深层水泥搅拌桩复合地基的监理暨施工组织设计的审核

guoloveyou2003

深层水泥搅拌桩复合地基的监理暨施工组织设计的审核。
深层水泥搅拌桩复合地基的监理
      
CEO [摘要]：本文对深层水泥搅拌桩的监理提出了一些见解，特别是在施工过程中的监理作了较为详尽的阐述，并对设计、检测方面的一些问题也作了概述，对以后类似工程有一定的参考作用。
    1.前言
    深层搅拌法由日本在70年代中期开始推广使用，简称CMC工法，是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深部就地将软土和固化剂强制拌合，当用水泥作为固化剂时，它与水反应生成的水化生成物再与土中的矿物起反应，从而胶结了粘土颗粒形成强度较高的水泥土；当用生石灰作为固化剂时，它与软土混合后发生吸水、膨胀、发热及一系列化学反应，如离子交换、火山灰反应、碳酸钙反应等，从而提高软土强度。我国许多地区一般采用水泥作为固化剂的主剂，同时对深层水泥搅拌桩复合地基的应用，目前还处于半经验半理论的阶段。
    2.工程概况
    云南志城房地产公司青年公寓为一幢七层砖混结构住宅，占地1300m2，原设计为振动沉管灌注桩，因该建设项目位于住宅小区内，桩基施工时其噪音大，并对相邻建筑物的影响也很大，通过全面地分析、比较，监理单位建议采用深层搅拌加固法比较适宜；结合地质条件和昆明地区对该工艺的应用经验，业主方和设计方同意改为深层搅拌桩，本工程选用水泥为固化剂主剂，采用单轴搅拌机械，三次提升喷浆搅拌工艺，多排柱状布置桩位，设计时根据上部荷载对地基承载力的要求单桩极限承载力为120KN，复合地基极限承载力170Kpa，桩长为9米，每米水泥的掺入量为73Kg，掺入比达20%，磷石膏为12-14Kg，并适当加入减水剂及粉煤灰；置换率平均为0.25，个别部位达0.33，一般在0.28左右，桩径为0.5米。
    3.设计阶段的监理
    工程建设项目设计阶段的监理所包含的内容很多，对于目前来讲，涉及到知识产权和责任的问题，现仅将本工程在设计阶段我们重点监理的内容归纳如下：
    （1）、对地质勘察资料的审查；主要是了解地质的情况是否能够满足深层搅拌桩的要求，如含水量、有机物等均与深层搅拌桩的质量有着相当大的关系；比如含水量多少的问题，含水量如果超过50％及其以上，对选择注入固化剂的方式有着非常大的关系，含水量过大，则应当采用粉喷施工工艺，如果含水量在30％左右，采用喷浆工艺比较适宜，过大的含水量再用喷浆工艺，对成桩的质量是有一定影响的；同理，有机质过多，对成桩质量也是有一定的影响，过多的有机质，在施工过程中，容易包裹搅拌机械的钻头，施工后的桩就会出现搅拌不均、桩身出现结核等一些工程质量上的问题，直接影响桩的承载力；同时，该工程有一部份地基土是回填土，根据一些研究资料表明，回填土的质量对桩的承载力是有影响的，为此，我们在监理过程中，对回填土部分也进行了检测，主要是通过轻便触探器（N10），根据轻便触探击数用对比法确定土质的承载力；其次是采用双桥静力触探，根据其测试的端承力和侧摩阻力来判断其地基土的承载力，根据上述检测手段来对地基的承载力进行综合的评价，同时在设计时为确定桩位的布置形式起到了相当于大的作用；比如，下卧层又比较软，而搅拌桩机的有效桩长又有限，针对这种情况，就应采用格栅状布置桩位，使全部的搅拌桩形成一个整体，以减少产生不均匀的沉降；再就是地下水是否含有硫酸盐及其含量的大小等，因硫酸盐与水泥发生反应，对水泥土具有结晶性侵蚀，丧失土体的强度；因此，对地质勘察资料的审查是非常重要的，在本工程中，上述工作纳入我们的重点监理对象。
（2）、对设计文件的审查；我们在设计监理过程中，主要是将发现的问题及时向业主及设计人员提出，在本工程，我们主要做了复核置换率和对桩的承载力以及地基承载力的确定、取值上的监理工作，在实际工作中，对于置换率的复核从两个方面来复核，一是全场复核其置换率是否达到设计上的所提出的值，二是局部的抽查其置换率是否满足提出的设计值。加固设计时根据地基承载力要求按下式求置换率：

                fsp-βfs
