软土地基水泥搅拌桩施工参数优化研究

随着现代建筑业的迅猛发展，水泥搅拌桩在软基处理领域的应用日益广泛。然而，由于施工工艺的差异、机械设备的不同以及地基土质物理性能的复杂性，导致施工质量呈现出不均衡的状态。水泥搅拌桩作为一种有效的软基处理方法，通过将水泥作为固化剂与土体进行充分搅拌，引发一系列物理化学反应，使软土逐渐硬结，从而提升地基的强度。

1 工程概况与软土地基特性

1.1 工程概况

大芦线东延伸航道整治工程第 3 标段位于南汇东滩人工滩涂区域，距离原南汇四期及五期大堤河口约 5 公里，建设内容涵盖新建Ⅲ级双线船闸、节制闸、防咸泵站、交通桥、疏浚闸内外航道和水道、导航堤、护坦堤、导流堤、枢纽管理区、配套建筑及水文站等。场地原为滩涂地貌，软土层分布广泛，地基处理面积约 20 万㎡，其中水泥搅拌桩加固区域占比达 65%。

1.2 软土地基工程特性

根据勘察报告，场地内地层主要为第四系全新统滨海相、河口相沉积层，软土层以① 层淤泥质粉质黏土、 ② 层淤泥质黏土为主，具有高含水量特性，天然含水率在 45%～60% 之间，远超液限（35%\~42%）；呈现高压缩性，压缩系数 a1-2 为 0.7\~1.2MPa ¹ ；强度较低，天然地基承载力特征值 fa 为 ；流变性显著，土体灵敏度 S 为 3\~5，受扰动后强度易衰减，难以满足航运枢纽工程对地基承载力（设计承载力≥ 120kPa）的需求。

2 水泥搅拌桩加固机理与施工参数分析

2.1 加固机理

水泥搅拌桩通过深层搅拌机将水泥浆与软土强制搅拌，使两者发生物理化学反应，形成具有一定强度的柱状加固体。其主要作用包括胶结作用，即水泥水化产物如 C-S-H 凝胶包裹土颗粒，形成空间网状结构；离子交换与团粒化作用，水泥水解产生的 Ca²⁺ 与土颗粒表面离子交换，促使土颗粒聚集成团粒；碳酸化作用，水泥水化物与空气中 C0₂ 反应生成碳酸钙，增强桩体后期强度。通过上述作用，软土地基的承载力与稳定性得以提升。

2.2 关键施工参数

影响水泥搅拌桩加固效果的核心参数包括水泥掺量，即水泥质量与加固土质量的百分比，直接决定桩体强度；水灰比，为浆液中水与水泥的质量比，影响浆液流动性及桩体密实度；搅拌次数，包括正转搅拌次数与反转喷浆次数，影响土体均匀性；提升速度，即搅拌轴提升速率，过快易导致浆液分布不均，过慢则影响施工效率；桩长与桩径，需根据软土层厚度与设计承载力确定，本工程桩长 8\~15m，桩径 700mm。这些参数相互关联，共同影响成桩质量与地基加固效果。

3 施工参数优化试验设计

3.1 试验方案

为获取最优参数组合，在工程现场选取典型软土区域开展原位试验，采用正交试验法设计 3 因素 3 水平试验，因素包括水泥掺量、水灰比、提升速度，以桩体无侧限抗压强度与复合地基承载力为评价指标。试验中，水泥掺量设置 12% 、 15% 、 18% 三个水平，水灰比为 0.5、0.6、0.7，提升速度为 0.6m/min、0.8m/min、1.0m/min，通过不同因素水平组合的试验，分析各参数对加固效果的影响。

3.2 试验步骤

试验前先进行场地准备，清除表层杂物并平整场地，完成桩位测量放样；随后调试设备，采用 GZB-600 型深层搅拌机，配套灰浆泵及流量计。成桩工艺包括预搅下沉，搅拌机沿导向架下沉至设计桩底，速度不超过 1.0m/min ；喷浆搅拌提升，到达桩底后开启灰浆泵，按设定参数边喷浆边提升搅拌；复搅复喷，根据搅拌次数要求，重复下沉与提升搅拌，本试验均采用“两喷三搅”工艺，即预搅下沉→喷浆搅拌提升（第 1 次喷浆）→复搅下沉→喷浆搅拌提升（第 2 次喷浆）→最终复搅，以确保土体搅拌均匀。成桩 28 天后，在成桩位置使用工程钻机进行取芯，观察芯样的连续性确定桩体完整性，通过室内无侧限抗压试验确定桩身强度，并在现场进行平板载荷试验测定加固后土体的复合地基承载力，为参数优化提供数据支撑。

