浅谈水泥土搅拌桩在地基处理中的应用

浅谈水泥土搅拌桩在地基处理中的应用

孙晓毅

中铁第五勘察设计集团有限公司东北分院哈尔滨150006

摘要：本文对水泥土搅拌的加固结机理进行了理论分析。水泥土搅拌桩加固是基于柔性桩复合地基原理的一种加固方法。加固机理是以土质改良作用为本，从理论上讲能够起到加固地基的作用。

关键词：水泥土搅拌桩；水泥搅土拌桩水泥掺入比；置换率，性能，机理

前言

近年来，随着土木工程建设规模的扩大和要求的提高，需要对天然地基进行地基处理的工程日益增多。处理好地基问题，不仅关系所建工程是否安全可靠，而且关系所建工程投资大小。

水泥土搅拌桩加固地基的主要的特点、分类及优点综述如下：

（1）适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流流动地下水的松散砂土等地基。

（2）在施工方法上，按其适用加固材料的状态，可分为浆液搅拌法（湿法）和粉体搅拌法（干法）。

（3）利用低压力泵（压力一般小于2MPa）将水泥至地基深处，通过搅拌叶片将水泥和土搅拌均匀，形成强度较高的水泥土桩体，其加固深度浆体搅拌桩桩长不宜大于18m，粉体搅拌桩桩长不宜大于15.0m。

（4）优点是施工机械简单、速度快，工程造价低，通过采用双向搅拌技术，大大改善了搅拌过程中对原地基土的扰动，避免了冒浆现象，提高了桩身的均匀性及桩身强度。

1水泥搅拌桩的加固机理及影响因素

水泥土搅拌桩多用于土层较厚的地基加固处理过程中，其基本原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程，可通过专用机械设备将固化剂灌入需要处理的土层内，并在灌入过程中上下搅拌均匀，使水泥与土发生水解和水化反应，生成水泥化物并形成凝胶体，将土颗粒或小土团凝结在一起形成一种稳定的结构整体，这就是水泥骨架作用，同时水泥在水化过程中生成的钙离子与土颗粒表面的钠离子交换作用，生成稳定的钙离子，从而进一步提高土体的强度，达到提高其复合地基承载力的目的。影响水泥搅拌桩加固土性能的因素虽然很多，但总的可分为人为（静态因素和非人为（动态）因素两大类。人为因素有诸如水泥等固化剂材料的种类、性能及掺合量，施工工艺方式及水泥浆液的水灰比，养护龄期等。而非人为因素主要是不同成因、性能的拟加固原状土（包括土的含水量、土的渗透性）和水泥土硬化反应作用的养护环境条件。针对在一定的非人为因素条件下，我们可以通过控制人为因素来保证水泥加固土的性能满足工程设计的预期要求。

2水泥掺量及水泥标号对水泥土搅拌桩强度的影响

大量试验资料都表明，水泥土搅拌桩的强度随着水泥剂量的增多而增长，当水泥的矿物成分相同时，水泥土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高，这是因为随着水泥比表面的增大，土的颗粒和微团粒与水泥颗粒的接触面积相应增大，从而使水泥在土体中能够更均匀分布，并使水泥的结合性质能更有效地加以利用对于同一种土，在水泥土硬化条件和水泥矿物成分相同时，随着水泥分散度的增大其化学活性程度和硬化能力也相应增长。不论何种土质，采用不同品种的水泥，水泥土的无侧限抗压强度均随水泥掺量的增加而增大，只是效果不同，增大速率不等。当水泥掺入比14~18%时，水泥土28d龄期无侧限抗压强度可达0.1-3MPa以上，当采用不同水泥标号的水泥对土进行加固时，在其它条件相同下，其加固的水泥土强度随水泥标号的提高而提高。一般水泥标号每提高100号，其水泥土的强度增长15-30%，当我们得出针对某一地区的水泥加固土随水泥掺入比增长的规律和经验公式并应用在设计中，可按预期的设计强度来选择合适的水泥掺入比，以提高加固的经济合理性。

3水泥土搅拌桩的设计

3.1水泥土搅拌桩的单桩竖向承载力及复合地基竖向承载力计算

水泥土搅拌桩单桩竖向承载力取决于土的阻力和桩体强度两部分。因此在计算桩的承载力时必须验算桩身强度，并应注意防止因桩身强度过低，致使与土体阻力构成的桩的承载力相差太大，土体的承载力不能充分发挥。

单桩竖向容许承载力值宜通过现场单桩载荷试验确定，也可以按式（1）和式（2）计算，并取其较小值：

[P]＝η×Pf×Ap（1）

[P]＝（Up∑（qi×li）+α×Ap×qp（2）

式中：[P]—单桩容许承载力（KN）；

Pf—与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块（边长为70.7mm的立方体，也可采用边长为50mm的立方体）在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值（kPa）；