        ｍ   ＝      Nd
                     Ap     －βｆｓ
                     
上式式中：ｍ为置换率(%)；ｆｓｐ为复合地基承载力设计值；          β为桩间土承载力折减系数；ｆｓ为桩间土地基承载力标准值（Kpa）；Ｎｄ为搅拌桩单桩竖向承载力设计值（KN）；Ａｐ为搅拌桩的截面积(m2);对于桩和地基承载力的复核，主要是看设计人员对承载力的取值是否合理、经济，在本工程中，我们对单桩的承载力和地基的承载力均进行了复核；在本工程的搅拌桩设计前，因业主方对工期要求紧，坚持不进行室内水泥土配合比试验和试桩施工，所以，设计人员按照地质勘察报告中各土层的力学性质指标进行计算后确定桩的承载力，我们认为水泥土搅拌桩不能采用其它刚性桩一样来进行单桩承载力的设计，因此，我们认为水泥土单桩承载力的取值偏大，如果只满足复合地基的承载力，则单桩的承载力就用不着达到120KN，根据GBJ7-89《建筑地基基础设计规范》对本工程的地基承载力进行计算，基础底面处的平均压力设计值小于地基承载力设计值，因此，只要能满足复合地基承载力达到170Kpa就行了；虽说对单桩承载力的提高，结构的安全储备比较大，但不经济。
４.施工阶段的监理
    施工阶段的监理是本工程的重点，在进行监理工作开展前，我们首先确定了监理实施细则、方案，具体来讲，我们做了以下工作：
（1）、施工组织设计的审查
对施工组织设计的审查，主要是看施工单位在这项工作上的质量、进度、投资的控制措施是否得当，审查的重点当然是质量，施工质量是好还是差，①核查资质；对资质的核查，又要从两个方面去查，一是施工单位的资质，二是施工人员的资质。②审查项目组织的组织情况；笔者认为，审查的主要内容是项目部里面的“人”的情况，为什么这样说呢？在工程质量控制中，首先是“人”对质量的影响比较大，从哪些方面来说明呢？一是人的专业技术水平的高低，其专业水平不一样，那么他对质量的认识程度、处理问题的出发点，包括效果、方法、措施均不一样；二是“经验”，经历不等于有“经验”，从现在一些施工单位对项目经理部配置的技术人员来看，工长在某一个工种上的能力是比较可以的，如混凝土工长，他原来的混凝土工作是干得好，甚至是相当有名气的，但他不一定干得好钢筋工作、模板工作或者说项目经理的工作，就如本工程来讲，你管理过许多项目，但你对深层水泥搅拌桩这样的工程项目管理过吗？你所管理的是某一方面还是全部？管理的结果如何？这一系列均是“经验”考核的标准，因此，我们在对施工人员的资质审查时，重点就从这方面来评价一个人的能力；三是工作质量，工作质量决定工序质量，工序质量决定产品质量，因此，一个施工人员的工作态度、作风好坏是决定产品质量的前提；对于上述的审查工作，从目前来讲，还没哪一个施工单位在提供施工组织设计时，将项目部的每一个人员简历、经历写得那么详细，我们在对其进行审查时，主要从平时交谈中和实际工作中来了解情况。③审查质量控制措施；这方面的审查有两方面，一是施工过程中的质量控制措施，二是出现质量事故后的处理措施；从目前来讲，施工单位在对施工过程中的质量控制提的比较多，而对出现质量事故后的处理措施相对比较少，甚至没提，而施工单位在编写质量控制措施时，大多数也是按照相关资料上摘抄，或者说在原类似工程的施工组织设计上修修改改，重新抄上一遍应付了事，很少针对工程的具体情况来编写，因此，我们在审查质量控制措施时，注意了三个原则：一是施工过程中的质量控制是否得当，二是发生质量事故后的措施是否得当，三是提出的措施在本工程上的实用性。④进度控制与劳动力的配置；在施工组织设计中，许多施工单位对进度计划提一个网络图来，而对机械化的施工程度和配置率、劳动力的安排等少于在网络上反映出来，监理工程师在审查其网络计划时，又很少对网络计划中事件的持续时间、时差、搭接等进行计算，了解的只是一个大的方向，只要是在合同规定的时间内将一些工作“排”完了的，至于工序间的搭接、持续时间等是否合理则很少注意，因此，我们在审查其施工组织设计时，还着重对这方面进行了审查。