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摘要：水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂的主剂，是软基处理的一种有效形式，。本文结合作者工作经验，简单阐述了水泥搅拌桩的成桩机理，对水泥搅拌桩在路桥施工技术中的应用做出了探讨。
关键词：路桥施工；水泥搅拌桩；软基处理
1 水泥搅拌桩的成桩机理
1．1 水泥的水解和水化反应
普通硅酸盐水泥包含水硬性胶结材料的主要矿物有氧化(Ca0)、二氧化硅(Si02 )、三氧化二铝(A1203)、三氧化二铁(Fe203)及三氧化硫(SO3)等。当水泥与水拌和成水泥浆时，水泥颗粒表面的矿物立即与水发生水解和水化反应，生成一系列水化物。这些水化物迅速溶于水，使水泥颗粒表面继续暴露。继续与水反应，生成水化物溶于水，直至溶液达到饱和，生成物不能再溶解，成为凝胶微粒悬浮于溶液中。
1．2 水泥水化物与粘土颗粒的化学作用
水泥水化物凝胶颗粒的一部分与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，另一部分逐渐自身凝结硬化形成水泥石骨架。
1．2．1 团粒化作用
土中的Si02遇水形成硅胶微粒，经化学反应，较小的颗粒逐渐形成大的土团粒。并且水泥水化生成的Ca(OH)2等凝胶粒子，其表面能较大，吸附活性十分强烈，于是土团粒进一步互相结合，并且封闭了团粒之间的空隙，从而形成坚固的水泥土的大团粒结构，使土的强度提高。
1．2．2 凝硬作用
当溶液中析出的钙离子的数量超过离子交换所需数量时，其多余部分便与粘土矿物中的一部分或大部分胶态Si02或胶态AI2O3，进行反应，生成不溶于水的稳定的硅或铝钙结晶化合物，在水中逐渐硬化，且强度增长。由于其结构较致密，水不易侵入，使得水泥土具有一定的水稳性。水泥矿物中的CaS04和Ca3AIO3一起与水反应，生成“水泥杆菌”，以针状结晶形式很快析出，使土中大量自由水以结晶的形式固定下來，它的减少量大约为“水泥杆菌” 生成重量的46％ ，对土的固结起到一定的作用。但硫酸钙的含量不能过多，否则“水泥杆菌” 针状结晶会使水泥土膨胀而破坏。
1．2．3 碳酸化作用
溶液中游离的Ca(OH)2与空气和水中的C02反应生成不溶于水的CaC03(石灰石)，它能增加土的强度，但其反应速度较慢，故有利于后期强度的增加。水泥和土搅拌后，通过上述一系列化学反应形成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥桩体。
2 影响水泥搅拌桩强度的主要因素
2．1 土的含水量
天然土的含水量越小，水泥土的抗压强度越高。含水量对强度的影响还与水泥掺入比有关。反之，水泥掺入比较小时，含水量对强度影响不甚明显。
2．2 土的化学性质
土的化学成份，如酸碱度(PH值)、有机质含量、硫酸盐含量等对加固土强度的影响甚大。酸性土(PH＜7)加固后的强度较碱性土差，且PH值越低，强度越低。土的有机质或腐植值会使土具有酸性，并会增加土的水溶性和膨胀性，降低其透水性，影响水泥水化反应的进行，从而降低加固土的强度。在实际施工中，如土层局部范围内PH值偏低，可采用在水泥中掺入少量石膏(CaS04)，来提高土的PH值。
表1 地质资料
层深（m） 说明 基本承载力 内摩擦角（ ）
0～4 粘土、灰黑～黄褐色、软塑 110 00
4.0～6.0 砂粘土、灰褐色、软塑 110
6.0 中砂、灰褐色、中密、饱和 350
3 水泥搅拌桩设计
3．1 主要设计参数
(1)秦沈线地质资料；
(2)地震设防裂度为7°；
(3)地下水埋深1.5 m；
(4)深层搅拌桩采用P425冀东水泥作固化料，不掺外加剂；
(5)要求加固后复合地基承载力不小于150 kPa；
(6)桩径选为 500 mm。
3．2 搅拌桩设计
(1)布桩范围：由路基中心线向两侧布置桩位，必须保证桩距，且路基范围最外一排桩不得大于设计桩距，必要时加密。
(2)布桩型式：采用柱桩，正方形布置。
3．3 确定搅拌桩长及桩间距
