浅议水泥搅拌桩复合地基

摘要：在东南沿海，由于河流纵横、水网密布，软土路基分布非常广泛。软土路基的处理技术发展得也很成熟，比如换填法、抛石挤淤法、反压护道法、土工材料法、预压法、水泥土搅拌法等等，这些方法各有特色，可以综合地基处理原理、处理地基的性质、地基处理的时效、经济环境和施工条件来进行选择。笔者常年在浙江地区从事市政道路建设工作，最近接触的几个市政道路工程的软土路基都采用水泥土搅拌法进行处理，在这里引用、梳理前人研究成果，结合工程实例提出来，提出自己的一些想法，以飨读者。

关键词：水泥水泥浆粘土水泥土搅拌桩水化固化硬化

中图分类号：TQ172 文献标识码：A

一、软土路基定义及其工程特性

软土地基定义是指强度低,压缩量较高的软弱土层，多数含有一定的有机物质。国外也有将其定义为主要由粘土和粉土等细微颗粒含量多的松软土、孔隙大的有机质土、泥炭以及松散砂等土层构成，地下水位高,其上的填方及构造物稳定性差且发生沉降的地基。尽管在定义上有所差别，但是都描述了同一个意思：软土地基就是含水量高的细粒松软土层。软土的工程特性主要表现为抗剪强度低、压缩性高、透水性低、触变性、流变性以及不均匀性。

表1.1 长江河漫滩冲积相软土物理 力学指标

二、水泥土搅拌法适用范围

水泥土搅拌法：是以水泥为主要固化剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体的地基处理方法。水泥土搅拌桩分为两类，施工中柱状固结体是由水泥浆和软土搅拌形成的，称为水泥浆搅拌桩；由水泥粉体和软土搅拌形成的，称其为粉喷桩。水泥搅拌桩两种方法的采用, 主要是通过被加固土层中的含水量决定的。通常土层中的天然含水量小于30%时，较为适合使用湿法，在大于50%时较为适合使用干法, 而在30%~ 50%之间时需要根据具体的情况进行灵活选择，水泥土搅拌桩优点有很多，比如：工程造价较低,工期比较短,利用原土，基本上不存在挤土，对周围建筑干扰少，工艺上简单，易于操作，土体经加固后重力基本不变,其下卧层不会产生较大附加沉降，施工无振动,噪音小，桩体布置形式灵活，基于这些优点水泥土搅拌桩在市政道路软土处理中经常使用。

三、水泥土搅拌法的固化原理

3.1水泥浆液的基本性状

在软土地基处理加固中，纯水泥浆是硬化剂的主体，其化学成分是氧化钙、氧化硅、氧化铝以及氧化铁和氧化镁，这些氧化物在水的作用下经过一系列的物理—化学反应一定时间后生成具有一定强度的结石，有实验数据显示：纯水泥浆的28天的抗压强度随水灰比变小而增大，水泥土的强度也随水泥等级的提高而提高，一般水泥强度提高一个等级，水泥土的强度提高45%~95%。事实上，在水泥浆中加入诸如NNO、NR3、NASiO3之类的扩散剂也能有效提高固结体的强度,除此之外，常用的外加剂还有速凝剂、塑化剂、缓凝剂、膨胀剂、加气剂以满足不同工程的性能需要，这里就不再赘述。

表3.1.1 水泥的化学成分

化学成分 最高% 最低%

氧化钙 67 66

氧化硅 23.1 19.3

氧化铝 7.6 4.1

氧化铁 5.8 1.5

氧化镁 4.5 1.7

3.2固化原理

水泥浆注入土体中后，同土混合，由于图的物理力学性质不同，其固化的原理有所不同，当地基土为砂质土时，其固结体的强度较高，地基土为粘土时，固结体的强度相比较而言要低些，其物理化学反应也略有所不同。

在水泥浆注入土体的过程中，被振动和高压水冲压的土体粉碎成各种颗粒，颗粒间被水泥浆包裹，水泥水化后，在颗粒的四周形成水化物结晶体（铝酸三钙水化物和氧化钙水化物），这就是固化的第一步，水泥的水化反应。由于土体颗粒的吸附作用，这些结晶体开始包裹这些颗粒表面，形成胶凝膜，随着胶凝膜发展连接继而形成胶凝体。当这种胶凝体由于水化作用的持续进行在消耗水分的同时生成更多的晶体时，这些不断生长、延生的不溶于水的晶体交织在一起形成空间性状的网络结构，也就是我们常说的水泥骨架。骨架一旦形成，混合体的强度开始生成，这也是就是水泥的固化，当骨架里的晶体生成的数量越多，晶体硬结析水越快，越致密，混合体的强度越大。砂质土与粘土固化过程的区别在砂质土中的具有一定强度的较大粒径参与到骨架的构建中成为骨架的一部分，而粘土由于微粒粒径小，悬浮在在这些晶体中，其生成的强度完全是在固化过程生成的晶体的自身强度，故砂质土比粘土的水泥土强度高。需要指出，水化反应是个长期的过程。

四、水泥土搅拌桩工艺原理、布桩样式及力学分析

4.1工艺原理

使用水泥搅拌桩钻机钻入设计深度后，利用钻机钻头在搅松的软土中以一定的压力喷入预先配好水泥（浆），水泥（浆）和软土在钻头的旋转作用下搅拌混合，形成具有一定强度、柱状、和良好水稳定性的水泥稳定土桩，以此实现软土地基承载力增强的目的。在实际的施工中一般采用四搅两喷或四搅四喷。