⑤投资控制与合同管理；施工项目部同样对工程进行投资控制和合同管理，他对投资上的控制属于施工成本控制，与业主的投资控制在质和量上是有一定的区别，而我们对施工单位在施工组织中的投资控制措施的审查，主要是审查其技术措施是否得当，比如土方开挖，按劳动定额采用0.5立方的挖掘机就可以，而施工单位则采用1.5立方的挖掘机;再如就是抽水机，用50mm管径的就可以了，就不应该用100mm甚至更大管径的抽水机，象这种比较大的机械设备其进出场费、台班费就相对高，因此，我们在审查时就应针对诸如此类的技术措施向施工单位提出，并要求更改，特别是象一些业主单位与施工单位对结算方式采用“按实结算”的这类合同，如果随便就签上“同意该施工方案”，那么随之签认的就是一笔“冤枉钱”！
    （2）、施工机械及其设备的检查
    施工机械的好坏，与施工质量的高低是分不开的，对施工机械的检查，着重做了以下几点：①、灰浆泵系统的检查，检查的主要内容是灰浆泵的泵送压力、管径、搅拌桶容量等的具体数据，掌握了这些数据，对搅拌桩的质量控制是非常重要的；②、搅拌机械的检查，检查的内容主要是搅拌叶片的多少、间距、直径、搅拌速度、提升速度；③、操作平台的检查，主要内容是制动系统、提升系统是否可靠、电流电压表是否符合要求。
（３）、施工过程中的监理
    施工过程中的监理同样是相当重要的环节，有些施工单位在编写施工组织设计时写的是一套，实际干的时候又是另一套，因此，我们在监理的过程中，除了要审查其施工组织设计的合理性外，则在施工过程中同样要发挥监督、管理的作用；在本工程中，我们对施工过程中的监督管理主要做了以下工作：①、做好施工放线的验线工作及桩位复查工作。本工程的一个特点是场地的限制，没有过大的回旋余地，一是距铁路的距离不能少于30M，二是距原小区房屋的距离也不能少于4M，同时业主单位又在进行场地的变更，给施工放线带来了一定的困难，也给我们的监理工作带来了一定的困难，因此，对轴线和桩位的复查是至关重要的。②、为了保证水泥土搅拌桩的施工质量，在进行深层搅拌的施工过程中，我们主要控制以下几点：A、搅拌深度；按照设计的要求，桩长应为9-9.5M，在实际施工中，业主方认为应象其它刚性桩一样要搅拌轴搅到无法再向下搅拌为止，如果按此进行施工，桩机钻杆长度就不够，施工单位就应改装搅拌机械，为此，我们查阅了大量的相关性资料，认为没有必要钻到钻不动为止；从搅拌桩加固的目的讲，它主要是利用固化剂与软土的一系列的物理-化学反应，使软土硬结后成为一块大而厚的具有整体性、水稳定性和一定强度的实体地基，如果上部结构对裂缝和沉降量的要求比较大，则按下式对下卧层地基强度进行验算：
       fsp·A+G-Asqs-fz(A-A1)
Pb=                                              A1
式中Pb为假想实体基础底面压力(Kpa); G为假想实体基础自重(KN);  As为假想实体基础的侧表面积(m2); A1为假想实体基础底面积(m2);  fz为假想实体基础底面经修正后的地基承载力设计值(Kpa); qs为桩周土的平均摩阻力标准值(Kpa)；A为上部结构物基础底面积（m2）；同时根据搅拌桩和桩下各层土的压缩模量对复合地基的沉降量进行计算，将上述两项进行叠加，就可以得出建筑物的理论沉降量，本工程按上述计算后，通过与设计人员对上部结构变形的要求进行对比，各项指标均能达到要求；因此，无需要使其搅拌到不能再向下搅拌为止。B、喷浆量的控制；喷浆量的多少，直接影响到桩的强度，在现场实际监理工作中，对深层搅拌机单位时间（min）内浆液的喷出量q（KN）取决于钻头直径、固化剂掺入比及搅拌轴提升速度，其关系如下：
    q=π－４D.γs .αw.ν