(1)桩长L根据桩顶设计标高位于地面以下0.5 m。地面以下6.0m为中密砂层，故限制水泥搅拌桩加固深度，故先确定桩长L=6–0.5=5.5 m，再计算单桩承载Rkd及水泥土的抗压强度 qu依据公式：
Rkd =qs•Up•L=20×1.57×5.5=172.7KNqu= 2k•RkdAp=2 640 kPa
式中：Rkd一单桩竖向承载力标准值；qs一桩间土的平均摩擦力，地质为砂粘土、粘砂土，qs取20 kPa；up一桩周长(In)，Up= ×0.5=1.57 m；L一搅拌桩设计长度(m)；Ap一桩的截面积。Ap= /4×0.52=0.19625m2；K一水泥土强度安全系数，取1.5；
(2)确定桩间距a
①首先确定桩的置换率m依据复合地基承载力公式fsp•k=m×Rkd／Ap+ (1－m)fs•k式中： fsp•k—复合地基承载力标准值(kPa)，由设计知：fsp •k=150kPa； —桩间土承载力折减系数，取 =0.4；
fs•k—桩问天然地基承载力标准值(kPa)，取搅拌桩范围(搅拌桩桩顶距地面：0.5m，即0．5m～6.0m范围)各土层地基承载力标准值的加权平均值：fsp.k=110kPa将以上数据代入复合地基承载力公式：150=m×172.7／0.19625+0．4×(1一m)×110得：m=0．127
②再确定每根桩承担的处理面积A由m=Ap／A得：A=Ap／m=0.19625／0.127≈1．545
③最后确定桩间距a由A=a2 得：a=AI／2=1.5451／2≈1.24 m取a=1.0 m
4 水泥搅拌桩加固料掺入料的确定
4．1 水泥搅拌桩的配合比
施工前按照现场取土样进行室内配比试验，以确定符合现场地质条件及桩体强度要求的水泥掺入量。在DK406+025路基中线原地面以下2m处，取土样进行试验，确定不同水泥掺入量在不同龄期的无侧限抗压强度。
表2 土的物理指标试验
P(g/cm3) W(%) WL(%) WP(%) IP 土名
1.83 18.7 31.6 19.8 11.8 砂粘土
水泥采用普通硅酸盐425#水泥。通过对三种掺入比(加固土重的12％ 、14％ 、16％ 、18％ 、20％)制备土样，进行试验，并对二个龄期进行无侧限抗压试验，得到不同水泥掺入量的水泥土在不同龄期的强度。设计要求水泥搅拌桩成桩后90天后钻芯取样，无侧限抗压强度不得小于2.64 MPa。28天水泥土强度可达到标准强度的6o％ ～75％ ，取6o％ ，要使90d龄期qu不小于2．64 MPa，水泥土28 d龄期无侧限抗压强度应不小于2.64×60％ =1.58 MPa。当水泥掺人量为14％时，28天无侧限抗压强度为3.2 MPa，考虑各种因素确定综合安全系数为2.0，则1.58 MPa×2=3.168MPa，3.2MPa>3.168 MPa，所以当水泥掺量为14％时，搅拌桩的无侧限抗压强度满足设计要求，因此该配比可以用于现场施工。
表3 水泥土无侧限抗压强度
水泥掺入比 7天龄期（MPa） 28天龄期（MPa）
12% 0.7 2.4
14% 1.0 3.2
16% 1.3 3.9
18% 1.6 4.7
20% 2.0 5.1
4．2 水泥搅拌桩的施工机械
我国自行设计制造或改制的水泥土搅拌桩专用施工机械有多种型号，根据现场实际情况及达到预定的功效，选用了GZB一600型水泥搅拌桩施工机械。其主要参数见表4。
表4 专用设备主要参数
深层搅拌机 搅拌轴数量（根） 1（ 129）
搅拌叶片外径（mm） 600
搅拌轴转数（r/min） 50
电机功率（kw） 2×30
起吊设备 提升能力（kn） 150
提升高度（kn） 14
提升速度（m/min） 0.6-1.0
拼地压力（kpa） 60
固化剂 灰浆拌制台数×容量（L） 2×500
灰浆泵量（L/mm） AP-15-B281
制备系统 灰漿泵工作压力（kPa） 1400
集料斗容量（L） 180
技术指标 最大加固深度 0.283
最大另固深度（m） 10-15
效率（m/台班）/总数量（t） 6012
4．3 提升速度
