水泥土深层搅拌桩在软基处理中的应用

    杨会桥

    

    【摘?要】深层搅拌法是目前加固软土地基的一种常用方法，水泥稳定土深层搅拌桩是其中最为常见的一种。水泥土搅拌桩是一种化学加固地基法，在建筑行业中有广泛应用。本文首先针对深层搅拌法用于软基处理的作用机理进行了分析，进而对水泥土深层搅拌桩加固地基的国内代表性研究成果进行了综述，分析了水泥土深层搅拌桩加固地基的强度形成机理，提出了影响水泥土深层搅拌桩的强度影响因素和强度提高措施，最后介绍了目前常用的水泥土深层搅拌桩质量的检测方法。论文对于特殊路基处治技术研究和工程实践具有一定的参考价值。

    【关键词】地基加固;软基处理;水泥土桩;深层搅拌法;质量检测

    Application of deep mixing pile of cement soil in soft foundation treatment

    Yang Hui-qiao

    （Guizhou Provincial Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd?Guiyang?Guizhou?550008）

    【Abstract】The deep mixing method is currently a common method for reinforcing soft soil foundation， and the cement stabilized soil deep mixing pile is the most common one. Cement-soil mixing pile is a chemically reinforced foundation method and is widely used in the construction industry. In this paper， the mechanism of deep mixing method for soft foundation treatment is analyzed firstly， and the domestic representative research results of cement-soil deep mixing pile reinforcement foundation are reviewed. The strength formation mechanism of cement-soil deep mixing pile reinforcement foundation is analyzed. The influencing factors and strength improvement measures for the strength of deep mixing piles in cement soil are proposed. Finally， the methods for detecting the quality of deep mixing piles in cement soil are introduced. The thesis has certain reference value for special roadbed treatment technology research and engineering practice.

    【Key words】Foundation reinforcement;Soft foundation treatment;Cement soil pile;Deep mixing method;Quality inspection

    1. 引言

    （1）水泥土攪拌法在建筑行业中应用广泛，它是一种化学加固地基法，其作用机理是以水泥或水泥系材料为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处将原位土与固化剂强制搅拌，形成水泥土加固柱体，该柱体与地基土相比具有强度高、模量大、渗流系数小等优点，故在实际工程中有着广泛应用。深层搅拌桩作为一种地基处治方法，可有效控制和减少工后沉降量，并能适应快速加荷要求，从而缩短建设周期，非常适合高速公路建设。该法具有其它软基处治方法不可替代的优越性，必将在高速公路软基处治中得到更为广泛的应用。

    （2）由于水泥土桩的各项指标介于钢筋混凝土桩和土体间，是一种柔性桩体，其效用是通过桩身有限的强度将桩所承受的荷载传递给四周及下端部支承土体，与混凝土桩的不同在于所组成复合地基的强度在更大程度上取决于桩本身的强度，亦即桩身强度将成为制约复合地基强度及减少沉降的瓶颈。因此，对于水泥稳定土搅拌桩而言，提高其自身的强度对于地基加固后的承载力的提升具有决定性影响。

    2. 深层搅拌法加固地基原理

    （1）深层搅拌法是目前加固软土地基的一种常用方法，迄今为止已有近60年的发展历程，其施工工艺流程如图1。二战以后，美国率先研制成功并用于软土处治工程，因固化剂选用水泥，该法被称为水泥深层搅拌法，制成的水泥土桩则称为就地搅拌桩（Mixed-in-place pile）。日本于1953年从美国引进水泥深层搅拌法，在上世纪60年代末，日本和瑞典开始研制喷石灰粉深层搅拌施工法并获得成功，于70年代应用于工程实践（深层搅拌法施工过程示意图见图1）。