式中：D为钻头直径（m）；γs为土的重度（KN/m3）；αw为固化剂掺入比（%）；ν为搅拌轴提升速度（m/min），根据上式计算出理论喷浆量，与实际喷浆量进行对比，如果喷浆量过多或过少，就要求施工单位调整，并对有质量隐患的进行返工处理。C、水灰比的控制；在控制过程中，首先对拌浆桶进行测量计算其容重，并在桶壁上标注符号以使每次配浆时水的容重一致，然后根据桶中水的容重依设计的水灰比投放水泥；但是，在长时间的拌浆之后，桶壁及拌浆叶片会附上一层厚厚的浆料，为保证其水灰比的正确性，同时要求施工单位经常将其清理干净；另外同步对水灰比进行控制的方法是对施工单位所用于深搅桩的水泥进场时进行验收、登记，其主要作用就是根据已进场的水泥量，通过理论进行计算，该批水泥能搅拌多少米水泥土搅拌桩，再根据实际的水泥土搅拌桩的延长米计算出应要多少水泥，两者进行对比，除去一定的损耗，就可以知道其水灰比是否正常。D、施工过程中对桩的检验；根据YBJ225-91《软土地基深层搅拌加固法技术规程》中的要求，在近七天内已完成的工程桩中抽2%的桩进行成桩质量检验，一般采用轻便触探器钻取桩身土样，观察其搅拌均匀程度。同时根据触探击数（N10）用对比法判断桩身强度，并作好记录；对不能达到要求的，立即要求施工单位进行处理，直至符合要求为止。但是在实际监理过程中，对这种掺入比较大的水泥土桩进行轻便触探器检测桩身质量，在成桩三天后进行检测就很难；因为在施工时为保证搅拌桩的施工质量，钻头一直要提到表面且要看到喷浆嘴在喷浆才能向下继续搅拌，因此，地基表层就会有一层由水泥浆固结后的“土”，如果不将这层“土”清除，直接进行检测。对检测的真值是相当大的。③、材料选用；在进行施工前，与业主方及施工方对搅拌桩所用的水泥品种及标号均作了落实，在进行搅拌桩设计时，设计人员未对水泥的标号作出特别要求，我们根据相关资料及昆明地区对水泥土搅拌桩的施工经验，决定采用425#普硅水泥作为固化剂，采用325#水泥不是不可以，提高水泥（固化剂）的标号，是保障施工质量的前提，对提高水泥土的强度是有利的，这是为保证水泥土搅拌桩质量的措施之一；粉煤灰是具有较高的活性和明显的水硬性的工业废料，掺入土重的5-10%的粉煤灰，比不掺入粉煤灰的水泥土提高45%-85%，而且明显提高水泥土的早期强度，包括在水泥中掺入相当于水泥重量2%的磷石膏，也可以使水泥土强度提高20%左右，但不能过大，否则会使水泥土变成脆性；因此，加入适当的外掺剂乃保证水泥土桩的质量又一措施。④、施工过程中对问题的分析与处理；任何一家施工单位，在进行施工时均会出现这样和那样的不同程度的问题，关键是如何预测将要出现的问题和处理好已出现的问题，现将在本工程中出现的问题归纳入下：A、裹桩头；主要原因是个别部位的有机质含量比较大，从挖出的土在现场进行鉴别，通过看，可见一些未完全腐烂的杂草、树根，通过嗅，有很大的臭气，由此可以说明土中有机质含量过大会导致包裹桩头，处理的方法只有随时清理桩头上的杂物，以避免搅拌桩出现搅拌不均、有核心等；B、堵塞泵浆管；主要原因是输浆管未清洗干净、搅拌浆桶的过滤网破坏、水灰比过小、浆体沉淀等，对于前几项处理的方法可按具体的操作规程进行处理，对于浆体沉淀，施工中因长时间未能将桶内的浆液用完时，在继续使用前，将已沉淀的浆液搅拌均匀后才能泵送，另外就是掺入一定比例的减水剂，有利于泵送；C、桩顶强度低，产生的主要原因是表层加固效果差，由于地基表面覆盖压力小，在拌合时土体上提，不易拌合均匀，处理的方法是根据水泥土搅拌桩的受力特点，其最大轴向应力位于桩顶的2-3倍桩径，因此，将此范围内的水泥土挖去，然后将挖去的地方用C10混凝土浇筑好；D、水泥用量超量的分析；目前还没有一个确切的数据对于超量的具体比例提供参考，通过我们在施工中所了解和掌握的情况来看，主要原因：其一，如果下卧层地基的强度能满足上部荷载的要求，搅拌桩无需施工到搅拌轴不能再向下搅为止，而业主方为慎重起见，觉得还是搅到目前搅拌桩机的最大深度为止（搅拌轴最长为12米）；其二，在搅拌过程中，为了保证搅拌轴在土体内喷头能喷浆，在入土前要求见到浆液喷出后才能插入土中；其三，地下障碍物过多，反复喷浆搅拌直至清除障碍为止也是水泥超量的主要原因之一；其四、人为的浪费；上述是本工程水泥超量的主要原因。E、桩径减小的原因，主要是叶片在长时间的搅拌过程中，与土体发生摩擦后其直径变小，处理的方法是经常检查搅拌轴叶片的直径，少于设计要求的，责成施工单位立即更换叶片。F、搅拌不均，产生的原因主要是桩头叶片间距过大或叶片太少，再就是提升速度过快、桩头被包裹等。
（4）、桩基工程检测的几个问题