经现场工艺试桩记录和提升速度与水泥搅拌桩的均匀性和功效进行对比，采用最佳提升速度0.8 m／min。单位时间内水泥浆液的喷出量：现场取土样进行试配和对其物理力学性能分析，取水泥最佳掺入比为14％ ，土样的重度为18．9 kN／m3。把所得的参数代人公式q=( ／4)D2rsawV，得出每次单位时间内水泥浆液的喷出量为67 kg／min(注：D一钻头直径(m)、rs一土的重度(kN／m3)、aw一固化剂掺入比(％)、v一搅拌轴提升速度(m／min))。
4．4 任意一点的搅拌次数
搅拌轴叶片垂直投影高度是0.2 m，搅拌轴叶片总数是4片，根据这些提供的参数代入t=hΣz•n／v得出土体中任意一点经搅拌轴搅拌的次数为50次，注：h一搅拌轴叶片垂直投影高度(m)、Σz一搅拌轴叶片总数、n一搅拌轴叶片转速(r／min)、v一搅拌轴提升速度(m／min)。
5 搅拌桩质量控制的几个方面
(1)水泥浆体拌制完后应防止其发生离析现象。
(2)施工中因故障停浆时，应将搅拌机下沉至停浆点以下0.5 m，待恢复供浆时再搅拌提升。
(3)当喷浆口到达设计桩顶标高时，应停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实。
(4)做好每一根桩的施工记录，深度记录误差不大于50 mm，时间记录误差不大于5s。
6 搅拌桩质量检验
(1)施工允许偏差桩身垂直偏差：不大于1％ 。桩位偏差：不大于50 mm。桩径偏差：不大于4％ 。桩顶标高：应超高500mm。桩底标高：应超深100mm～200mm。
(2)施工过程检验。经常检查施工记录，根据每一根桩的水泥用量、水泥浆液的均匀性、搅拌次数和时间及成桩深度等对质量进行评价。
(3)施工后质量检查：①一般在成桩后28d龄期，抽检总桩数的2％ ，用地质钻机钻取芯样观察其连续性和搅拌均匀程度并制成试件进行无侧限抗压强度试验；②场地复杂或施工有问题的桩，进行单桩荷载试验，检验其承载力；③施工后28天，对搅拌桩进行抽检。经钻芯取样和静载试验，均达到设计要求。
7 结束语
随着公路建设的不断发展，路桥的施工环境也越来越复杂，水泥搅拌桩作为软基处理的主要措施，必定得到越来越广泛的应用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：路桥施工；水泥搅拌桩；软基处理
1 水泥搅拌桩的成桩机理
1．1 水泥的水解和水化反应
普通硅酸盐水泥包含水硬性胶结材料的主要矿物有氧化(Ca0)、二氧化硅(Si02 )、三氧化二铝(A1203)、三氧化二铁(Fe203)及三氧化硫(SO3)等。当水泥与水拌和成水泥浆时，水泥颗粒表面的矿物立即与水发生水解和水化反应，生成一系列水化物。这些水化物迅速溶于水，使水泥颗粒表面继续暴露。继续与水反应，生成水化物溶于水，直至溶液达到饱和，生成物不能再溶解，成为凝胶微粒悬浮于溶液中。
1．2 水泥水化物与粘土颗粒的化学作用
水泥水化物凝胶颗粒的一部分与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，另一部分逐渐自身凝结硬化形成水泥石骨架。
1．2．1 团粒化作用
土中的Si02遇水形成硅胶微粒，经化学反应，较小的颗粒逐渐形成大的土团粒。并且水泥水化生成的Ca(OH)2等凝胶粒子，其表面能较大，吸附活性十分强烈，于是土团粒进一步互相结合，并且封闭了团粒之间的空隙，从而形成坚固的水泥土的大团粒结构，使土的强度提高。
1．2．2 凝硬作用
当溶液中析出的钙离子的数量超过离子交换所需数量时，其多余部分便与粘土矿物中的一部分或大部分胶态Si02或胶态AI2O3，进行反应，生成不溶于水的稳定的硅或铝钙结晶化合物，在水中逐渐硬化，且强度增长。由于其结构较致密，水不易侵入，使得水泥土具有一定的水稳性。水泥矿物中的CaS04和Ca3AIO3一起与水反应，生成“水泥杆菌”，以针状结晶形式很快析出，使土中大量自由水以结晶的形式固定下來，它的减少量大约为“水泥杆菌” 生成重量的46％ ，对土的固结起到一定的作用。但硫酸钙的含量不能过多，否则“水泥杆菌” 针状结晶会使水泥土膨胀而破坏。
1．2．3 碳酸化作用
