水泥搅拌桩强度质量检测探讨

水泥搅拌桩强度质量检测探讨
摘要：水泥搅拌桩作为软基处理的一种方法，得到愈来愈广的应用，由于其桩体强度介于刚性桩和散体材料桩之间，其施工质量的检测方法也有别于其他桩型。本文分析了水泥搅拌桩的强度质量检测。
关键词：水泥搅拌桩；强度质量；检验方法
1 引言
近年来，随着珠江三角洲城市建设的迅速发展，水泥搅拌桩作为复合地基被大量地应用于软土地基加固和建筑基坑工程中的止水帷幕连续墙。由于水泥搅拌桩属于隐蔽工程项目，工程质量不直观，影响质量的因素较多，容易出现质量问题，因此必须对水泥搅拌桩进行全面质量检验，以确保其施工质量。
2 水泥搅拌桩的原理及特点
2.1　水泥搅拌桩的原理
水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土间所产生的一系列物理、化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基。软土和水泥采用机械搅拌加固的基本原理主要有以下三个方面:
1) 水泥的水解和水化反应
水泥是由不同的氧化物组成的不同水泥矿物，这些矿物与水产生水解反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。这些化合物迅速融于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再和水发生反应，周围的水溶液逐渐达到饱和，水分子虽继续深入，也只能以分散状态的胶体析出，悬浮于溶液中形成胶体，使土体的强度得到提高，软土的含水量较高，为水泥的水解和水化反应提供了很好的条件。
2）水泥的离子交换和团粒化作用
水泥水化后溶液中析出大量的钙离子，与软土表面的钠离子和钾离子进行当量交换吸附，从较小的颗粒形成较大的颗粒，从而提高土体强度。此外水泥水化生成的凝胶粒子产生很大的表面能，具有强烈的吸附性，使得较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土团粒结构，并封闭各土团间空隙，形成坚固的联结。
3）水泥土的硬凝反应
离子交换后，多余的钙离子在碱性的环境中，与粘土矿物的反应，硬化形成水泥骨架，大大提高了水泥土提高强度
4) 碳酸化作用
水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中和空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，使水泥土的强度增大。
从水泥加固土的机理分析可见：水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被粉碎的越小，水泥分布到土中越充分，水泥土结构强度的离散性越小，总体强度也越高。
2.2 水泥搅拌桩的特点和适用条件
水泥搅拌桩的特点：在地基加固过程中无振动、无噪音，对环境无污染，对土无侧向挤压，对邻近建筑物无影响，能有效提高地基的强度，施工周期短，造价低，效益显著。水泥搅拌桩适用于加固较厚的淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高且地基承载力不大于120 kPa 的粘性土地基。随着机械性能的提高和施工工艺的改进，水泥搅拌桩对提高松散砂层的强度和抗渗性成效显著，目前根据施工工艺一般可分为搅拌桩、喷粉桩。
由于水泥搅拌桩加固法具有无环境污染、噪声小、和费用低廉等优点，故被广泛应用于工业与民用建筑、市政、道路、港口以及地下挡土构筑等软土加固工程中。
3 质量检测现状
由于水泥搅拌桩一般施工量大面广，且是隐蔽工程，现有施工机具无法自动地、准确地控制水泥搅拌桩的施工质量。因此，如何对水泥搅拌桩施工质量进行检测，实施对水泥搅拌桩施工过程中质量的有效控制，是目前软基处理工程急需解决的课题，而且到目前为止国家还没有出台相应的统一技术规范。对水泥搅拌桩质量控制目前可参照的行业规范有： 2004年9月交通部发布的《公路工程质量检验评定标准》(JTGF 80/1—2004)和2002年9月建设部发布的国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002)。
