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水泥土搅拌桩的前世今生

TRD工法 2021年4月2日 项敏 41




水泥土搅拌桩的前世今生




作者:王士国


原标题《水泥土搅拌捡屎》 


力图用通俗易懂的语言,介绍专业知识!读书使人进步,多读书,读好书,让我们有独立思想,不盲从。




引 子


水泥土搅拌,作为基坑支护工程止水、堵漏工艺,具有非常重要的作用。有效的止水措施,可以保证工程顺利实施。避免可能引发严重的质量、安全事故。




搅拌桩的由来


沿海地区,地下水位高。如果你想挖个坑干点儿啥,挖下去一两米,就会有水从土里渗出来。满坑积水,再做什么工程,就太不方便了。


水泥土搅拌桩的前世今生


于是有人想,怎么能隔断土里的水,不让它渗出来呢?那么把土里的水隔绝开来,就是一个不错的办法。


水在土里渗流,是因为土壤里的颗粒之间有孔隙,水在孔隙间存在和流动。填充颗粒间的孔隙使其致密不透水,就可以阻断水的渗流了。


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根据这个思路,有人设计了一种填充致密土体的方法,就是把水泥与水按比例搅拌成水泥浆,用高压泵把水泥浆注射入土体里并进行搅拌,水泥浆与土充分搅拌后,充填到土颗粒的孔隙间,细腻的水泥浆颗粒与相对粗粝的土壤颗粒相互级配填充,形成致密的水泥土。因其致密,所以水体很难通过其间流动,这就形成了事实上的阻(止)水墙。


水泥土搅拌桩的前世今生


现在,你如果还想挖个坑并在坑内做什么工程,就可以在坑外围一定范围内,制作一圈竖向的致密水泥土,让外围的水,被水泥土阻止不能向内渗流。这样在挖坑的时候,就不会出现渗水,也更方便构筑物的施工。


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这一圈致密的水泥土怎么制作完成呢?就是在一根管的前端焊上几个“翅膀”,把管子向下插入土里,一边插,一边旋转搅拌,同时从管子内部向底端注射水泥浆。旋转的管子带动翅膀转动,把喷射的水泥浆和土体均匀搅拌在一起,形成一根竖向的水泥土柱子。连续的水泥土柱子再横向相互咬合,连成一体,围成一圈,就成为水泥土搅拌墙,也叫止水帷幕。这种搅拌水泥浆与土形成的柱子,就叫水泥土搅拌桩。搅拌土体的管子,叫钻轴。


水泥土搅拌桩的前世今生


在沿海的高地下水位地区,施工基坑工程时,止水主要方法就是水泥土搅拌法。在需要止水区域,用一根带有搅拌翅的钻轴,旋转对水泥浆和原位土进行搅拌,细腻的水泥浆颗粒与相对粗粝的土壤颗粒相互搅拌混合,级配填充,形成致密的水泥土,阻止地下水在土壤中渗透流动,形成止结构。在土壤原位,对水泥浆、土壤进行搅拌成桩的方法,叫深层水泥搅拌桩。 




搅拌桩的形成


水泥土搅拌桩,因为是需要相互咬合连接成一体,有人把两根管子(钻轴)并排摆放,同时下沉搅拌,效率提高一倍。这就是双轴水泥搅拌桩。两根钻轴需要专用的打桩架提升起来,打的桩有多深,提升钻轴的打桩架就有多高。钻轴的上端是电机,电机带动钻轴旋转,带动钻轴上的翅膀不断搅拌土体。


水泥土搅拌桩的前世今生


后来,随着挖的坑越来越深,搅拌桩打的也越来越深。当深到一定程度时,人们发现,深部的水泥土搅拌不均匀,水泥浆含量减少了。因为达到一定深度后,土的上覆压力大,在喷射水泥浆的泵压不足、搅拌轴动力不足情况下,导致水泥土搅拌不均匀,注入水泥浆不充分。