    （2）深层搅拌法根据施工方法的不同，又可分为水泥浆搅拌和粉体喷射搅拌两种，两者强度生成机理相似，差异主要表现在粉体喷射搅拌法采用粉体作为固化剂，不再向地基中注入水分，因此适合含水量过高的地基处理，国外使用该法加固的土质有新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土，加固场所从陆地到海底软土;国内目前采用水泥土深层搅拌法（浆喷法）加固的土质有淤泥、淤泥质土、地基承载力不大于120KPa的粘性和粉质土等地基，加固场所局限于陆地。粉喷搅拌法采用干喷法施工，通过输灰泵控制输灰量，施工质量控制比较困难，而且无法添加任何外加剂对成桩质量进行改良，因此，粉喷桩在建筑工程领域已被禁止使用，在公路软基处治中的应用范围也越来越窄，与之相反，水泥深层搅拌桩（湿喷工艺）因其具有施工时无震动、无噪音、无泥浆废水污染、无大量废土外运、一般不会引起土体隆起或侧移、施工速度快、成桩均匀等优点，已得到越来越广泛的应用。

    （3）水泥土搅拌法可用于增加地基承载力、减少沉降量和提高边坡稳定性，作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下基层等;进行大面积地基加固、以防止岸壁的滑动、深基坑开挖时坍塌坑底隆起和减少软土中地下构筑物底沉降;作为地下防渗墙以阻止地下渗透水流对桩侧或板桩背后的软土加固以增加侧向承载力。对软土路基工程来说，具有以下四个方面的作用：桩体作用、垫层作用、挤密作用及加筋作用。也正是因为上述四个方面的作用，才使得水泥土深层搅拌桩能够处理湿软地基，使地基承载力得到提高。

    3. 水泥土深层搅拌桩研究现状

    （1）1977年，交通部水运规划设计院和冶金部建筑研究总院共同引进开发水泥土深层搅拌法用于地基加固，至今我国许多科研、设计、施工单位仍在致力研究、使用和推广该项技术，并取得了一系列可喜成果。

    （2）该法适用于加固软土地基，可根据工程需要将地基土加固成块状、圆柱状、壁状、格栅状等任意形状的水泥土。同时由于该法施工工期短，无公害，施工过程无振动、无噪音、无地面隆起、不排污、不排土、不污染环境和对相邻建筑物不产生有害影响，具有较好的经济效益和社会环境效益。鉴于以上优点，近些年来该法在我国分布有软土地基的地区，如江苏、浙江、上海、安徽、广东、天津、湖南、台湾等地的工业民用建筑、道路桥梁、铁路工程、市政工程、港口码头工程的软土地基处治中得到了广泛应用，并逐步形成了较为完整的理论计算和设计方法，积累了丰富的施工、质量控制和质量检测经验。

    （3）曾小强在水泥中掺加熟石灰（占水泥重量的10～20%），并通过掺水和不掺水制样来分别模拟浆体喷射法和粉体喷射法的施工工艺，并通过室内三轴试验表明可在一定程度上提高水泥土强度。水泥掺入比为13.5%，龄期T=30d，在不同熟石灰掺入比、不同围压条件下水泥土强度增长的情况。胡同安等（1994）在水泥中掺入较大剂量（占水泥重量的20～60%）的磷石膏，通过多年大量的室内对比试验，表明掺加磷石膏对提高水泥土强度可以起到较好的效果。对云南泥炭土等5种软土掺加磷石膏的水泥土强度测试结果。潘林有（1995）针对温州软粘土起初制定了PL1和PL2两种复合添加剂配方，但无侧限抗压强度试验的结果表明其效果并不理想。后来通过单掺粉煤灰以及掺加粉煤灰、PL1、石膏粉和水玻璃等材料方达到了一定的节材、增效的目的。童小东于1998针对深圳某工地，海相沉积的亚粘土，进行了掺加氢氧化铝的水泥土试验，结果表明在水泥土中掺加适量氢氧化铝，可使水泥土的早期、中期和后期强度均得到提高，并可大幅度提高早期、中期强度，节省水泥，从而达到节材增效的目的，并且试验过程表明水泥中氢氧化铝的掺加，对水泥浆液的流动性不会产生不利影响。

    （4）武汉工业大学硅酸盐工程中心周明凯等（1996）研制出一种固化素，“在水泥中加入约10%的固化素，复合成了一种新型土壤固化剂——HS软土固化剂”。分别用HS固化剂和水泥“固化”7种天然含水量的软土，固化剂掺量为软土重量的12%，试验结果表明，HS固化土的强度比水泥固化土的强度提高0.3～0.5MPa，提高幅度波动在30～200%之间，HS固化土具有较强的膨胀收缩性，并且随着土的含水量的变化，HS固化土的强度在大于液限的高含水量区存在一峰值。