4.2布桩

水泥土搅拌桩的布置样式根据工程需要可以灵活变动，一般而言有正方形和正三角形（梅花桩）两种，由于这样的复合路基是由水泥土搅拌桩和桩间土体一起承载路面荷载，非均布荷载加上土体非均质材料的力学特性，在荷载的作用下，桩间土体可能产生非定向挤土。在同样的置换率情况下，相同置换率的正三角形布置由于更为均匀的桩位比起正方形布置对于桩间土体的挤土现象的抑制效果要好，同时也能降低群桩效应对于复合地基承载力的影响，因此，正三角形样式更为合理。

4.3桩长

水泥搅拌桩加固深厚软土路基，桩端多为软土，支撑作用很小，按承载的特性归属于纯摩擦桩一类。有实验显示，搅拌桩的承载力随桩长增加而增加，但是桩长达到一定长度时，承载力几乎不再增加，原因是搅桩桩侧摩阻力首先在深搅桩上端达到极限摩阻力，然后逐步向下发展，桩侧摩阻力和桩端阻力就不同步发挥，对于深搅桩桩而言，桩承载力全部由桩材料（尤其是上半部）与桩周的摩阻力来确定。随桩长增加而桩的承载力不再明显增加的长度被称之为有效桩长，在设计上，设计搅拌桩的设计长度L不宜超过有效桩长La。研究表明，影响有效桩长的因素有三项，分别是桩身强度、地基土支撑力和桩土模量比。具体到某一具体工程，在取得地勘资料后，设计人员只需要套用公式加以简单的计算，经现场验证后就可以确定。

4.4置换率

在荷载标准组合得以确认的情况下，复合路基置换率根据前参照期地质勘探数据相应的设计规范是容易确定的。下面结合工程实例从利用虚桩的角度谈些自己的看法。

笕华路道路工程，城市次干道，全长约2.422km，跨三条河道，地质报告显示，道路沿线分布有较厚的淤泥质粘土层，含水量高、压缩性大、地基承载力低，同时道路填方高度较大，为保证道路路基承载力、沉降、稳定性满足使用要求，本工程采用水泥搅拌桩复合地基进行处理。桩位按正是三角布置，桩间距1.6~2m,桩径500mm, 桩长6~12m，水泥浆配合比由试验确定，选用优质42.5MPa级普通硅酸盐水泥，水泥搅拌桩桩顶凿去0.5米虚桩设置0, 6米的级配碎石垫层，垫层中间铺设一层GSL双向土工格栅，如下图所示。

根据置换率m=(fspk-β*fsk)/(Ra/Ap-β*fsk)公式中分析，地基承载力特征值确定（地基承载力特征值对应的是荷载标准组合）的情况下，任意提高桩身强度和桩间土体承载力中一个，均可以有效减小置换率，节约建设成本。在笕华路路基处理的设计文件里50厘米的虚桩是要凿除的，据统计，整个工程15420根，需要凿除7710米的桩头，按每米45Kg的水泥耗量，需要用去346吨水泥，着实可惜，笔者认为可以从下面两个方法让这些废弃的水泥发挥作用。

（1）先铺设碎石垫层，整平碾压后进行水泥搅拌桩施工，水泥浆和碎石搅拌结成混凝土，这样既省去凿除桩头这道工序，同是还能增加了桩长，提高了桩头强度，达到进一步改善复合基础承载力的效果。

（2）提高水搅拌桩的施工质量，确保桩头质量不预留虚桩，将节省的水泥部分均匀撒布在碎石垫层上，形成类似排水混凝土这样的结构，间接的改善了桩间土体承载力，也能达到改善复合基础承载力的效果。

4. 4在道路边线加密桩形成类止水帷幕结构的设想

从实际的情况来，无论什么样结构的的道路，在建设和使用的过程中，都或多或少发生一些沉降现象，具体到水泥搅拌桩这样的复合路基而言，主要是桩间土的强度低，在道路的使用中，这些具有流变性的软土在路面荷载的作用下会产生向道路两侧挤土，搅拌桩会因此承受更多的竖向荷载，长年累月桩和桩底的土层就会增大，沉降也会厉害，因此，笔者设想，如果在道路两边最外侧的一排桩加密，形成类似于止水帷幕这样的结构以此来阻止桩间土的挤土现象，将会有助于解决路面沉降。

五、施工中应注意的事项

水泥土搅拌桩复合地基的施工工艺非常简单，在这里不再详细叙述，在施工中笔者认为有几点还是得加以注意。

（1）垫层摊铺、平整后，严格碾压，确保桩间土满足设计压实度，以利发挥搅拌桩的承载力。

（2）桩机就位，桩位要准，桩机需调平，吊架垂直，保证桩的垂直度，允许偏差1.5 %。

（3）根据工作电流的变化判断是否已进入持力层，有经验表明，正常工作电流较平稳，当钻头进入持力层，电流变大，突然增大意味着钻头碰上了岩层或其他障碍物，因此，必须依据设计文件和地堪报告作业，施工前做好技术交底工作。

结束语：理论是“死”的，每一个工程又是不同，活学活用建优质工程。