浅析深层搅拌法在饱和软粘土地基中的应用

冯志厚

【摘要】：本文介绍了深层搅拌法加固地基的原理，并结合实际工程介绍了该方法的施工工艺和加固效果，工程实际表明深层搅拌法具有造价低、施工简单和效益好的优点，在条件适宜时应优先采用。

【关键词】软粘土地基 深层搅拌水泥土 振动挤密砂石桩 预应力管桩

中图分类号：TU4文献标识码：A 文章编号：

1 前言

深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。深层搅拌法处理地基可增加地基承载力、减小沉降差、提高边坡稳定性及挡水等。深层搅拌法处理后的地基承载力提高1-1.5倍。

深层搅拌法是相对于浅层搅拌而言，浅层搅拌法主要用于路基，冻涨土和边坡稳定的处理。深层搅拌分水泥系深层搅拌和石灰系深层搅拌。下面介绍的是水泥系深层搅拌法及其工程应用实例。

国外自40年代以来开始研制用于深层搅拌桩的深层搅拌机械，到70年代，已广泛应用深层搅拌法处理地基，我国从70年代末开始进行深层搅拌的室内试验和搅拌机械的研制工作，1979年在塘沽新港进行机械考核和搅拌工艺试验，并获得成功。80年代初推广使用深层搅拌法，至今在上海、南京、连云港、天津、唐山及内陆部分地区得到了广泛应用。我们在某多层公寓楼（筏基）工程的地基处理中采用了深层搅拌法，取得了良好的技术经济效果。

2 水泥加固土的原理

软土与水泥采用机械搅拌加固的原理是基于水泥土的物理化学反应过程，它与混凝土的硬化机理有所不同。在水泥加固土中，由于水泥的掺量很小（占被加固土重的7%-15%），水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性介质--土的围绕下进行，硬化速度缓慢且作用较复杂，所以水泥加固土的强度增长过程也比较缓慢。

2.1 水泥的水解和水化作用

硅酸盐水泥的主要成分是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫组成，而这些氧化物又分别组成了不同的水泥矿物；硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙等。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硫酸钙、含水铝酸钙和含水铁酸钙等化合物。其中，硅酸三钙在水泥中含量最高（50%左右），是决定强度的主要因素；硅酸二钙含量较高（25%），主要产生后期强度；铝酸三钙占水泥重量10%，水化速度快，能促进早凝；铁铝酸四钙占水泥重量10%，能提高早期强度；硫酸钙占水泥重量3%，能和铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种水泥样菌，对高含水量的软土强度增加有特殊意义。

2.2 粘土颗粒与水泥水化物的作用

离子交换和团化作用。通过离子交换，较小的土颗粒结合可形成较大的土团粒；土团粒的进一步结合形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的联结，也就使水泥土的强度得到大大提高。

凝硬反应。随着水泥水化反应的深入，逐渐生成不溶于水的稳定的结晶化合物。这些化合物在水中、空气中逐渐硬化，增加了水泥土的强度，而且其结构也比较密实，水分不容易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳性。

