水泥砂浆搅拌桩加固机理及应用

党世伟

(中铁三局集团有限公司，山西太原 030001)

水泥砂浆搅拌桩经过深层搅拌机的搅拌作用，水泥和软土能够均匀搅拌混合，发生一系列物化反应，软土得以固化硬化而组成一定强度、水稳定、整体性的优化地基［1］。在我国被称为水泥土搅拌桩。20世纪60年代，瑞典和日本先后提出地基处理的深层搅拌法，用于处理各种软弱相的地基，固化剂大多是石灰或水泥。1977年，国内交通部水运规划院和冶金部建研院地基所进行了深层搅拌法技术的施工机械和室内试验的研究工作。1980年，在宝钢的三座卷管器械的加固软基工程中率先将深层搅拌法引入实际施工并取得成功。几十年来，水泥系深层搅拌机械与施工监测记录仪在我国不断发展，使施工质量得到可靠的保证。水泥系深层搅拌法在全国大部分城市的工业厂房、基坑支护、民用住宅等工程中广泛应用，获取了很好的经济技术效果。

1 水泥砂浆搅拌桩固化原理

水泥搅拌桩处理软土地基的固化原理都是以水泥加固土的物化反应过程［2，3］为基础的。在水泥加固土中水泥占总量的7%～20%，含量相对较少，水泥的物化反应过程都是在具有一定物化活性的软土中完成的。

1.1 水泥的水化和水解反应

普通硅酸盐类水泥的矿物组分为:CaSO4，2CaO·SiO2，3CaO·SiO2，4CaO·Al2O3·Fe2O3，3CaO·Al2O3等。软土中搅和水泥后，水泥微小颗粒的表层矿物组分与软土成分快速发生物化反应，生成Ca5Si6O16(OH)·4。

H2O，Ca(OH)2，3CaO·Al2O3·3CaSO4·30～32H2O 及3CaO·Al2O3·CaSO4·nH2O等化合物。以上化学反应生成的Ca5Si6O16(OH)·4H2O，Ca(OH)2在水中能够速溶，使得水泥颗粒表层又一次裸露，与水发生物化反应，所以水溶液渐渐饱和，虽然此后水分还能渗入水泥颗粒的内部结构，但是，新的生成物因为饱和而不再溶解，而以细散状态，悬浮在溶液中，构成相对稳定的胶体状态。在这类物化反应过程中，普通硅酸盐类水泥中四种主要的矿物水化速度如图1所示，如图2所示为水化强度变化曲线。

1.2 水泥水化物与粘土颗粒之间的反应

水泥水化反应的生成组分有两种趋势，一部分渐渐硬化形成水泥的骨架，另外一部分和周围具有一定活性的粘土发生物化反应。

1)团粒化作用和离子交换。水泥水化生成组分的比表面积为水泥原颗粒的一千倍，从而生成很大的表面能，形成吸附活性，致使土团颗粒聚合起来，增强其强度，也关闭了土团之间的缝隙，构成坚固的连接。在宏观上表现为水泥强度增大。

图1 水化速度

图2 水化强度

2)硬化作用。水化反应中，大量Ca2+析出，当其超过离子交换的界限，并且在碱性环境中，与粘性土的组分Al2O3及SiO2发生化学反应，生成不溶于水的化学性质稳定的结晶化合物CAH，CSH长石钙黄水化物。新组分能够慢慢硬化，增大混凝土的强度。并且其有抗水性，是致密结构，水分不易浸入。经过X射线的衍射试验，对比天然软和粘土龄期5个月的水泥土的衍射图谱时，指出在6.75°的θ角处为一个新的波峰出现(见图3)，通过d值查出它是:3CaO·Al2O3·CaCO3·H2O的表针峰值。

图3 水泥土与天然软土X射线衍射对比试验分析

1.3 碳酸化作用

水泥反应中形成的游离Ca(OH)2吸收CO2而发生碳酸化反应，生成不溶于水的组分CaCO3，此反应增加水泥土强度，可是该反应速度较慢，使得强度增长缓慢同时幅度也较小。水泥水化反应的胶结作用是水泥加固土强度来源，其中Ca5Si6O16(OH)·4作用最大。水泥土的搅拌混合越充分，水泥越均匀分散到土中，则其整体强度的不均匀性越小，总体强度也越大。

2 向莆铁路的软基条件

向莆铁路是赣闽两省间新建的一条大能力、高标准的快速铁路，以适应未来福建至江西等中西部地区的客货交流需要，满足未来经济发展的需要。根据运量预测，向莆铁路近期(2020年)客车50对/d，货运1 260万t/年;远期(2030年)客车75对/d，货运1 773万t/年;远景年输送能力为客车100对、货运量2 000万t。

向莆铁路某标项目部的设计软土路基数量为110 861延米，位于地势平坦，丘间谷地区，多辟为农田。从上到下的地质条件如下:①种植土，部分是人工填土，填高大概2.3 m;②流塑淤泥质粉质粘土，褐灰色;③中砂，褐黄色，中密，饱和，厚约0 m～1 m;④)砾砂，褐黄色，中密，饱和;⑤饱和细圆砾土，中密～密实，褐黄色;⑥全风化花岗岩Y52(3)a，褐黄色。此工程路堤填高约9 m，地基软土地段长大概372.5 m。