η—桩身强度折减系数，粉体搅拌桩可取0.20~0.30，浆体搅拌桩可取0.25~0.33；

Ap—桩身截面积；

Up—桩身周长（m）；

qi—桩周第i层土的容许摩阻力（kPa）；

li—桩周第i层土的厚度（m）；

qp—桩端地基土容许承载力（kPa）；

α—桩底地基土容许承载力折减系数，可取0.4~0.6，承载力高时取低值。

水泥土搅拌桩复合地基考虑外部荷载由桩体和桩间土体共同承担。水泥土搅拌桩复合地基的竖向承载力宜通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验确定，设计时可按下式计算：

σsp=m[P]/Ap+β（1-m）σsβ（1）

m=Ap/A（2）

σsp—复合地基容许承载力（kPa）；

σs—桩间土天然地基容许承载力（kPa）；

β—桩间土承载力折减系数，当桩底为软弱土层时，可取0.5~1.0，桩底为硬土层时，可取0.1~0.4；

m—置换率，通过（2）式计算确定，一般可取10%~20%。

A—桩所承担的复合地基面积（m2）

3.2桩长的确定

竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力、稳定和变形的要求确定，并宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层；为提高抗滑稳定性而设置的搅拌桩，其桩长应超过危险弧以下不小于2m。

3.3水泥土搅拌桩路基稳定性验算

路堤和地基的整体稳定性采用圆弧滑动法进行计算，采用有效固结应力法（快剪与固结快剪指标）稳定计算安全系数Fs：Fs=（∑（Si+△Si）+∑Sj）/PT（1）

Si=（1-m）（Cqili+Wdicos（ai）tanφqi）+mτcili（2）

△Si=（1-m）μs（WtiUicos（ai）tanφgi）（3）

Sj=Wjcos（aj）tan（φqi）+Cqjli（4）

PT=∑Wisin（ai）+∑Wjsin（aj）（5）

μs=1/（1+（n-1）m）（6）

式中i、j—土条编号，下标i表示土条底部的滑裂面在地基土层内，下标j表示土条底部的滑裂面在路堤填料内；

PT—各土条在滑弧切线方向的下滑力的总和；

Si—地基土内（AB弧）抗剪力（KN/m）；

△Si—由于固结增长的地基强度抗剪力（KN/m）；

Sj—路堤内（BC弧）抗剪力（KN/m）；

Wi、Wj—第i、j土条重量，Wi=Wti+Wdi；

Wdi、wti—当第i土条的滑裂面处于地基内（AB弧）时，分别为滑面以上该土条中的地基自重及路堤自重；

ai、aj—第i、j土条底滑面的倾角；

li、lj—第i、j土条底滑面的长度（m）；

Cqi，φqi—当第i土条的滑裂面处于地基内（AB弧）时，分别为该土条所在土层的快剪黏聚力及快剪内摩擦角；

Cqj，φqj—当第i土条的滑裂面处于路堤内（BC弧）时，分别为该土条所在路堤填料的黏聚力及内摩擦角；

Ui—地基土平均固结度；

Φgi—第i土条所在土层的固结快剪或三轴固结不排水剪的内摩擦角；

μs—桩间土的应力折减系数；

n—桩土应力比，在计算μs时，一般取3~6，应按试验资料确定。

m—置换率。

τci—桩体的抗剪强度；

3.4水泥土搅拌桩加固地基范围的路基沉降验算：

△S=S有总—S施（单位为cm）（1）

S有总—在有荷载条件下地基所产生的总沉降量；（通过分层总和计算）

S施—在无荷载条件下由填土产生的总沉降量；（通过分层总和计算）

复合地基总沉降量的计算分为加固区与下卧层两部分沉降量，加固区的总沉降量采用复合模量计算，复合模量按置换率确定，下卧层的沉降按天然压缩模量计算。

复合模量计算公式：Esp=mEp+（1-m）Es（2）

Esp—复合地基压缩模量；

Ep—桩身压缩模量；

m—置换率；

Es—桩间土压缩模量；

4、结论

（1）水泥搅拌桩具有施工简单、安全可靠、施工速度快、适用范围广、处理效果成本低等优点。该法广泛用于铁路路基地基处理，并且在国内外得到到推广和应用。

（2）通过试验方法取得具体工程施工技术参数，目前仍是保证水泥搅拌桩施工质量的重要程序，应给予高度重视。

参考文献

[1]TB10106-2010《铁路工程地基处理技术规范》[S]；

[2]左名麒，刘永超，孟庆文，刘克玲，于文著《地基处理实用技术》，中国铁道出版社2005.北京；

[3]《铁路工程设计技术手册-路基》铁道部第一勘测设计院主编，中国铁道出版社；

[4]JGJ79-2012《建筑地基处理技术规范》