为解决这个问题,又有人设计出了更大动力的深层搅拌设备,在搅拌轴上设计更多的“翅膀”,翅膀成螺旋状盘绕在钻轴上。在两个钻轴中间又加了一根钻轴,喷射水泥浆的同时,通过中间轴喷入高压空气。钻轴搅拌、高压空气翻腾,让水泥土搅拌更均匀,形成更致密的水泥土墙,这就是三轴搅拌桩(如果在水泥土中插入H型钢作为应力补强材料,则成为SMW工法桩)。在三轴搅拌桩基础上,也有人做成五轴,一个回次可以完成更多的水泥土墙体,不过目前五轴还不算主流。


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三轴搅拌桩设备


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五轴搅拌桩设备


深层搅拌桩之间相互咬合连成一体、一片,成为一道止水墙壁(帷幕)。为提高效率,把三根搅拌轴连成一体,一次下沉搅拌形成一幅较长的墙体,提高效率。同时在注入水泥浆的同时,注入高压空气,辅助水泥浆翻腾,提高水泥土的搅拌均匀程度。即为三轴搅拌桩,在桩体内插入型钢等材料提高墙体抗弯折能力,就是SMW工法。


随着挖的坑继续加深,人们发现,即便是大动力的三轴搅拌桩,在有些砂土层也有搅拌不动的情况,搅拌效率低下,咋办?于是,有人发明了另外的搅拌方法。把动力送到地下,减少了搅拌轴整体旋转阻力。搅拌方向也有所变化,改变了以钻轴为中心的旋转方式。向下深入一根钻杆,钻杆自身不旋转,钻杆下部安装一个动力装置,动力装置带动旋转头旋转,旋转头的轴垂直于钻杆。一根钻杆上,安装两个旋转钻头,钻头上安装硬质合金,可以切削更硬的土层。如三轴搅拌桩机一样,搅拌的同时,也喷入水泥浆和高压空气,让水泥土搅拌的更均匀,这就叫铣削深搅水泥土搅拌墙技术(也叫CSM工法或者SMC工法)。


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CSM工艺原理

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导杆式 CSM工法主机

水泥土搅拌桩的前世今生悬挂式 CSM工法机


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公众号:CSM工法


搅拌钻轴切削硬质土层存在难度时,把搅拌轴底部安装专用铣轮,设计成纵向切削土体、搅拌,同时注入高压空气提高搅拌均匀度,这就是双轮铣搅。 

 水泥土搅拌桩的前世今生




搅拌桩的堵漏


SMW也好,CSM也好,他们都是竖向施工一个个的桩,通过桩与桩之间的咬合形成连续墙体。桩的深度越深,对其垂直度要求就会更高。如果两组桩不能保持协调一致的垂直度,就有可能形成“劈腿”,导致搅拌墙的深部两桩咬合不上,起不到止水作用,发生渗漏。那么有没有什么办法,横向搅拌形成连续的墙体呢?于是有人发明了TRD工法。


TRD工艺,就类似把一把伐木电锯,竖向插入土里,然后再横向切割。切割过程,就是搅拌水泥土的过程。这样一个连续切割搅拌动作,形成一道连续的水泥土搅拌墙。



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水泥土搅拌桩的前世今生水泥土搅拌桩的前世今生 TRD工法原理


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TRD工法机


水泥土搅拌桩的前世今生
公众号:TRD工法网



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TRD工法演示


那么,即便是连续的水泥土墙,在工艺上也有转弯或者头尾相接的时候,是不是就一定能接的完美呢?亦或者如前面SMW和CSD水泥桩咬合而成的墙,如果有劈腿之处,怎么处理呢?


再或者,在挖坑时设立的防止土体垮塌的挡土墙,无论时间隔成排的钻孔灌注桩还是地下连续墙,在桩与桩之间的间隙,或者地下连续墙的施工缝,怎么处理呢?


