优化控制

成桩主要的施工参数控制对成桩质量具有直接重要的影响，其中对钻进和提拔速度的控制是最重要的，需将速度控制在 0.5～0.8m/min 。速度过大，将造成搅拌不均，即搅拌桩水泥浆未能与土体充分掺和混合，因此桩的质量不能保证完整性；速度过低，则会造成成桩效率的降低，可能会产生局部浆液过剩，造成桩体质量的差异。水泥浆水灰比一般设计为 0.4～0.6 ，施工中按配制比例进行准确配料，确保浆液处于流动状态，其能够顺利进入土体中流动、扩散。单位时间注浆或喷粉量应和搅拌提拔速度做到良好配合，才能保证设计的掺入比，使桩体的水泥掺入量满足设计的要求。喷浆或喷粉压力应足以克服地层的阻力，浆粉才能够顺利输出和搅拌，从而保证桩体质量良好。在施工中一旦出现参数异常情况，都应及时进行调整或停止处理，以避免对成桩质量造成不良影响。

2.3 施工质量检测与验收标准

质量检测是验收加固效果的保证措施，应高度重视，在施工过程中的过程控制应当十分注重桩的偏位、桩的垂度、成孔深度、充灌水泥量、拔管速度是否符合施工要求，做到事事有章可循、人人按标准施工，桩的质量得到了保证，加固效果也得以达到预期。成桩后，常用的检测方法主要有以下几种：在成桩 7 天后，用轻便触探仪检查桩身的均匀性，经轻便触探仪探查，初步了解桩身内部质量；在成桩28 天龄期后，将桩芯钻取并制作标准试件进行无侧限抗压强度试验，这是桩体强度的直接指标，可经该试验计算确定桩体强度是否满足设计要求；在关键工程部位或设计要求时，应当进行单桩或复合地基的静载荷试验，通过施加荷载，直接测量其承载力及沉降，对桩体的性能和加固效果进行全面的考核。验收的严格标准必须要根据设计文件及有关规定明确，桩身强度最小值、桩位偏差允许值、桩数准确性、复合地基承载力特征值等应全部满足规定要求方可认为是合格的，通过了验收。

3、施工质量控制与风险应对策略

3.1 桩身强度不足与加固不均成因及对策

工程中常见的桩身强度不均匀、加固不均匀现象主要是由多种原因所导致，如土体性质在局部出现了急剧变化现象，可能突然出现较硬的夹层或透镜状体块，严重影响了搅拌桩施工质量；也可能由于水泥浆或粉体输浆输粉系统故障而造成局部供料中断，严重影响桩身的强度；此外，施工过程中施工参数的控制不当现象也是引发桩身强度降低的重要因素，如果提升速度过大或注浆压力不够都会导致桩身强度降低；还有地下水流速大也会导致水泥浆流失从而影响桩身加固。为解决这些问题，既要有充分的施工前施工质量技术措施保障，也要对设备进行维修，确保输浆输粉管道畅通，施工过程中要实时进行施工参数的控制和调整，要实时监督并做好各个环节的参数检测控制工作，必要时通过调整水泥浆在水泥浆中添加缓凝剂和早强剂等措施调改水泥浆的性质；对重要的部位或地质条件复杂地区应加大复搅次数或提高水泥的掺量，以增大其强度及加固效果。

3.2 施工过程环境扰动控制措施

尽管深层搅拌施工属于无扰动施工，但仍要对产生的各种扰动加以控制。这些扰动主要有桩机施工噪声、水泥浆制备及输送过程的泥浆和搅拌桩施工对邻近土体造成的扰动等。应该采取的对策主要是优先考虑使用低噪声、低排放的新型机械设备减小噪声扰动；合理安排施工时间，尽量错开噪声和振动敏感时期，尽量减少对周围环境的影响；泥浆经过沉淀池沉淀后对沉淀后的浆液无害化处理后进行排放，避免产生泥浆污染；若邻近重要建筑物应安排布设位移观测点，监视其沉降及水平位移，确保安全；设置应力释放孔或隔离沟，减小挤土效应对周围的环境影响。还要做好防止水泥浆污染地下水的工作，采取必要的措施，确保水泥浆使用和排放不会污染地下水体。