2.3 碳酸化作用

水泥水化物中的氢氧化钙,吸收水中和空气中的二氧化碳发生碳酸化反应生成不溶于水的碳酸钙。这种反应能提高水泥土的强度，但速度较慢，幅度较小。

3 工程实例

3.1工程概况

某公寓楼建筑面积一万平方米,层数6层,结构型式为框架结构,柱网尺寸为6.3m×7.2m(纵向)、6.3m×3.6m(纵向)、2.4m×7.2m(纵向)、2.4m×3.6m(纵向),所处场地为海河冲积平原、地表土层为1.9m-2.0m厚的人工填土,以下为第四纪沉积层,地层从上到下分别为：第①层粉土，湿至很湿，疏松到稍密，承载力标准值fk=115KPa ，压缩模量平均值Es=11（MPa）、层厚3.9-4.0m；第②层粘土夹粉土，饱和，软塑至可塑状，承载力标准值fk=110KPa ，压缩模量平均值Es=7.0(MPa)、层厚2.3-3.7m；第③层粉土，很湿，中密，承载力标准值fk=120（MPa），压缩模量平均值Es =15.42(MPa ),层厚1.0-1.3m；第④层粘土饱和，可塑至硬塑状，承载力标准值fk=120KPa ，压缩模量平均值Es=6.5(MP a)，层厚3.5-3.8m；第5层粘土，饱和，硬塑状，承载力标准值fk=140KPa ，平均压缩模量Es=7.5(MPa ),本层揭示最大厚度4.2m。场地地下水属孔隙潜水类型，地下隐定水位14.5m,但由于粘性土的隔水作用。上部土体已达饱和状态。经检测，地下水无侵蚀性。

3.2 加固方案的比较

（1）灌注桩。因场地土呈软塑-流塑状态，成孔很困难，需要有较高施工技术水平来保证施工质量，且造价高、工期长。

（2）碎石桩。工期短，施工简单，造价低；因受场地条件的限制而不能采用。

（3）预制桩。能较好地满足所需要的承载力，但工期长，施工噪音大影响周围居民的正常生活；其造价经测算约54万元。

（4）深层搅拌桩。施工速度快，工期短，施工方便，能较好地保证施工质量，造价约23万元，仅是预制桩的42.6%。

经方案比较，决定选用深层搅拌桩处理地基。地基处理后的承载力标准值F=250KP 。

3.2 深层搅拌桩的施工

3.2.1 室内试验

软土地基深层搅拌加固法是基于水泥对软土的加固作用,而目前这项技术无论设计计算方法,还是施工工艺都不太成熟,因此,应特别重视水泥土的室内外试验。试验步骤：1）为保证试验准确性，将现场挖掘的天然软土立即封装在双层厚塑料袋内，基本保持天然含水量；2）根据施工要求的试验程序、配方，分别称量土、水泥、外掺剂和水，放在容器内搅拌均匀，按要求进行振动，制成试块后，盖上塑料布，防止水份蒸发过快，并按要求进行养护。本工程经过室内试验得出如下结论，水泥土的容重比原状土仅增加2.7%,因此,其加固部分对于下部未加固部分不会产生过大的附加荷重,水泥土的无侧限抗压强度为2.12MP ,大于设计要求的F =2.0MP 的要求,满足设计要求。

3.2.2 施工要求

目前,对深层搅拌法加固质量的检验缺少简便可靠的办法,因此,我们要求施工单位严格按照建筑地基处理技术规范有关要求进行施工,并提出以下要求：(1)每根桩均应确保均匀和足额的喷灰量，送灰时要密切注意电子称计量变化，如发现喷灰量不足，应及时采取复喷或补喷等措施，每根桩应保证送灰连续、均匀、不得间断；（2）考虑到与基础接触部分的搅拌桩顶部受力较大，因此，要求对桩顶1.5m范围内复搅、复喷。设计时应考虑桩端承载力，确保桩端质量。除复搅、复喷外，钻头至桩底时，应原位旋转1-2分钟，以便叶片对土的压实及水泥的充分拌和，并以慢档提升0.5-1.0m。

4 结语

该楼投入使用一年多后，经观测基础沉降基本稳定，总沉降量为4.1cm，完全满足使用要求，从施工情况看，在含水量较高的软土地区， 深层搅拌法处理地基比较适合，且施工简单，经济合理，效益好。

参考文献

[1] 陈仲颐，叶书麟主编．基础工程学[M]．北京：中国建筑工业出版社，1990

[2]何金辉，张立新，陈孝培，软土地基测试指标的实际应用[M].北京：地质出版社，1997.

[3]中华人民共和国行业标准.建筑桩基技术规范（JGJ 94-94）.北京：中国建筑工业出版社，1995.

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