水泥搅拌桩复合地基分析与应用

巩 燕 李晶晶 葛 飞 宋艳艳 王华瑞

（1.西平县建筑工程勘测设计室，河南 西平 463900；2.西平县城市规划设计室，河南 西平 463900）

0 引言

水泥搅拌桩是加固饱和软土地基的一种方法，利用水泥和软土之间产生的物理化学反应，将软土加固成具有整体性、水稳定性、强度高的地基。加固过程充分利用了原土地基，具有施工方便、成本低、加固软土较深的优点。

水泥深层搅拌有干法和湿法两种，区别在于干法往土体中加入的是水泥粉，而湿法加入的则是水泥浆，可以根据软土中含水量确定采用哪种方式。水泥的搅拌法能在边坡支护、水利工程、复合地基中广泛应用，通过搅拌桩形成的水泥墙、防渗墙具有良好的支护、防水作用，对提高地基承载力，减小地基变形有很好的效果。但目前对水泥搅拌桩法的加固机理和破坏机理等理论研究还存在一定的缺陷，在应用过程中会遇到各种问题，通常在施工时先通过试验室和现场的荷载试验、原味测试等来确定搅拌桩的适用性、施工工艺以及技术参数等。

1 水泥搅拌桩复合地基的工程特性分析

1.1 水泥搅拌桩复合地基的加固机理

水泥和软土的硬化机理和水泥混凝土的硬化有一定的不同，在混凝土中主要是水泥的水解和水化作用，凝结速度和强度提高都比较快，在软土中水泥掺加量大概占到土体的15%，相对含量少，拌和上也达不到混凝土的充分程度，加上软土的松散，具有一定的活性，导致水泥的硬化复杂，过程缓慢。其加固土体的机理通常有以下三个过程：

水泥水解和水化反应，主要受到含水量的影响，在土体含水率小时如果采用干法施工，会造成，施工难度大，水泥不能充分水解和水化，影响加固效果。

粘土颗粒和水泥水化产物的作用，水泥水化反应的产物会和土体产生离子交换和凝结作用，水泥水解和水化越彻底，硬化效果就越好。

碳酸化作用，通过水泥水化产物的胶结作用，加强土体的强度，在施工中要强制搅拌，避免出现土块和水泥团，搅拌越充分，混合土越均匀，土体总体强度就越大。

1.2 水泥搅拌桩复合地基的破坏形式

桩间土的破坏主要发生在浅层土体，桩体通常不会出现单个的破坏现象，在个别桩体达到承载力极限状态后，其他桩会分担更多的上部荷载，在多数桩体没有达到承载力极限状态时，很少会发生单个桩体的破坏、下沉。

根据水泥搅拌桩的应力应变曲线，可以将复合地基的破坏形式分为几个阶段，在加荷载初期，水泥搅拌桩首先达到允许承载力，随着荷载的不断增大，桩体承受大于本身的允许荷载，但桩间土还在允许荷载范围内，接着桩和桩间土会相继达到极限状态，最终导致桩下的剪切面扩大，形成连续的一个破坏面，这时的荷载也即是复合地基的极限承载力。

2 水泥搅拌桩的施工工艺

2.1 深层搅拌桩的施工

法通过深层搅拌机械，将地基深层土体和水泥系固化剂进行强制拌和，形成水泥土圆柱体。施工工艺上有水泥浆液搅拌法、水泥粉体搅拌法、夯实水泥土桩法以及高压旋喷搅拌法等。

用到的施工机械设备有深层搅拌机、制备固化剂系统以及起吊设备。目前常用的深层搅拌机有SJB-30型深层双轴搅拌机、DJB-1D4型深层单轴搅拌机和SZB-600型深层单轴搅拌机。选择时要根据施工工艺、桩体尺寸等确定。

施工流程包括：起重机定位—预搅下沉—制备水泥浆—提升喷浆搅拌—重复上下搅拌—清洗管路—机具移位。施工时要保证灰浆的输送量，起吊设备要保持平衡，保证电压稳定和水的温度不易太高，施工开始后要连续进行，暂停复工时要将搅拌头下沉到已完成点0.5米，在较硬土层上采用冲水方式时要考虑含水量增加对桩体强度的影响。控制桩体的水平偏差不超过50mm，倾斜度不超过1%，桩径偏差小于4%。记录每次搅拌头下沉的深度和提升时间，下沉深度误差不超过10cm，时间误差小于5s。