这时候,如果采用水泥搅拌桩、SMW工法或者CSM工法,都很难实现咬合处新旧水泥土之间或者水泥土与灌注桩墙体的密切结合,搅拌轴或搅拌轮如果触碰到高强度的旧墙体,就会造成损坏;如果不接触到墙体,新搅拌的水泥土就不能与旧墙体密切结合,其不密切的结合处会成为地下水渗漏的主要部位。


为保证基坑止水最大程度的安全,对于可能出现的接缝渗漏,需要进一步处理。为了解决这个问题,人们想到了已有的另一种水泥土搅拌工艺,高压旋喷桩。


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高压旋喷桩,是一根细细的管子,直径几厘米,底端侧面一个几毫米的小孔,旋转着插入地下。管内注入十几兆帕压强的水泥浆液,带着高压力的水泥浆液,通过几毫米的小孔喷射而出,其力量足以打断一个人的腿。


正是这一股带着强劲冲力的水泥浆,通过旋转喷射,切割着土体,在切割的同时,水泥浆与土体不断搅拌,形成水泥土桩。


虽然水泥浆可以切断腿,但是遇到更硬的混凝土时,则显得“遇强则弱、遇弱则强”,不能伤及混凝土分毫,但可以清洗混凝土外皮并与其密切接触,完美解决了劈腿、接缝的密封问题,这就是高压旋喷桩。


止水墙体在施工过程中,因为工艺的要求,会出现接缝。接缝不好,将成为止水帷幕的渗漏点,造成工程隐患。为去除隐患,对可能发生渗漏的区域,同样用水泥土搅拌的方法进行补强。


因为二次补强工艺要求不破坏原有墙体,所以补强搅拌方法不能机械强制搅拌。高压水泥浆射流,对土体进行切割、搅拌,不会伤及原墙体,即高压旋喷法。用十几兆帕的压力,通过只有几毫米的小孔喷射而出,强大的浆流切割土体,钻轴上下移动搅拌水泥浆成桩。这就是高压旋喷桩。


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当然,高压旋喷工艺也会遇到前面几种工艺遇到的问题。当达到一定深度,土的上覆压力增加,不能对水泥土体进行充分搅拌,仍有渗流发生。于是,有人在喷水泥浆的管子外面再套一层管,里面一层管子喷水泥浆,外面一层管子喷高压空气。先用水泥浆切割、搅拌土体,如SMW一样,再用喷出的高压空气,对水泥土有一个翻腾的作用,使水泥土搅拌的更均匀,保证了水泥土体的搅拌质量。


后来随着深度增加,上浮土压力增大,喷射出的水泥浆强度逐渐衰减,出现了即便是两层管的工艺,土体搅拌直径缩小问题。于是有人又往外面套了一层管子,在第三层管子里,喷出的是高压清水,用高压清水先切割一部分土体,再用水泥浆径向延伸切割范围,从而保障切割、搅拌直径。


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这样,单管的就叫单重管高压旋喷桩法,双层管的就叫双重管高压旋喷桩法,三层管的就叫三重管高压旋喷桩法。


为提高切割桩径、提高水泥土搅拌均匀度,再加入高压空气、高压清水,分别成为高压旋喷桩里面的双重管和三重管工法。


高压旋喷桩的层层套管,工艺复杂。但是随着深度的增加,搅拌桩直径仍然会逐步缩小。


随着机械加工水平的提高,根据三重管的思路,有人又重新设计了全新高压旋喷设备,在一根相对粗一些的管子外壁里,加工出小直径的孔。在这些孔中分别通过高压水、高压空气、高压水泥浆。在管子端部,位置稍高一些的两个喷口,分别喷出高压水和高压空气;位置稍低一些再有两个喷口,分别喷出高压水和高压水泥浆。


上层一组喷口对土体进行切割搅拌,下层喷口对在上层切割搅拌后的基础上,对土体进行径向延伸切割搅拌。这样就可以保证更大的水泥搅拌桩桩径。这种在径向上分段切割搅拌的水泥搅拌桩工艺,就是RJP工法。


水泥土搅拌桩的前世今生

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三重管高压旋喷工艺复杂,对管路进行优化组合后,在钻管喷口分层改造,上层喷射高压水和高压空气,下层喷射高压水泥浆和高压空气。上层一组喷口对土体进行切割搅拌,下层喷口在上层切割搅拌后的基础上,对土体进行径向延伸切割搅拌。保证更大的水泥搅拌桩桩径,这种在径向上分段切割搅拌的水泥搅拌桩工艺,就是RJP工法。 



搅拌桩的完善


随深度增加,为了保证桩体直径,喷射的水、水泥浆需要更大的压强,可能达到几十兆帕,切断大腿那是秒断的事儿。这么大压强喷出的液体,虽然很好的切割了土体,保证了桩径,但是喷出的液体也带着同样大的压力在地下水泥土内积聚。


土体内的高压导致水泥土向外围移动扩散,对于桩体附近的敏感建筑是一种威胁。比如在地铁隧道外壁附近施工,高压土体挤压地铁隧道,造成变形。即便是微小变形,对地铁运行也会造成极大的威胁,那怎么办?


