深层搅拌桩加固软土地基值得注意的几个问题

【摘要】本文通过对深层搅拌桩软土地基加固机理的介绍，从膨胀挤密、脱水固结、胶结凝固等深层搅拌桩软土地基加固机理方面和深层搅拌桩适用的范围、水泥标号与掺入比、设计桩长与桩的置换率、搅拌桩的承载力与沉降等设计方面及深层搅拌桩施工机械类型比较、操作程序、外掺剂种类等施工工艺方面，提出既经济又能保证深层搅拌桩施工质

量需注意的几个问题，可为类似工程的设计、施工提供一定的借鉴。

【关键词】深层搅拌桩 水泥掺入比桩长

[Abstract] this paper through the reinforcement mechanism of deep mixing pile in soft soil foundation is introduced, from the expansion of compaction, dewatering consolidation, cement solidification of deep mixing pile strengthening soft soil foundation, mechanism and deep mixing pile applicable scope, the grade of cement and mixing ratio design of pile length and pile, replacement ratio, mixing pile bearing capacity and settlement etc., design and construction of the deep mixing pile machine type operating procedures, admixture type construction aspect, the economical and can ensure the construction quality of deep mixing pile

Several problems need attention, can provide a reference for the similar project design, construction.

[keyword] deep mixing pile, cement mixing ratio, pile length

中图分类号: TU471.8 文献标识码：A文章编号：

【正文】

所谓深层搅拌桩加固软土地基，就是在钻进成孔过程中利用水泥、石灰等材料作为固化剂，外加一定的渗合剂，使用特种深层搅拌机械将浆液或粉状固化剂喷入软土地基的深层，经强制就地搅拌和合，使原位软土与固化剂均匀混合并发生一系列物理化学反应，硬结成水泥土桩或水泥土块，形成整体性、水稳定性和一定强度的复合地基。与原位软土相比，水泥土强度高、压缩模量大、渗透系数小，可较大幅度地提高地基承载力。

深层搅拌技术加固软土地基具有以下优点：

⑴深层搅拌技术由于将固化剂和原位软土就地搅拌混和，因而最大限度地利用了原土；

⑵按照不同地基性质及工程设计要求，可以合理选择固化剂及其配方，设计比较灵活；

⑶施工时无振动，无噪音，无地面隆起，不污染环境和对邻近建筑物不产生有害影响，可在市区和密集建筑群中进行施工；

⑷与钢筋混凝土桩基相比，施工速度快且节省大量的水泥钢材，造价相对较低。

基于以上原因，该技术在交通、工业与民用建筑、水利工程等方面均得到较为广泛的应用，既可作为复合地基，又可作为承重桩、防渗帷幕及深基坑支护防治工程。下面，就其加固机理及影响水泥土强度的主要因素，根据工程实践和室内外试验分析结果，针对深层搅拌桩的设计与施工谈几点认识。

1深层搅拌桩对地基的改善和加固机理认识

深层搅拌桩是将浆状或粉状（水泥、石灰）固化剂等强行喷入拟处理的软土中并就地将软土和固化剂强制拌和，利用固化剂的强吸水性及吸水后膨胀、放热等特点，与软土发生离子置换及凝固物化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙、含水铁铝酸钙等化合物。这些化合物中的钙离子再与土中的Na+、K+离子的矿物成份发生交换作用，使土颗粒集合胶结成较大团粒，进而改善桩间土的物理力学性能，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土，形成由桩和周围被改良的土体共同组成的复合地基，从而达到对淤泥或淤泥质粘土等软土地基的处理加固目的。

深层搅拌桩其自身性质（刚度、抗压强度和抗侧压力作用等）介于刚性桩（钻孔灌注桩、挖孔桩、预制桩、钢管桩等）与柔性桩（碎石桩、沙桩、灰土桩等）之间的一种桩型，称为半刚性桩。其桩体的抗压强度与原位土性质、含水量、有机质、可溶盐、土体围压、固化料掺入比、土料混合均匀程度和护养龄期有直接关系。深层搅拌桩对软土的加固物化作用可以归纳为：

1.1膨胀挤密作用

使用专门的机械将水泥或生石灰粉等固化剂高压喷入及搅拌到桩体后，利用水泥或生石灰粉的强吸水及膨胀性的特点，对桩体及桩间土产生挤压作用，使软土因强烈失水而得到改善，大幅度地改善软土的性质，提高地基承载力。