4 试验结果与分析

4.1 单因素影响规律

当水灰比为 0.6、提升速度为 0.8m/min 时，桩体无侧限抗压强度随水泥掺量从 12% 增至 18%，从 1.2MPa 提升至 2.5MPa，增幅达 108% ，复合地基承载力从 85kPa 提升至 132kPa，满足设计要求，但掺量超过 15% 后强度增长速率趋缓，需综合经济性考量。当水泥掺量为15%、提升速度为0.8m/min 时，水灰比从0.5 增至0.7，桩体强度先增后减，峰值出现在 0.6（2.1MPa），水灰比过大易导致浆液离析，过小则影响泵送与搅拌均匀性，0.6 时浆液流动性与胶结效果最佳。

4.2 正交试验结果与极差分析

通过正交试验数据计算极差可知，按照对桩体无侧限抗压强度的影响从高到低排序，各项因素的顺序是：水泥掺量 > 水灰比 > 提升速度。根据试验，最优组合为水泥掺量 15%、水灰比 0.6、提升速度 0.6m/min。在此参数组合下，桩体无侧限抗压强度为 2.4MPa，复合地基承载力为128kPa，均满足设计要求，表明该参数组合在提升加固效果方面具有显著优势。

5 施工参数优化与工程应用

5.1 优化参数组合

综合试验结果与经济性分析，确定大芦线工程水泥搅拌桩施工参数如下：水泥掺量在淤泥质黏土中采用 15% ，在淤泥质粉质黏土中采用 18% ，以兼顾强度与成本；水灰比取0.6，确保浆液流动性与胶结效果；提升速度控制在 0.6\~0.8m/min，软土层厚度大于 10m 时取低值；搅拌工艺采用“两喷三搅”，即预搅下沉→喷浆搅拌提升（第 1 次喷浆）→复搅下沉→喷浆搅拌提升（第 2 次喷浆）→最终复搅，以保证土体搅拌均匀度，减少桩体缺陷。

5.2 工程应用

本工程双轴搅拌桩共计3325 套，规格为φ700@500，长度 10m。

施工前，桩机就位按照优化确定的参数进行施工。搅拌浆料时，施工员或质量员全程旁站，对每一根搅拌桩的水泥用量、送浆开始时间、送浆结束时间进行记录。预搅下称及复搅下沉时搅拌应均匀，喷浆搅拌提升施工时进料及喷浆应持续。如果在喷浆过程发生停浆，桩机钻头必须下沉至停浆面以下 1 米位置，待停浆问题解决、注浆恢复后继续开始喷浆提升，防止出现断桩、缺浆等问题。若停浆时间超过 3 小时，必须将灌浆管道拆除冲洗。如果在喷浆搅拌过程中出现喷浆量达不到设计及方案要求指标的现象，需要对整根进行复拌，然后在规定时间内复混复喷。

施工完成并达到养护期后，按照 1% 的频率抽检了 34 套搅拌桩。对该批桩进行钻孔取芯检测无侧限抗压强度，最小值为设计值的 103% ，最大值为设计值的 147%，平均强度达到设计值的 127%。取 40 个点现场试验检测了复合地基承载力，最小值强度达到了设计值的 118% ，最大值达到了设计的 155% ，平均强度达到设计值的 130%。根据试验检测，按照优化后的参数施工，满足设计及规范要求，成桩质量良好。

结论

水泥掺量是影响软土地基水泥搅拌桩强度的最关键因素，本工程中最优掺量为 15%～18% ，需根据土性动态调整；水灰比 0.6 与提升速度0.6\~0.8m/min 的组合可显著提升成桩均匀性与承载力；“两喷三搅”工艺能有效改善软土搅拌均匀性，减少桩体缺陷；优化后的参数体系在大芦线工程中应用效果良好，为类似滩涂区域软基处理提供了可参照的技术方案。

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