    （5）目前国内有一些学者对掺入玻璃纤维对水泥土抗压和抗拉强度的影响进行了研究，结果表明，玻璃纤维掺加水泥土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均得到较大的增加，在考察范围内水泥土的强度随着玻璃纤维长度和掺入量的增加而增大，且玻璃纤维掺量对水泥土抗拉强度的影响比抗压强度更显著，但当玻璃纤维掺入量超过一定限度时，水泥土的强度反而会降低。而水泥稳定土外加剂的研究表明，外加剂的研究重点在于提高水泥土的早期强度和成桩均匀性，通过掺加合适的外加剂，可以提高水泥土深搅桩的早期强度，改善水泥土深搅桩的成桩均匀性。

    4. 水泥土深层搅拌桩强度形成机理

    （1）水泥土深层搅拌桩是利用水泥做固化剂，使用专门的深层搅拌机械，在地基深部将软弱土和固化剂强制拌和，通过固化剂和土质之间产生的系列物理-化学反应，使软弱土硬结成整体性、水稳定性和足够强度的加固土，通常称为水泥土桩体，从而提高地基承载力。

    （2）水泥浆液与原状土体通过机械搅拌混合，并不是材料的简单掺入，其后水泥——土之间将发生复杂的物理化学反应，加固土的强度主要由水泥的水解和水化反应。该法处理软弱地基具有施工速度快、价格低廉、加固效果好，施工时无振动低噪音等特点，

    （3）就软土地基深层搅拌加固技术本身来说，由于机械在搅拌过程中对土体切削作用的不完整，事实上会有一些未被粉碎的大小土团存在。在拌入水泥后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团之间的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满。所以加固后的水泥土中形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥，也就不可能形成具有较高强度的水泥土。只有在经过较长的时间后，土团内的颗粒在水泥水解产物渗透作用下，部分土团才逐渐被改变，但这种作用毕竟有限，并不能从根本上提高其强度，因此在水泥土中会产生较大的和水稳定性较好的水泥聚集区和强度较低的土块区。两者在空间相互交替，从而形成一种独特的水泥土结构，工程实践表明，水泥和土之间的强制搅拌越充分，土块被粉碎得越小，水泥分布到土中越均匀，则水泥土结构强度的离散性越小，其宏观强度也越高。

    5. 水泥土深层搅拌桩强度提高措施

    5.1?水泥土自身的强度及其他一些相關参数，在很大程度上对水泥土复合地基的工程特性起着至关重要的作用。如何提高水泥土的强度和耐久性，是当前水泥土搅拌桩推广应用的一个重要问题，针对这一问题，国内部分专家学者进行研究并得出了一些有益的结论。具体包括以下方面的措施：

    （1）调换水泥土原材料的质和量，即可以通过提高水泥掺入比以提高水泥土的强度，这种方法，在水泥掺入比达到某一较大值时便不具有较好的经济效益。

    （2）改变水泥土的生产工艺，可以通过施工机械的改善及增加复搅次数、降低提升或下降速度等施工参数，以增加水泥土的拌和均匀性，这对水泥土强度的提高也起着极其重要的作用。

    （3）采用一些活性化学剂，以改善水泥土材料的理化性质。

    5.2?第三种强度增加方法，主要通过活性化学剂的掺入对水泥土的物理力学性质起改善作用，即在水泥中加入外加剂，可起到调整水泥-水-粘土系统液相组成，并增加水泥石骨架的强度。

    5.3?常用的外加剂对水泥土强度的增长所起作用主要表现在几方面：部分外加剂能改变水泥水化物组成，有吸水膨胀的作用，能够起到减少水泥土的孔隙率，改善水泥土的结构连接的作用;有些活性矿物掺合料能改变二次水化产物的胶凝性，对水泥土整体强度的提高也起着重要的作用;还有一些外加剂的掺加可以减少掺水量，进而提高水泥土强度。对此，国内外做过了不少的试验研究，如氯化钠、硫酸钠、硫酸钙、氢氧化钠、三乙醇胺复合外加剂、高效减水剂和木质素磺酸钙等。美国还利用工农业废料如造纸厂废液、糖厂糖蜜以及稻壳、谷物秸秆等。这些外加剂对水泥土强度或耐久性均有一定的效果，起早强作用者居多。