3.1 交通部发布的规范
交通部于2004年9月发布的《公路工程质量检验评定标准》(JTGF 80/1—2004) 中对粉喷桩质量有如下要求：水泥应符合设计要求；根据成桩试验确定的技术参数进行施工；严格控制喷粉时间、停粉时间和水泥喷入量，不得中断喷粉，确保粉喷桩长度；桩身上部范围内必须进行二次搅拌，确保桩身质量；发现喷粉量不足时，应整桩复打；喷粉中断时，复打重叠孔段应大于1m。

《公路工程质量检验评定标准》(JTGF 80/1—2004) 中较详细地规定了对粉喷桩的质量要求和实际检测项目，给出了质量评定标准，但对粉喷桩单桩喷粉量、竖直度和桩长的检测只规定了检查施工记录，而没有规定采用抽芯进行检测，没规定强度的检测方法，没有要求进行单桩承载力等静载试验。对如何评价水泥搅拌桩的工程质量，没有明确的规定。
3.2 建设部发布的规范
建设部于2002年9月发布了国家行业标准《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2002) ，对水泥搅拌桩的质量检验与工程验收规定如下：
1) 水泥土搅拌桩的质量控制应贯穿在施工的全过程，并应坚持全程的施工监理。
2) 水泥土搅拌桩的施工质量检验可采用以下方法:
　　a) 成桩7d后，采用浅部开挖桩头，目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径，检查量为总桩数的5%。
　　b) 成桩后3d内，可用轻型动力触探(N10)检查每米桩身的均匀性。检验数量为施工总桩数的1% ，且不少于3根。
　　c) 竖向承载水泥土搅拌桩地基竣工验收时，承载力检验应采用复合地基载荷试验和单桩载荷试验。
　　d) 载荷试验必须在桩身强度满足试验荷载条件时，并宜在成桩28d后进行，检验数量为桩总数的0.5%～l.0%，且每项单体工程不应少于3点。
经触探和载荷试验检验后对桩身质量有怀疑时，应在成桩28 d后，用双管单动取样器钻取芯样作抗压强度检验，检验数量为施工总桩数的0.5% ，且不少于3根。
4 检测方法探讨
根据《建筑地基处理技术规范》规定，目前对水泥搅拌桩的桩身强度质量检验，一般采用载荷试验、轻便触探、钻芯取样、桩身强度试验等检测方法，下面分别进行探讨。
4.1 载荷试验法
4.1.1 检测方法及要求
在成桩28d后，采用压重平台反力装置，进行慢速维持荷载试验。单桩承载力和复合地基承载力的最终加载均应达到2倍的设计值。沉降稳定的标准为当加载值未超过设计值时，按变形小于0.1mm/h控制，当加载值超过设计值时，按变形小于0.2mm/h控制。当出现下列现象之一时，可以终止试验：①沉降急剧增大，土被挤出或压板周围出现明显裂缝；②累计沉降量大于压板宽度或直径的1/10。
4.1.2 载荷试验的应用及局限性
该试验对检测承受垂直荷载的水泥搅拌桩复合地基承载力是较可靠的质量检验方法，能根据桩承载力的大小定性地确定桩体质量，但是存在载荷板尺寸效应的缺点，致使检测数据偏不安全，应采用大载荷板下的多桩复合地基进行试验，尽可能减少尺寸效应的不利影响。同时该检测方法费用高，检测时间长，过多的检测会影响工程投资及工期。
4.2 轻型动力触探法
4.2.1 检测方法及要求
在成桩7d以内可采用轻型动力触探检测水泥搅拌桩的强度以及观察搅拌的均匀程度。轻型动探仪的指标为锤重10kg、贯人杆直径2.5cm、落距50cm。检测时可用风钻在1/4直径处先打一个孔，然后用轻型动探法检测。检测标准为龄期1d的击数N10大于15击时或龄期7d的击数N10为原天然地基击数N10的一倍以上，则桩身强度已达到设计要求。当每贯人10cm，N10大于30击时应停止，避免引起桩头开裂或损坏。
4.2.2 轻型动力触探法应用及局限性