3.3 突发地质情况应急处理预案

在施工的过程中，遇到未知的障碍物和不良的地质条件，例如钻头触碰到地下管线、孤石、古墓等障碍物时；钻遇流塑性淤泥层，喷浆无法推进及桩机倾斜等；钻遇承压水层，水泥浆被压浆等。为应对突发状况，应制定完善的应急预案措施。施工之前详细探清地下管线，配合人工开挖复核，消除障碍，做好地质风险探查；配备超前探测设备，如地质雷达等，及时发现问题、探查障碍；现场备齐应急处理材料、机具，如速凝剂；突发障碍物时，需及时停钻并探查分析，根据实际情况采取移位、凿除或进行设计变更处理。遇到极软弱土体、遇到承压水等采取加大水泥掺入量，减低上钻速度，套打工艺、其他地基处理方案，达到稳定施工，确保工程施工质量安全。

4、工程实践案例——某滨海城市快速路软基处理

4.1 项目概况与复杂地质挑战

在某滨海城市新建的城市快速路工程中，路段包含穿越深厚海相沉积区域，该路段道路为双向六车道高架快速路，桥台和过渡段路基沉降控制要求较高。根据地质勘察查明：该路段工程地表填土下分布厚度为 12～15m 的流塑～软塑状淤泥质粘土，天然含水量达到 60%～70% ，孔隙比大于1.5，承载力特征值小于60kPa 的深厚软土地基。主要解决难点是：如何在深厚超软土层中形成较为稳定的地基，控制合理的工后沉降值，实现桥台与路基平顺顺接以及不扰动既有市政管线设施。

4.2 深层搅拌桩方案设计与精细实施

根据上述困难，综合考虑，设计中采用桩径 0.5m 、桩间距1.2m 的深层搅拌桩进行满堂处理加固。设计桩长穿过淤泥质粘土层进入下部的可塑粉质粘土层0.5m，平均桩长约13m。水泥掺量为 18% ，水灰比为0.45。普通硅酸盐水泥强度等级为 42.5 三轴深层搅拌桩机全程施工参数自动记录。重点控制好以下参数：桩位控制的垂直度偏差 <1% ；底部软土由于流变性太大，桩底标高附近重复搅拌并适当增加喷浆量；临近管线位置要降低提升速度(<400mm/min)并增加监控。施工过程中发现局部存在薄砂夹层的部位，及时调整了钻头类型并适当增大该部位水泥掺量，确保整体均匀加固。

4.3 加固效果综合评估与长期监测

施工结束后对工程质量进行了全面检验。桩芯28d 无侧限抗压强度试验结果表明，桩芯强度为1.2MPa 以上，超过设计要求最小值 1.0MPa_ε 。对桥台承台下关键位置进行单桩复合地基静荷载试验检测，实测承载力特征值达140kPa，大于设计要求的 120kPa。路基段沉降观测资料结果显示：路基建成后沉降已达稳定状态，实测的最大工后沉降量仅有 15mm，小于 50mm 的设计值，路基台处无显著差异沉降。对邻近地下管线及建筑物的观测资料表明，施工造成的附加沉降及水平位移均不大。通车运营两年的复测结果表明，地基稳定，路表稳定，有效验证深层搅拌桩加固的地基承载及刚度维持长期稳定。

5、结束语

深层搅拌桩技术凭借改良软土效果显著、施工过程可控、环境影响小、经济性优等特点，在市政路桥软土地基处理中适用性广、生命力强。应用该技术，需理解固化机理、遵循精细化施工流程、实施全过程动态质量控制，并具备应对复杂地质与突发状况的预案能力。工程实践表明，合理设计、得当施工、到位监控，深层搅拌桩能有效解决市政路桥深厚软土地基承载力不足与沉降变形过大问题，为城市交通基础设施提供坚实地基保障。随着材料科学、智能施工装备与监测技术发展，该技术将在未来市政工程建设中发挥更关键作用。

参考文献

[1]温占茂.市政道路软土地基施工中水泥搅拌桩的应用[J].2024(23):193-195.

[2]张莉.双向双轴水泥搅拌桩加固软土地基施工技术研究[J].建筑与预算,2023(11):56-58.

[3]王庄.基于市政道路软土地基施工的水泥搅拌桩技术应用研究[J].2023(11):145-147.