1.2脱水固结作用

水泥或生石灰等固化剂强行掺入土体后，固化剂本身水解、水化特性决定了它们必然要与土体发生物理化学反应，大量地吸收周围的水分，同时膨胀并释放大量的热量，热量又提高了桩体及桩间土的温度，促使土体的脱水作用，含水量明显降低，土体被挤密，由于深层搅拌桩是按一定的网度系统地布设和施工，使一定面积内的软土性能改变而构成具一定承载力的复合地基。

1.3胶结凝固作用

掺入桩体中的水泥或生石灰粉吸水后发生膨胀，生成的Ca（OH）。其中有一部分与土中的CO2产生反应，使桩体及桩间土硬结。另一部分生成硅酸钙等水化物，水化物反过来对土粒产生胶结作用，增大了土的体积，改变了土的结构，增加了土强度，进而提高了地基的承载力。

深层搅拌桩设计中值得注意的问题

2.1深层搅拌桩适用的范围

一般专业技术书中都提到：深层搅拌加固法适用于处理软土（淤泥、淤泥质土、含水量较高的粘土、粉质粘土、粉土等），对于某些可使用适当的固化剂，掺入适当水泥量，可使水泥土强度达到设计要求。

长江中下游及江南地区，表土层以冲积与湖泊淤积沉淀为主，淤泥及淤泥质土分布广泛。据有关资料显示及长期的工程实践发现，在该地区很大范围的淤泥及淤泥质土富含有机质，采用深层搅拌桩加固地基，效果都不尽如人意。因为淤泥质土所含有的有机质，不仅阻碍了水泥水化反应（据邓剑涛、林琼的研究报告，有机质中的富里酸有明显的缓凝作用，其含量直接影响水泥的无侧限抗压强度），从而影响了水泥土固化强度的增长；而且，由于淤泥、淤泥质土饱水，粘性很高，很难将水泥与土搅拌均匀，也对水泥土的强度有较大的影响。我们通过对采用深层搅拌桩加固地基的工程进行的工程检测，发现深层搅拌桩的外壳成形良好，但桩身是水泥团块与土相间夹杂组成（蜂窝团块与薄层夹泥）。即使水泥配比很高，结果也很难满足设计要求。因而粘性高的粘土及含有有机质含量较高的淤泥土慎用深层搅拌桩，其应用范围在当前施工设备及条件下，应有所缩小，这样即可避免经济上的损失，在质量上也能得到保证。近年来由于忽视地基土中有机质含量的不良影响，未达到预定加固效果的工程实例时有发生，因引起设计施工人员的足够重视。

2．2水泥标号与掺入比

水泥标号直接影响水泥土的强度，一般水泥土的强度随水泥的标号提高而提高。当水泥掺入比相同时，水泥标号每增加100#，水泥土无侧限抗压强度可提高20%～30%。因而在工程成本控制前提下应适当提高水泥标号。水泥的种类对水泥土的强度也有影响，对含有机质的粘性土应选用含铝酸三钙、铁铝酸四钙等矿物成份较少的水泥，以减少水泥土的强度损失。

水泥土中水泥含量常用水泥掺入比（掺入水泥重量与被拌和的粘土重量的百分比）表示。其值小于5%时，固化反应很慢，原位土增强甚微；过大则成本增加而强度增幅趋缓。工程上常取7%～25%。通过水泥土室内力学试验（见表1），不同的掺入比水泥土力学性质与养护龄期的关系可以看出，水泥土的强度随掺入比增加而提高，但增幅趋缓。

表1水泥土物理力学性质试验结果

（引自刘琳等，2000）

为了充分发挥水泥土桩的效用，降低成本，将桩设计成沿深度的变强度桩是可取的，即在靠近地面部分（一般情况可按桩长的1/3～1/4）用高掺入比，桩底部分采用较低的水泥掺入比。

2．3设计桩长与桩的置换率的关系

在进行深层搅拌桩设计时，设计人员有时没有考虑深层搅拌桩的半刚性（如果搅拌不均匀，只能说是柔性）性质，设计深层搅拌桩加固地基时，往往为了增加加固后的地基承载力，一味地增加桩长（与砼桩设计相似），这只能产生设计的不合理性。实际上深层搅拌桩主要以摩擦桩形式为主，原土加固化剂搅拌后膨胀挤密，其摩擦角比工程勘察报告中的有所增大，增加桩侧表面可以较大提高承载力；即使以端承桩形式设计，由于桩长增加，桩身的压缩性增大、抗弯性下降也会引起沉降量增加。因而桩径与桩长的合理选择显得十分重要。江苏工程勘测研究院丁克才等通过选择几个地质条件基本相似、设计桩径、置换率相同的工程进行加固后地基承载力的比较，得出桩长增加一倍，承载力增加并不明显，足以证明这一点（见表2）。桩土置换率与复合地基的承载力近似成正比关系，一般置换率在20%～30%左右为好。从经济角度、安全方面考虑，设计深层搅拌桩宜采用短桩，大直径，置换率高的方案。

