深层搅拌桩复合地基加固实施分析

文/新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 张校刚

道路建设呈带状分布，在穿越不同地区时常常会遇到软土地基，软土地基的变形大，容易产生局部或整体的剪切破坏。为确保建成的道路安全正常使用，通常需要在建设过程中对软弱地基进行特殊处理。目前，处理软土地基的方法多样，其中深层搅拌桩处理软土地基的方法是一种较为理想的处理方法，它具有施工速度快、成本低、不易受外界环境影响等特点，能够适应不同地层及施工环境。

深层搅拌桩技术现状

深层搅拌桩是利用机械搅拌软土，同时注入胶凝材料固体或液体，目前应用较为广泛的胶凝材料为水泥。通过机械地搅拌作用使软土与胶凝材料充分拌和在一起，形成抗压能力比天然地基高得多的改良地基，整体性、水稳定性都有大幅提高。对于搅拌桩复合地基承载力方面的研究已有不少学者都对此进行了探索，如费勤发等人通过理论计算与现场实践得出桩体越长对桩体的变形控制能力也会相应增加，当桩体长度大于13m时，控制作用就会明显减小，当胶凝材料掺入量小于15%时，地基的变形能力控制最大，当胶凝材料掺入量大于15%时对沉降的控制作用力会降低，且会增加施工成本。张诚厚等人认为在计算过程中通过选用适当的压缩指标，来衡量软土结构性力的作用对地基沉降的影响，这样有利于计算结果与实测值更接近。

表1 水泥搅拌桩设计基本参数

深层搅拌桩复合地基加固机理

搅拌桩强度产生是由水泥与软土拌和后产生的一系列物理化学反应，使软土地基具有可靠的强度，它与混凝土强度产生的机理不同。混凝土强度的产生是由砂石料等骨料与水泥产生的水化产物进行结合，在这个过程中砂石骨料不参加任何反应，而水泥土强度的产生是一个复杂的物理化学变化过程，它不仅有水泥的水化产物包裹软土颗粒，水化产物也会与软土颗粒表面的某些活性物质过行反应。在强度形成速度上水泥混凝土会比水泥土快很多，主要是由于水泥在混合料中所占比重所决定。

水泥土强度的形成与水泥品种、软土类型、软土含水率、水泥在软土中的分布均匀程度有关。水泥的各种水化物生成后，一部分自身继续硬化形成水泥体骨架，一部分则与周围黏土颗粒发生一系列反应：

离子交换作用：软土中的自由水与结合水充当着离子交换的载体作用，结合水对黏土的稠度、塑性、变形起着重要的作用，通过离子交换会在很大程度上影响软土的物理指标。

硬化反应：水泥的胶凝体在未成形前，通过离子运动运送到粘土颗粒表面，通过激活黏土颗粒表面惰性物质，形成一层坚硬的外壳使软土的强度得到提升。

碳化作用：水泥水化物中含有大量的氢氧化钙的游离阴、阳根离子，它们能够吸收空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应生成具有强度的碳酸钙，能够进一步提高软土的强度。

表2 基本参数的选取与单桩竖向承载力特征值计算

表3 面积转换率的计算

表4 计算得出的相关结论

水泥土搅拌桩设计计算

参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）规定，拟选用DW型水泥作为胶凝材料，采用湿法进行处理，水泥浆水灰比选用0.5，处理面积约为200m2。对于搅拌桩的设计主要是确定桩长和搅拌桩的置换率，桩长的确定应该根据上部结构对其承载力及变形的要求确定，且宜穿过软土层达到承载力相对较高的持力层，基本参数如表1所示，搅拌桩平面布置图如图1所示。

图1 搅拌桩的布置形式

对于桩身强度折减系数η，干法取0.2～0.25；湿法取0.25；桩端天然土承载力折减系数：α的取值在0.4～0.6之间，本文取中值α=0.5；桩间土承载力折减系数：β取值一般为0.1～0.8，本文取β=0.4；桩间天然土承载力特征值fsk=120kPa，面积置换率由表2计算得到，桩身水泥土90d无侧限抗压强度由室内试验确定为2.2MPa。水泥搅拌桩基本参数的选取与单桩竖向承载力特征值计算，如表2所示。

面积置换率的确定，应该根据已求得的单桩竖向承载力标准值Ra=108kN，复合地基承载力标准值fspk=mRa/Ap+β(1-m)fsk=130kPa，桩间天然地基承载力特征值fsk=120kPa得到最小面积置换率m，计算如表3所示。

复合地基承载力的计算：复合地基承载力特征值fspk=mRa/Ap+β(1-m) fsk=143（kPa）；水泥布桩根数计算：布桩数n=mA/Ap=191（根）；沉降计算天然地基压缩模量为Es=1.80Mpa，模量提高系数ζ=1.191，复合地基压缩模量Ep=2.145MPa，经计算得出的相关结论如表4所示。

结语

在工程实践中软弱地基是常遇到的一种不良地质，软弱地基的强度低、抗变形能力差，这就需要对其进行加固，本文在分析了水泥加固软土微观内在机理的基础上，进一步通过水泥土搅拌桩设计计算来为软土地基的处理提供理论支撑，以便深层搅拌桩复合地基能够得到更加广泛的应用。