水泥土搅拌桩的加固机理及在软土地基中的应用

夏 云 （马鞍山市建设工程质量检测中心，安徽 马鞍山 243000）

1 水泥土搅拌桩概述

水泥土搅拌桩是最近20年发展起来的，在软弱地基处理和基坑支护中应用较为广泛的一种方法。水泥土搅拌桩是利用水泥或石灰等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量,用水泥土搅拌桩处理后的复合地基承载力较高。

水泥土搅拌桩是一种有效的地基处理方法,它具有成桩效率高、成本低、施工占地面积小,施工场地周围不受污染,并且施工过程无振动、无噪声等特点,尤其适用于20m深度范围内无理想持力层的软土地基。水泥土搅拌桩现已发展成一种常用的软弱地基处理方法,主要适用于加固饱和软粘土地基。

2 水泥土搅拌桩的加固机理

2.1 水泥的水解与水化

水泥遇水后发生水解和水化，生产氢氧化钙、含水铝酸盐等化合物。其中，氢氧化钙和含水铝酸钙溶解于水，随着水解和水化的发生，溶液达到饱和之后，水与水泥继续反应生成凝胶体。水化产物自身如果继续硬化，就会形成水泥骨架。

2.2 离子交换

粘土颗粒在天然状态下表面带有负电荷，反离子层为阳离子，呈胶体微粒状。反离子层中的Na+、K+能与Ca（OH）2溶液中的Ca2+进行离子交换，使土粒水化膜变薄，土颗粒集合成大的团粒。此外，水泥水化后呈分散状的凝胶颗粒，其比表面积约为原来的1000倍，因而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土颗粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土颗粒之间的空隙。微观上，在较为松散的土体内部形成了网络状胶结结构，具有牢固的联结；宏观上，水泥土的强度大大提高。

2.3 硬凝作用

水泥水化以后，溶液中析出的大量Ca2+，与Na+、K+进行离子交换。当Ca2+数量超过离子交换的需要量之后，在碱性环境中，Ca2+可与土中游离的二氧化硅和三氧化二铝进行化学反应，生成不溶于水的稳定结晶化合物。该结晶化合物在空气和水中逐渐硬化，增大了土体强度。而且由于其结构比较致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。

2.4 碳酸化作用

水泥水化后产生的游离氢氧化钙，能与空气和水中的二氧化碳发生反应，生成不溶于水的碳酸钙。也可以小幅度增加水泥土的强度，只是增长速度较为缓慢。

从水泥土搅拌桩的加固机理分析，水泥加固软土的强度主要来自于水泥水解水化物的胶结作用，在土体内部形成了网络状胶结物。另外，从施工工艺来看，水泥搅拌桩中不可避免会存在原状土块和水泥团块，其粒径大小与强制搅拌的程度密切相关。强制搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土的结构强度离散性就越小，水泥土搅拌桩的总体强度就越高。

3 工程实例分析

3.1 工程地质条件

某写字楼占地面积2200m2,上部结构基底荷载为190 kPa。根据岩土工程勘察报告,场地14m深度范围的地层为人工填土和第四系全新统冲积沉积,其地质情况由上至下作如下分布。

①层人工填土(或耕植土)：粉土质,黄褐色或杂色,稍密,填土厚度0m～4m不等。

②层粉土夹粉质粘土：黄褐色,稍湿～湿,中密～密实,层厚2m～3m,承载力特征值fsk为110～130kPa,桩周侧阻力特征值qsi为20～30 kPa。

③层粉质粘土:灰褐色,软塑～可塑,中～高压缩性,标贯击数2～5击,厚度1.8m～3.5m,fsk为100～120 kPa,qsi为17～24 kPa。

④层粉土:黄褐色,稍湿～湿,密实,层厚2m～3m,fsk为160～180 kPa,qsi为30～40kPa。

⑤层中砂(局部为细砂):灰白～灰黄色,稍湿～湿,中密～密实,长石石英质,级配良好,层厚2m～4m，fsk为200～250kPa,桩端承载力特征值qp为600～800kPa。