溶液中游离的Ca(OH)2与空气和水中的C02反应生成不溶于水的CaC03(石灰石)，它能增加土的强度，但其反应速度较慢，故有利于后期强度的增加。水泥和土搅拌后，通过上述一系列化学反应形成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥桩体。
2 影响水泥搅拌桩强度的主要因素
2．1 土的含水量
天然土的含水量越小，水泥土的抗压强度越高。含水量对强度的影响还与水泥掺入比有关。反之，水泥掺入比较小时，含水量对强度影响不甚明显。
2．2 土的化学性质
土的化学成份，如酸碱度(PH值)、有机质含量、硫酸盐含量等对加固土强度的影响甚大。酸性土(PH＜7)加固后的强度较碱性土差，且PH值越低，强度越低。土的有机质或腐植值会使土具有酸性，并会增加土的水溶性和膨胀性，降低其透水性，影响水泥水化反应的进行，从而降低加固土的强度。在实际施工中，如土层局部范围内PH值偏低，可采用在水泥中掺入少量石膏(CaS04)，来提高土的PH值。
表1 地质资料
层深（m） 说明 基本承载力 内摩擦角（ ）
0～4 粘土、灰黑～黄褐色、软塑 110 00
4.0～6.0 砂粘土、灰褐色、软塑 110
6.0 中砂、灰褐色、中密、饱和 350
3 水泥搅拌桩设计
3．1 主要设计参数
(1)秦沈线地质资料；
(2)地震设防裂度为7°；
(3)地下水埋深1.5 m；
(4)深层搅拌桩采用P425冀东水泥作固化料，不掺外加剂；
(5)要求加固后复合地基承载力不小于150 kPa；
(6)桩径选为 500 mm。
3．2 搅拌桩设计
(1)布桩范围：由路基中心线向两侧布置桩位，必须保证桩距，且路基范围最外一排桩不得大于设计桩距，必要时加密。
(2)布桩型式：采用柱桩，正方形布置。
3．3 确定搅拌桩长及桩间距
(1)桩长L根据桩顶设计标高位于地面以下0.5 m。地面以下6.0m为中密砂层，故限制水泥搅拌桩加固深度，故先确定桩长L=6–0.5=5.5 m，再计算单桩承载Rkd及水泥土的抗压强度 qu依据公式：
Rkd =qs•Up•L=20×1.57×5.5=172.7KNqu= 2k•RkdAp=2 640 kPa
式中：Rkd一单桩竖向承载力标准值；qs一桩间土的平均摩擦力，地质为砂粘土、粘砂土，qs取20 kPa；up一桩周长(In)，Up= ×0.5=1.57 m；L一搅拌桩设计长度(m)；Ap一桩的截面积。Ap= /4×0.52=0.19625m2；K一水泥土强度安全系数，取1.5；
(2)确定桩间距a
①首先确定桩的置换率m依据复合地基承载力公式fsp•k=m×Rkd／Ap+ (1－m)fs•k式中： fsp•k—复合地基承载力标准值(kPa)，由设计知：fsp •k=150kPa； —桩间土承载力折减系数，取 =0.4；
fs•k—桩问天然地基承载力标准值(kPa)，取搅拌桩范围(搅拌桩桩顶距地面：0.5m，即0．5m～6.0m范围)各土层地基承载力标准值的加权平均值：fsp.k=110kPa将以上数据代入复合地基承载力公式：150=m×172.7／0.19625+0．4×(1一m)×110得：m=0．127
②再确定每根桩承担的处理面积A由m=Ap／A得：A=Ap／m=0.19625／0.127≈1．545
③最后确定桩间距a由A=a2 得：a=AI／2=1.5451／2≈1.24 m取a=1.0 m
4 水泥搅拌桩加固料掺入料的确定
4．1 水泥搅拌桩的配合比
施工前按照现场取土样进行室内配比试验，以确定符合现场地质条件及桩体强度要求的水泥掺入量。在DK406+025路基中线原地面以下2m处，取土样进行试验，确定不同水泥掺入量在不同龄期的无侧限抗压强度。
表2 土的物理指标试验
P(g/cm3) W(%) WL(%) WP(%) IP 土名
1.83 18.7 31.6 19.8 11.8 砂粘土