表2 地基承载力比较

2．4搅拌桩的承载力与沉降问题

通常复合地基设计计算包括复合地基的承载力、下卧层承载力验算和复合地基沉降三部分。深层搅拌桩地基设计程序是首先根据天然地基条件，初步确定桩长、桩径、水泥掺入比，可初步确定单桩承载力；结合天然地基承载力和初步确定置换率可得到复合地基承载力的设计值。然而根据载荷和初步确定的基础深度及宽度可确定复合地基承载力的要求值。若设计值满足要求值且比较经济，则进行下卧层承载力验算，否则调整上述设计参数。下卧层验算通过，还要验算沉降是否满足。设计计算步骤及相应公式参见相应设计手册，设计完成后尚需进行试验检验复合地基的承载力。在进行深层搅拌桩复合测试时，宜采用进行单桩承载力载荷试验以及桩间土静载荷试验，这样来确定复合地基承载力。但必须指出：地基处理深度（即桩长）除必须满足承载力要求外，还必须满足沉降控制要求，从变形控制的观点上讲，可能后者往往更为重要。

在桩长确定时，临界桩长是一十分重要的概念，桩长必须小于临界桩长。因为桩长超过临界桩长，单桩强度并不会因桩长增加而提高，相反引起沉降量的增加。另外地表浅部存在的硬壳层对复合地基的效果也不可忽视，特别是旧城改造时，切不可挖掉上层的砖瓦碎砾，当水泥土与其固结后，其承载力会大大提高。有的工程采取一定的措施，使浅部形成一硬壳层，会得到意想不到的良好效果。

3深层搅拌桩施工中值得注意的问题

深层搅拌桩施工所用设备有单轴和双轴深层搅拌机，它们各有一定的优势和劣势，双轴型速度快，搅拌较均匀；单轴型布桩灵活，桩侧面积与桩体体积之比大。选用时应按功率、扭矩的大小与桩径、桩长相匹配。至于水泥土拌和均匀性而言，喷浆型比喷粉型占优势；但对含水量较大的淤泥质土，喷粉型比喷浆型占优势。不过喷粉桩对原土含水量有一临界值（30%），低于此值水泥水化不完善，固化效果差。现场施工人员应根据工程地质条件与应用情况合理选择施工机械，以取得较好效益。

在工程施工操作中还应注意以下方面：

（1）根据土性选择不同形式钻头，以保证钻进顺利，破土搅拌均匀；

（2）宜选用325#和425#矿渣水泥,为改善水泥性能,可选用木质素磺酸钙、石膏、三乙醇胺、水玻璃等外掺剂，并进行室内试验；

（3）喷粉桩施工前应根据设计要求做不少于2根的试验桩；

（4）下沉搅拌和提升注浆搅拌速度应严格控制，一般在0.5～1.0m/min;

（5）通过转速、电机电流变化观察，判断搅拌阻力和钻进地层情况；

（6）应用PJ4-1型喷粉记录仪等现场监测仪器，使均匀喷粉、复搅深度得到保证；

（7）进行静载荷试验、水泥土桩取心抗压试验，加强施工质量监测和加固效果评价，对于断桩及缩径现象出现应及时采取补桩措施。

4结束语

目前随着深层搅拌桩在工程中的大量应用，其理论研究水平已得到很大提高，但由于搅拌桩本身的隐蔽性和特殊性，室内试验很难模拟实际桩体的强度，其设计理论仍与砼桩设计相似，存在着一定的不完善地方，今后在工程实践中应多进行室内外试验检测，修正有关参数。通过设备更新和工艺的调整，解决桩长、拌和均匀性等施工常见问题，使深层搅拌桩技术日趋完善合理。

参考文献

龚晓南,地基处理新技术[M]. 西安:陕西科技出版社,1997.

刘琳,傅鹤林,粉喷桩加固软土地基的应用研究[J].新疆:西部探矿工程,2000.(11):48-49

Several Problems of Deep Stir Pile in Soft Foundation

Chen rongfa(zhejiang shuren university)

Abstract: The simple introduction principle of soft foundation reinforce by deep stir pile, and putting to raise several problems to pledging that the designed construction quality of stir in soft foundation.

Key words : deep stir pilethe length of pilecement mixing proportion

作者简介：

楼添良 1969年生，男，浙江东阳，高级工程师，1994年长沙交通学院公路与城市道路工程专业毕业，学士，从事高速公路工程建设十六年，城建工程建设三年。