    5.4?目前，室内试验研究中采用较多的外加剂有石膏、三乙醇胺等等，一些学者对石灰、氢氧化铝等外加剂的作用机理进行了试验研究，结果表明，它们对水泥土强度的提高亦可取得令人满意得结果，并可获得相应的经济效益。另外还有部分学者研究表明掺加粉煤灰的水泥土，其强度一般都比不掺粉煤灰的有所增长。不同水泥掺入比的水泥，当掺入与水泥等量的粉煤灰后，其强度一般都比不掺粉煤灰的提高10%，故在加固软土时掺入粉煤灰，不僅可消耗工业废料，还可一定程度提高水泥土强度。

    6. 水泥土深层搅拌桩质量检测方法

    6.1?水泥土深搅桩的质量检验主要包括桩身成型、强度和单桩复合地基承载力检测，目前常用的检测方法有挖桩检查、轻便触探、静载试验、低应变动测、钻孔取芯、贯入试验、静力触探和地质雷达，各方法的原理及优缺点如下：（1）挖桩检查，挖开目视桩成型情况，分别在桩顶以下50cm、150cm等部位取样，进行无侧限抗压强度试验，能对桩上部（2～3 m）进行准确的质量和成桩形状检测;挖桩法工程量大，回填质量难以保证，无法对桩身下部进行检测，检测结果无代表性。（2）轻便触探，根据轻型贯入的击数判别桩体强度，可测定5～7d内龄期的桩体，有利于质量动态控制探测深度一般不超过4m，无法检测深层质量，不能对整个桩身质量进行评定。（3）静载试验，根据测定的P（荷载）、S（沉降）曲线，检测桩强度及加固效果，能反应搅拌桩处理软基的效果，但是检测复杂，周期长，费用较高，只宜做个别验证。（4）低应变动测，利用弹性波的传播反射，间接推算桩身质量好坏，检测简单、快速、成本低，低应变动测法检验因素多，检测结果离散性较大。（5）钻孔取芯，利用地质勘探钻机进行全长取芯检验，能准确判定搅拌桩的连续性和成桩均匀性，芯样可做无侧限抗压强度试验，检测费用高，检测时间长，一般需28d以后。（6）标准贯入试验，利用钻机成孔后，根据贯入器入土30cm时的锤击数验证桩体强度，贯入击数与无侧限抗压强度之间已有较成熟的公式，不受龄期限制，但需要钻机配合成孔，费用高。（7）静力触探，利用静压力将探头压入桩体，根据探头阻力大小，反应桩体质量，快捷、经济，能较好地反应桩前期强度，便于对施工质量进行动态控制，只适用于7d龄期以内的搅拌桩的测试，需结合钻孔取芯检验进行对比试验，影响因素多，结果的准确程度难以确定。（8）地质雷达，向地下发射高频电磁波扫描，通过波在不同介质面上反射的差异，经过数据处理，显示出桩体在地下的影像，快捷、经济，能较好地反应桩前期强度，便于对施工质量进行动态控制能快速、直观地反映搅拌桩地下的“成像”情况，但是地质雷达法费用较高，测试结果受含水量影响大，该技术有待成熟。

    6.2?除上述方法外，还有人在研究利用超声波无损检测技术进行水泥土深层搅拌桩的强度测试，目前也有不少成果。

    7. 结语

    深层搅拌法目前已成为我国常用的地基加固方法，其中，水泥土深层搅拌桩是最为常用的，性价比相对较高。为了提高水泥土深层搅拌桩质量，有众多的学者开展了水泥土外加剂的研究，试图通过室内研究已达到形成固定品种固化剂或外加剂，完全取代或部分代替水泥以取得相应的经济社会效益，从目前来看，该领域的研究有待改进和提升的空间还很大，例如如何有效提高深层搅拌桩的成桩质量和早期强度，开发低成本高效用的外加剂以节省工程造价等都是十分具有研究价值的课题。