通过对桩基的检测来证明桩基施工的质量好坏，在这里要说明的是在进行桩基检测过程中，我们要注意到的问题：其一，目前对桩的静载试验一般采用的是压重平台反力装置，检测单位在进行静载检测时，为省事，其操作面留得太小，且固定百分表的基准桩应距试桩不得小于2米，离试桩桩顶不小于0.5倍桩径，测试人员在过小的操作面观测数据时不方便，会导致数据失真；其二，试桩离基准桩太近，试桩的沉降会引进基准桩的位移，也会导致测试数据不准；其三，承压板的面积、变形程度同样对测试结果有影响；其四，外界条件对测试结果的影响，如天气、场地振动等；以上情况在实际工作中，不管是监理、业主、设计、施工单位，一般都不会去注意这个问题，对检测人员好象是一百个放心，人们只注重到测试的结果，去怀疑施工单位的施工质量，而很少人去怀疑测试人员的素质、测试精度、测试仪器、测试设备，再就是说不好听一点就是自己对检测方面的知识的缺乏，也是无从“开口”，因此，我们在实际工作中除了要甘当“小学生”外，重要的是如何来努力提高自己诸方面的水平。本工程桩基检测，因其它原因对静载检测结果的影响，先后做了静力触探、小应变、钻芯检测来综合分析地基承载力；在这里特别说明一下“小应变”，也叫“低应变”，它仅能对桩的成桩质量进行检测，对于承载力的分析是不可靠的；小应变所检测的结果是一个定性而不是一个定量的问题，也就是说通过检测发现了缺陷，这是一个定性的问题，但这个缺陷能影响多大的承载力是谁也讲不清楚的，这是一个定量的问题，因此，确定桩基的承载力，在条件允许的情况下，最为可靠的还是静载试验。
目前国内广泛应用还有“高应变”动力检测桩基，所谓的桩基的高应变动测，就是在动测过程中利用外力使桩身产生较大的位移，进而可以对桩身的质量和承载力进行判断。高应变动力检测一般使用被测桩极限承载力的百分之一重量的重锤提高50-2500mm自由落体对被测桩顶进行冲击，在冲击荷载作用下，桩和桩周土之间出现瞬态的剪切破坏模式，从而充分地激发桩周土对桩的全部阻力，计算机将由此产生的各种信号通过处理，由此得出桩的承载力；根据水泥土桩的特性，它是半刚半柔且具有一定压缩性的桩，因此，水泥土桩做高应变动力检测的意义和价值不大。
5.一点体会
    地基与基础工程在整个工程项目建设中，所投入的资金和所占用的工期，分别为项目总投资和总工期的三分之一，主要是由于其复杂性和不可见性的因素所决定的，因此，在监理过程中，要求我们的监理工程师应具备相关专业技术水平，因对质量的事前、事中、事后控制的措施，几乎是基于相关专业技术水平之上；古人云：“万丈高楼从地起”，可见地基与基础工程在工程建设中的重要性，而我们的土建监理工程师，对专业技术掌握的程度，大部份是偏重于上部结构，在某种程度上是不能完全体现我们的“监理”作用的；因此，我们要努力地提高自己的相关专业技术水平，要敢于说“不”！向设计单位说“不”，向勘察单位说“不”，向检测单位说“不”。
    诚然，因笔者个人水平有限，谬误之处在所难免，肯请业内人士批评，也愿就地基与基础工程与各位进行探讨、学习，乞不吝指教。

     在编写此文中，得到云南省建筑科研所总工肖永庆、昆明冶金勘察设计院杨升东高级工程师、云南省煤炭设计院李忠工程师、昆明西山建筑设计院蒲治钿工程师的帮助与支持，在此一并表示谢意。

参考文献:
[1]  YBJ225-91《软土地基深层搅拌加固法技术规程》.冶金工业出
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[5]  杨伟量等《地基基础工程监理指南》.上海科学技术出版社.上 海.1999.
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[7]  《桩基工程手册》. 中国建筑工业出版社.北京.1995.
[8]  JGJ79-91《建筑地基处理技术规范》.中国建筑工业出版社.北京.1995.；
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[10] YB9010-98《岩土工程验收和质量评定标准》.冶金工业出版社.北京.1999.
[11] 夏才初等《地下工程测试理论与监测技术》.同济大学出版社.上海.1999.