水泥采用普通硅酸盐425#水泥。通过对三种掺入比(加固土重的12％ 、14％ 、16％ 、18％ 、20％)制备土样，进行试验，并对二个龄期进行无侧限抗压试验，得到不同水泥掺入量的水泥土在不同龄期的强度。设计要求水泥搅拌桩成桩后90天后钻芯取样，无侧限抗压强度不得小于2.64 MPa。28天水泥土强度可达到标准强度的6o％ ～75％ ，取6o％ ，要使90d龄期qu不小于2．64 MPa，水泥土28 d龄期无侧限抗压强度应不小于2.64×60％ =1.58 MPa。当水泥掺人量为14％时，28天无侧限抗压强度为3.2 MPa，考虑各种因素确定综合安全系数为2.0，则1.58 MPa×2=3.168MPa，3.2MPa>3.168 MPa，所以当水泥掺量为14％时，搅拌桩的无侧限抗压强度满足设计要求，因此该配比可以用于现场施工。
表3 水泥土无侧限抗压强度
水泥掺入比 7天龄期（MPa） 28天龄期（MPa）
12% 0.7 2.4
14% 1.0 3.2
16% 1.3 3.9
18% 1.6 4.7
20% 2.0 5.1
4．2 水泥搅拌桩的施工机械
我国自行设计制造或改制的水泥土搅拌桩专用施工机械有多种型号，根据现场实际情况及达到预定的功效，选用了GZB一600型水泥搅拌桩施工机械。其主要参数见表4。
表4 专用设备主要参数
深层搅拌机 搅拌轴数量（根） 1（ 129）
搅拌叶片外径（mm） 600
搅拌轴转数（r/min） 50
电机功率（kw） 2×30
起吊设备 提升能力（kn） 150
提升高度（kn） 14
提升速度（m/min） 0.6-1.0
拼地压力（kpa） 60
固化剂 灰浆拌制台数×容量（L） 2×500
灰浆泵量（L/mm） AP-15-B281
制备系统 灰漿泵工作压力（kPa） 1400
集料斗容量（L） 180
技术指标 最大加固深度 0.283
最大另固深度（m） 10-15
效率（m/台班）/总数量（t） 6012
4．3 提升速度
经现场工艺试桩记录和提升速度与水泥搅拌桩的均匀性和功效进行对比，采用最佳提升速度0.8 m／min。单位时间内水泥浆液的喷出量：现场取土样进行试配和对其物理力学性能分析，取水泥最佳掺入比为14％ ，土样的重度为18．9 kN／m3。把所得的参数代人公式q=( ／4)D2rsawV，得出每次单位时间内水泥浆液的喷出量为67 kg／min(注：D一钻头直径(m)、rs一土的重度(kN／m3)、aw一固化剂掺入比(％)、v一搅拌轴提升速度(m／min))。
4．4 任意一点的搅拌次数
搅拌轴叶片垂直投影高度是0.2 m，搅拌轴叶片总数是4片，根据这些提供的参数代入t=hΣz•n／v得出土体中任意一点经搅拌轴搅拌的次数为50次，注：h一搅拌轴叶片垂直投影高度(m)、Σz一搅拌轴叶片总数、n一搅拌轴叶片转速(r／min)、v一搅拌轴提升速度(m／min)。
5 搅拌桩质量控制的几个方面
(1)水泥浆体拌制完后应防止其发生离析现象。
(2)施工中因故障停浆时，应将搅拌机下沉至停浆点以下0.5 m，待恢复供浆时再搅拌提升。
(3)当喷浆口到达设计桩顶标高时，应停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实。
(4)做好每一根桩的施工记录，深度记录误差不大于50 mm，时间记录误差不大于5s。
6 搅拌桩质量检验
(1)施工允许偏差桩身垂直偏差：不大于1％ 。桩位偏差：不大于50 mm。桩径偏差：不大于4％ 。桩顶标高：应超高500mm。桩底标高：应超深100mm～200mm。
(2)施工过程检验。经常检查施工记录，根据每一根桩的水泥用量、水泥浆液的均匀性、搅拌次数和时间及成桩深度等对质量进行评价。
(3)施工后质量检查：①一般在成桩后28d龄期，抽检总桩数的2％ ，用地质钻机钻取芯样观察其连续性和搅拌均匀程度并制成试件进行无侧限抗压强度试验；②场地复杂或施工有问题的桩，进行单桩荷载试验，检验其承载力；③施工后28天，对搅拌桩进行抽检。经钻芯取样和静载试验，均达到设计要求。
7 结束语
随着公路建设的不断发展，路桥的施工环境也越来越复杂，水泥搅拌桩作为软基处理的主要措施，必定得到越来越广泛的应用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。