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为了解决高压挤土变形问题,又有人在此基础上设计了新的工艺。在喷出的高压水和高压水泥浆对土体进行切割、搅拌后,通过管子的中孔,把多余的水泥浆吸走,排出到地表。这样既切割了土体,又降低了切割后土体的内压力,减小挤压扩散,有效保障了敏感建筑物不被挤压变形。


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其设计理念,就是在粗管子外壁内的小孔,分别注入高压水泥浆,高压水,高压空气,最神奇的是还有一套管路在管子端部增加一个压力传感器,随时监测搅拌后水泥土内压力,内压力达到一定数值,自动开启排浆系统,多余的浆液通过大管子的中心内孔排出到地表。这种新设计的工艺设备,就是MJS工法。


水泥土搅拌桩的前世今生


MJS随时排浆的设计,保证了水泥土的内压力不超过一定数值,也就保证了没有高压力对土体挤压扩散,保障了周围敏感建筑物的安全。


MJS是目前搅拌桩里最先进的工艺了。但是,先进的工艺,并不代表普适。先进工艺向下兼容性好,但是先进工艺的价格成本也更高。所以,在满足工程要求的前提下,人们会尽量选择成本更低的工艺。


就如同非诚勿扰上的男女婚配,虽然英俊、潇洒、漂亮的俊男靓女很多,但是最终走到一起的,一定是最适合的,而不是最好的。同理,一个场地采取的工艺,也一定是最适合而不是最好的。


RJP工艺很好的解决了水力切割、搅拌水泥土问题,但是高压力对水泥浆土体及其周围敏感建筑物造成挤压破坏的隐患。为消除隐患,在搅拌轴中进一步改造,设计压力实时监测系统和浆液回收系统,对高压射流造成的水泥土压力实时监测、实时抽排减压。既保证了切割土体直径,也保证了高压力的困扰,这就是MJS工艺。 




搅拌桩的应用范围


具体说,5米深基坑止水,可以选择双层搅拌桩;10米深基坑止水,会选择SMW工法;20米深基坑,会选择TRD;在搅拌桩深度范围内如果有特别硬的土层,会选择CSM或者CSM+TRD的复合工艺。

同样,在不同深度基坑的水泥土墙接缝处,如果需要堵漏,会根据不同深度、不同位置、临近的不同建筑物,分别选择高压旋喷、RJP、MJS等不同工艺。

说了半天搅拌桩的止水作用,其实搅拌桩还有另外一个重要用途,就是作为复合地基处理的重要方法。这个以后有机会再说吧。

每种工艺都有其适用性。更高级、更先进的工艺可以向下兼容,但是经济上并不一定合理。要选择最适宜而不是最优方法解决问题。 



结  尾

简单介绍了水泥土搅拌方法的几个工艺,多有谬误之处,欢迎批评指正。


来源微信公众号:土说 

作者:王士国

编辑整理:项 敏





TRD工法


TRD工法(Trench-Cutting & Re-mixing Deep Wall Method),又称等厚度水泥土地下连续墙工法,其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中,然后作水平横向运动,同时由链条带动刀具作上下的回转运动,搅拌混合原土并灌入水泥浆,形成一定强度和厚度的墙。

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TRD工法通过水平横向运动成墙,可形成没有接口的等厚连续墙体,其止水防渗效果远远优于柱列式地下连续墙和柱列式搅拌桩加固,其主要特点是环境污染小、成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、防渗性能好、施工安全,与传统柱列式地下连续墙相比隔渗,经济性好。 


TRD工法适应粘性土、砂土、砂砾及砾石层等地层,在标贯击数达 50~60 击的密实砂层、无侧限抗压强度不大于5MPa的软岩中也具有良好的适用性。可广泛应用于超深隔水帷幕、型钢水泥土搅拌墙、地墙槽壁加固等领域。


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