3 水泥砂浆桩的设计条件

结合设计荷载及沉降要求和勘测成果，采用水泥砂浆搅拌桩加固该段软土地基，设计要求情况:水泥砂浆搅拌桩的桩长8 m～8.5 m，桩径0.5 m，按正方形布置，桩间距1.3 m，桩端持力层需要打入第⑥层。采用水泥P.O42.5及以上普通硅酸盐水泥，灰砂比在1∶0.3～1∶0.7，水灰比在 0.45～0.7，其中:砂为粉煤灰、粉细砂、中砂;此地基地段软土中共有水泥砂浆搅拌桩5 508根，总计28 109 m。水泥砂浆搅拌桩复合地基设计承载力特征值是130 kPa，单桩承载力的特征值是130 kN。

4 加固效果分析

4.1 加固体的桩身强度

1)N10检测。通过水泥土强度与N10(现有轻便触探击数)的对比关系来说，当龄期7 d水泥砂浆搅拌桩桩身的N10击数超过30击时，桩身强度同时也能满足设计要求，N10检测的频率占桩总数的1%，在桩径1/4处设置触探点，N10的深度一般不大于4 m。本工点经过随机选出55根龄期7 d水泥砂浆搅拌桩，进行N10试验，在桩长范围内检测其N10均超过30击，同时桩身均匀搅拌，符合设计要求。

2)抽芯检验。在成桩28 d后的水泥砂浆桩，在1/4桩径处使用单动双管取样器在桩长区域内取芯，此实验主要是对水泥砂浆搅拌桩的桩身质量的检查，如桩体抗压强度、完整性、坚硬程度、搅拌均匀性、含灰浆量等，选取占施工桩总数的0.2%水泥砂浆桩进行抽芯检验，同时不同施工作业点不低于6根。按比例大小随机抽取，且要求均匀分布，对疑似有质量问题的结构设计及水泥砂浆桩应是抽取重点。抽芯实验不合格的处理方法是:首先在被检测桩的周围加倍抽样检测，判断不合格桩是否为特例，如有不合格，则接下来应查清其范围，应用必要的补救加固措施。经过对该段工点龄期28 d的12根水泥砂浆桩的钻孔取芯试验研究，表明现场水泥砂浆搅拌桩实测桩长都能符合设计要求，且桩身体圆匀、无回陷和缩颈现象，桩身均匀搅拌、凝体没有松散现象、较好固结，同时灰含量较高，群桩的桩顶对齐、呈长柱状、间距均匀、抗压强度都大于2.0 MPa，检测说明该桩为合格桩。

4.2 静载荷试验

在成桩28 d后，随机抽取任意施工桩总数1‰水泥砂浆桩进行复合地基单桩载荷试验，同时每项工程单体不少于3个测试点，需要随机按比例抽取，且均匀分布，设计要求试水泥砂浆搅拌桩单桩实验测得的承载力不得小于130 kN，桩基复合地基承载能力需要大于130 kPa。检测结果:龄期28 d的水泥砂浆桩单桩复合地基承载能力均大于130 kPa，符合设计要求;竖向抗压承载力极限都大于130 kN，符合设计要求。

5 结语

对水泥砂浆桩的抽芯现场试验表明，水泥砂浆搅拌桩的无侧限抗压强度和成桩质量符合设计要求。

从承载力角度来说，水泥砂浆搅拌桩复合地基承载力和单桩承载力均符合设计标准，明显提高软土地基场地承载力。

从本工点试验深层水泥砂浆搅拌桩的软基加固效果来说，这种方式处理软土地基是可行的、合适的。不管是现场抽芯的水泥砂浆搅拌桩样本强度，还是从承载力角度来看，它能很好地解决塑性指数高的粘性土层中成桩强度不足的问题。

总之，水泥砂浆桩处理该软土地基是成功的，为今后相似工程地基处理提供了借鉴，并且水泥砂浆桩的发展前景很好。

［1］龚晓南.地基处理手册［M］.第3版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［2］罗志生.水泥砂浆桩在向莆铁路软基处理工程中的应用［J］.江西建材，2009(2):24-26.

［3］邓 毅.水泥搅拌桩处理铁路软弱地基施工技术［J］.工程科技，2013(9):159.

［4］刘小武.水泥砂浆搅拌施工质量控制研究［J］.四川建筑，2012(3):81-84.

［5］陈振山.浅谈水泥搅拌桩公路软土路基施工技术［J］.建筑工程，2011(9):221-222.

［6］彭子泳，许发明.水泥搅拌桩加固软土地基应用技术研究［J］.广东公路交通，2012(3):115-119.

［7］马洪友，刘 林.水泥搅拌桩复合地基承载力研究［J］.公路，2013(2):50-53.

［8］彭吉雄.水泥搅拌桩在淤泥质粉质黏土中的应用探讨［J］.知识经济，2010(6):113.