轻型动力触探法简单易行，可作为施工中的一种自检手段，以检验施工工艺和施工参数的正确性。但该法探测深度最大不超过4m，只能对桩体上部进行检测，而且该检测方法也仅仅代表桩身小探头位置的强度，对桩体质量无法测定，而且对易于出问题的桩体下部无法检测，故该方法检测结果毫无代表性。
4.3 钻芯取样法
4.3.1 检测方法及要求
在成桩28d后，采用钻探设备，沿桩1/4轴线垂直钻进，钻头直径108mm，采用双管单动冲水循环回转钻进法，每一回次控制在1m~1.5m，钻芯取样法要求提供检测报告并保存全部岩芯。
4.3.2 钻芯取样法应用及局限性
由于钻芯取样法可通过室内抗压试验等直接反映搅拌桩的桩身强度，因此不少工程建设单位把钻芯取样法作为水泥搅拌桩施工质量的主要检测手段和重要依据。但是，水泥搅拌桩是一种非均质桩，在钻探取芯过程中水泥土很容易破碎，取出的试件做强度试验很难保证其真实性。同时取芯操作时会对桩体产生扰动破坏，致使桩体强度和承载力有所下降，影响软基加固处理的整体效果。为了确保取芯的完整性及强度试验的真实性，应有良好的取芯设备及工艺技术。同时为了不影响软基加固处理的整体效果，钻芯取样的检测量应适当。
工程实践表明，钻探取芯法可以从一个侧面反映出桩的质量，特别是对检测桩长、桩芯的连续性、搅拌的均匀性及水泥掺量等有较好的效果，但是必须和其他检测方法结合起来，才能全面检测桩的质量，否则有可能得出错误的结论。
4.4 芯样强度试验方法
水泥搅拌桩是一种介于刚性桩与柔性桩之间的桩体，其强度受到多种因素的影响，如水泥用量、土的含水量、土质类型、搅拌均匀程度和龄期等。在相同的施工工艺条件下，土质类型对桩体强度影响尤为明显，在珠江三角洲地区，由于软土地层较为发育，多由淤泥、淤泥质土、粉土、砂及饱和的软粘性土交替不均匀互层分布，土质结构复杂，对水泥搅拌桩室内强度检测方法的选择非常必要。
在《公路工程质量检验评定标准》(JTGF 80/1—2004)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79 —2002)中，均未对芯样强度试验方法做出明确规定，现实运用中多数工程建设项目是采用每2m取一组试件进行室内单轴抗压强度试验。这其中存在四个问题：其一，这一组试件能否代表整个断面的平均强度；其二，在选取试件时，往往是选用质量较好、较完整的部分作为试件，有可能造成误导；其三，桩身的不均匀性，引起检测的强度数据较离散。其四，从实际抽芯情况看，部分样品强度低，无法适用单轴抗压强度法试验。
珠江三角洲软土地层的复杂性导致同一根水泥搅拌桩在不同层位强度差别巨大，因此本人认为芯样强度试验应根据试样强度选择合适的试验方法。
4.4.1 单轴抗压强度试验
对于土质类型为粉土、砂层等搅拌而成的水泥搅拌桩芯样，因成型较好，类似水泥砂浆体，结构强度较高，因此可参照DBJ 15-60-2008《建筑地基基础检测规范》执行，每孔截取不少于6个试样进行天然湿度单轴抗压强度试验，取其平均值作为强度代表值。
4.4.2 无侧限抗压强度试验
对于土质类型为淤泥、淤泥质土等高含水量软弱土搅拌而成的水泥搅拌桩芯样，固化强度低，可参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》执行，每孔截取不少于6个试样进行无侧限抗压强度试验，取其平均值作为强度代表值。
5 结语
虽然水泥搅拌桩已经被广泛运用，但是对其如何进行全面质量检测，目前尚未有统一的国家标准规范，特别是在芯样强度检测方面，到目前还没有相关检测标准出台。在实施中其检测方法及检测数量主要是由地方质量监督部门、设计、业主等有关单位商定，具有随意性。本人根据实际工作所积累的经验，提出自己的一些看法，希望能引起国家建设主管部门的重视，早日建立有关水泥搅拌桩质量评定的国家标准技术规范，以解决施工中可能出现的技术问题。
参考文献
[1] YBJ225-91《软土地基深层搅拌加固法技术规程》
[2] JTG F80/1-2004《公路工程质量检验评定标准》
[3] JGJ 79 —2002《建筑地基处理技术规范》
[4] DBJ 15-60-2008《建筑地基基础检测规范》
[5] JTG E40-2007《公路土工试验规程》