2.2 粉喷桩施工

施工机械主要有粉尘发射器、空气压缩机、搅拌钻头和钻机。施工流程为将钻机就位对中—下钻—提升喷射搅拌—下沉重复搅拌—钻机移位。

施工时要检查各项仪器、设备完好，施工过程连续进行，需要搭接时中间间隔时间不能超过8h，停电等意外情况发生时，要在设计部门的指导下，采取相应的补救措施。在强度低的含水软土中，要防治空气压缩带来的土体液化，在下钻的同时喷射水泥粉，改善土体的稠度。在喷粉时为了保证正常进行，要使灰缸内内气压稍大于管道气压，施工中时刻观测机械状况，出现问题时及时停钻检查，情况严重时要重新钻打。

3 水泥搅拌桩施工中常见问题和质量控制措施

3.1 施工中常见问题的处理

深层搅拌桩和粉喷桩在施工过程中如果操作不当，很容易出现翻灰、翻浆、喷射和搅拌不均匀以及沉桩等现象，影响加固效果。

施工前要认真了解软土的特性，知道应该注意的关键操作，严格按照施工工艺进行，对常见的问题要等及时处理。通常造成出现翻灰、翻浆的问题发生在有硬粘层夹层的地段和承压滞水层地段，采用正向钻进和反向钻进相结合的方式快速穿过夹层，搞清楚承压水的范围和的厚度，在桩间设置排水孔等。针对搅拌不均匀的情况要降低提钻速度，加强工程管理，在桩顶三分之一的桩长要进行复喷。

3.2 质量控制措施

施工前的质量控制，施工前要对使用的材料、机械设备做好检测工作，施工人员进行技术交底，熟悉操作过程以及出现问题的应急措施。进行室内试验和原位测试，对施工工艺提前验证。

施工过程中，做好配合比试验设计，筛除水泥中的块体，搅拌时防治水泥浆的离析，对软土进行预搅，保证拌和的均匀性。在压浆时保持连续性，保持管道的畅通，不能发生堵塞现象，控制搅拌的下沉和提升速度，以利于加固范围内都得到充分搅拌。施工机械要保持平整，导向架垂直于地面，水泥搅拌桩作为支护和隔水结构时，保证施工段的额连续性，相邻桩的施工间隔不能超过24小时。

成桩后的质量检查，检查施工的原始记录是否符合标准要求，对桩体进行抽检开挖，通过桩体的外观，判断拌和状态、均匀性等。也可以利用钻探取芯的方式，检查拌和程度以及桩长，将取出的试样同室内试块进行比较，从室内试块强度推断复合地基的承载力值。原位测试手段采用标准贯入度等触探方式对桩体进行强度检查。对承受竖向荷载的搅拌桩可以采用现场的荷载试验验证单桩承载力。

在使用过程中，定期的进行沉降观测和侧向位移观测，检验加固效果。

4 水泥搅拌桩复合地基在工程中应用

工程中应用水泥搅拌桩加固土体时，不仅要求常规的工程地质勘查，还要对填土层的组成、含水量以及有机质含量详细查明。确定各层土体的承载力特征值，计算有效桩长、桩身参数、置换率、桩数，选择合适的布桩形式，确定加固范围，并对定期观测沉降变形情况。

工程应用中影响水泥搅拌桩的主要因素有桩长、水泥掺加量、置换率和加荷速度四个主要方面。桩长增加后，加固层和下卧层会共同承担复合地基的变形，从而减小整个地基的沉降量，但当桩长增加到一定幅度时，减低效果就不在明显，所以要控制桩长在一个最优的范围内。水泥掺加量较少时，沉降会明显增加，但当大于一定比例时，对降低沉降的效果就不在显著，所以施工时不能盲目增加或减少水泥用量；置换率越大，虽然沉降减小，但花费较大；加荷速度过快，可能引起孔隙水压力过大，压力消散慢，成桩后很长一段时间沉降不稳定。

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