3.2 水泥土搅拌桩的设计与施工

根据场地工程地质条件，建筑地基采用水泥土桩复合地基，其目的是:提高②层粉土持力层的承载能力；处理部分填土地基；消除③层粉质粘土软弱层的影响,水泥土桩端持力层为⑤层中砂。水泥土桩复合地基承载力计算公式为:

从公式可以看出，桩间土承载力特征值fsk、单桩竖向承载力特征值Ra、桩体截面积Ap确定后,影响复合地基承载力的设计因素为面积置换率m 和桩间土承载力折减系数β。

按室内水泥土配比试验,固化剂为42.5级水泥,掺入比(水泥重量/被加固软土重量)为18%,水灰比为0.5,外掺剂为膨胀剂,室内配比试验结果fcu=1.8 MPa。单桩竖向承载力特征值取桩身材料强度确定的单桩承载力与桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力的较小值,计算得出单桩竖向承载力特征值为125kN。基础埋深1.5m,以加固后的②层粉土夹粉质粘土做持力层,桩长8.0m,桩径500mm,桩按间距950mm等边三角形布置,共设桩1792根,面积置换率25%。桩间土承载力折减系数β=0.4,计算结果复合地基承载力设计值fspk=195kPa,取复合地基承载力设计特征值为190kPa。

褥垫层在复合地基中有着很重要的作用,可以有效地调整复合地基的桩土荷载分配,充分发挥土体的承载能力，特别是发挥浅层土体的承载作用。由于垫层的流动性,桩在荷载作用下产生的应力集中使垫层发生侧向流动而产生向上刺入,结果让桩土间的应力重新分配,从而提高地基的承载性能,调节变形。在基础与复合地基之间设置20mm厚的砂卵石褥垫层。

水泥土搅拌桩的施工工艺流程如下：

①用悬吊深层搅拌机，将搅拌头对中；

②预装下沉，启动电机，搅拌轴带动搅拌头旋转松动土体，同时下沉；

③制备水泥浆压入土体，当搅拌头沉到设计深度时，略微提升搅拌头，将制备好的水泥浆通过中心管，压开球形阀注入土体中；

④提升、喷浆、搅拌，边喷浆、边提升、边搅拌，直至设计加固顶面时停止喷浆；

⑤重复搅拌，将搅拌机重复下沉、提升一次，使水泥浆与地基土充分搅拌均匀；

⑥清洗管道中残存水泥浆，移至新孔。

3.3 加固效果的监测

现场对复合地基进行静载荷试验，以判断复合地基承载力和沉降是否满足设计要求。荷载试验在28d龄期后进行，检测方法采用平板载荷试验慢速维持荷载法,并随机抽取数量为总桩数的1%的桩进行试验。

单桩静载试验加载装置采用千斤顶反力锚梁装置，抽检载荷试验点7个,单桩试验加荷等级为8级,总加载量为设计要求的2倍（即250kN）。复合地基载荷试验载荷板面积为搅拌桩承担的处理面积,加荷分为8级,总加载量不低于设计要求的2倍（即390kPa）,抽检载荷试验点10个,采用900 mm×900mm方形承压板。加荷稳定标准、终止试验条件及承载力特征值确定方法按相关检测规程进行,复合地基试验检测结果如表所示。

试点号验设力值（计特k承征Pa）载承值量（载对m力应m）特沉征降s对载/b应力=（0的.0k 0承P 6 a）（极值k限的Pa）荷一载半（实沉m测降m）累量计41 190 2.95 196 195 12.7 90 190 3.61 204 195 14.2 252 190 4.54 205 195 16.5 611 190 4.40 217 195 15.1

试验结果表明单桩承载力、复合地基承载力均满足承载力设计要求，同时也验证了本工程地基处理方案、施工工艺方案的可行性。加荷载至承载力设计值的2倍后,沉降量仍普遍偏小，沉降也满足设计要求。

4 结 论

水泥土搅拌桩是利用水泥和软土之间发生复杂的物理化学反应，使软土硬结成具有一定整体性和一定强度的复合地基，从而提高了地基承载力，减少了软土地基的沉降。

本文通过工程实例分析表明，在对水泥土搅拌桩设计合理的条件下，单桩承载力、复合地基承载力均能满足承载力设计要求，沉降量也在设计允许范围内，实现了对软土地基加固的成功。