案例分析: 关于水泥搅拌桩的理论计算

 （陈新洋）

      七浦塘拓浚整治工程常熟段五标河道工程护岸地基处理采用水泥搅拌桩，以型式三为例，水泥搅拌桩桩长设计为6米， 桩顶设计高程为1.5米，桩直径为60cm，水泥掺量α_c为土体质量的15%。根据工程地质资料，软土为3₁层土为灰色淤泥质粉质粘土，天然含水率为ω=37.5%,湿密度为ρ=1.85g/cm³，土粒比重为G_S=2.74，经检测中心配合比验证，水灰比=0.5，7天强度0.78MPa，28天水泥土强度为1.42MPa。

      问题1、检测中心提供的试验报告软土天然密度为1.80g/cm³，与地质勘探报告提供的1.85g/cm³不一致，问在进行水泥掺量计算时选取哪个数据？

      在进行水泥土配合比试验验证水泥土强度时，要求所取土样要有代表性，要取最软弱土层土样，土样要求为Ⅰ级不扰动土样，在取样方法、密封、贮存和运输都有相对严格的要求，要求钻孔取样，立即用聚氯乙烯塑料袋密封保存，运输无振动，4小时内即开始试配试验等。实际上3₁层土顶高程在增高 2.0米左右，离地面2米多，人工取样有点难度，而且取样和送样过程难免扰动，所以难免影响试验的准确性；而且地基中的土体处于三轴应力状态，土样取出后存在应力释放现象，土体天然密度会发生变化；一般采用水泥搅拌桩处理的地基都为软土，其灵敏度较高，扰动时土体结构发生破坏后，与原状土差异较大。所以建议优先选取地质资料中的土体湿密度，相对比较准确。实际上试验室在进行水泥土强度试验直接称量土样和水泥等原材料的质量，并没有采用湿密度进行体积对质量的换算，所以一般不会影响水泥土强度试验的结果。

      问题2、每米桩长水泥用量是多少？

m_c=1000πr²hραc=3.14*0.3*0.3*1*1.85*1000*15%=78.4kg

      问题3、每米桩长水泥浆用量是多少kg？

M_c+w=m_c（1+W/C）=78.4*（1+0.5）=117.6kg

      问题4、水泥浆的比重是多少？（P.O42.5水泥比重为3.1g/cm3）

      方法一：假设水泥浆体积为1立方，一立方水泥浆中水泥含量为xkg，x/3.1+0.5*x/1=1000  x=1215kg  用水量=0.5*1215=608kg

ρ_c+w=(1215+608）/1000=1.82g/cm3

     方法二：假定水泥浆中水泥用量为1g，则用水量为1*0.5=0.5g

ρ_c+w=(m_c+m_w）/(V_c+V_w)=(1+0.5）/（1/3.1+0.5/1）=1.82g/cm3

      问题5、每米桩长水泥浆用量是多少升？

V_c+w=m_c+w/ρ_c+w =117.6/1.82=64.6L

      问题6、每根桩长水泥用量是多少？

      根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012规定停浆面应高于桩顶设计标高500mm，m_桩c =m_c*（h+0.5）=78.4*（6+0.5）=509.6kg

      问题7、每根桩水泥浆用量是多少kg？

m_桩c+w=m_c+w*（h+0.5）=117.6*（6+0.5）=764.4kg

     问题8、每根桩水泥浆用量是多少升？

方法一：V_桩c+w = V_c+w （h+0.5）=64.6*（6+0.5）=419.9L

方法二：V_桩c+w = m_c+w /ρ_c+w =764.4/1.82=420L

      问题9、工程使用UB3型灰浆泵，额定流量为3m3/h,效率系数根据现场测定约为0.6，问喷浆时间是多少？

T= V_桩c+w /(Q*η*1000/60)=419.9/(3*0.6*1000/60)=14min

      问题10、求四搅二喷工艺中喷浆时的平均钻进速度？

V=2*(h+0.5)/t=6.5*2/14=0.93m/min

      问题11、是上行喷浆还是下行喷浆？

      关于是上行喷浆还是下行喷浆，《建筑地基处理规范》JGJ79-2012没有要求，只是要求成桩工艺通过试桩确定。目前一般资料都是采用四搅二喷上行喷浆的施工方案。这是因为第一次下行搅拌是起松动土层的作用，第一次上行喷浆土体易于水泥浆搅拌均匀，而且一般上行的速度相对于下行比较均匀，下行由于土层有变化如相对土层较硬往往会出现进尺较慢的情况，从而不能保证进尺的均匀性，从而不能保证喷浆的均匀性。实际施工操作由于下行时不喷浆往往出现喷浆嘴堵塞的情况，等上行需要喷浆时浆液已经喷不出来，需要重新提钻杆处理，重新开钻，施工效率大大受到影响。目前工艺和设备已进行了改良，改为在下行时直接喷浆，喷浆口也调整布置在搅叶的下口。并通过工程试桩证明满足要求。

      问题12、估算一下水泥搅拌桩抬土高度？

      现场观测，钻桩结束后水泥搅拌桩出现抬土现象，扩散范围为一个半径左右。h=V_c+w/(1000π（2r）²)=419.9/(3.14*0.6*0.6*1000)=0.37m。

      问题13、水泥土强度设计何时选用28天强度和90天强度？

      水泥土的强度随龄期的增长而增大，在龄期超过28天后，强度仍有明显增长，超过90天后，水泥土强度增长缓慢。为了降低工程造价，对承重搅拌桩试块都取90天龄期为标准龄期。对起支挡作用承受水平荷载的搅拌桩，考虑开挖工期影响，水泥土强度标准可取28天龄期为标准龄期。

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