论文部分内容阅读
【摘 要】 本文对水泥土搅拌桩复合地基进行了论述，通过对它的适用范围、加固原理、设计方法及注意事项的讨论，使水泥土搅拌桩复合地基在满足承载力及变形要求的前提下，更合理、更经济、更有效。
【关键词】 水泥土搅拌桩；适用范围；设计原则
前言：
随着经济发展和社会进步，新兴建筑荷载不断增大，地基的承载能力、变形大小逐渐满足不了要求。而在工程实际中，拟建项目常常会位于历史上曾是河、塘或是曾经有过大范围人工填土的地段，这些地段的土层很难满足上部结构对地基的要求，这就需要对天然地基进行有效的加固改良，形成人工地基，以满足建（构）筑物对地基的要求。地基处理方法多种多样，本文仅对其中的水泥土搅拌桩复合地基进行论述。
1.适用范围
水泥土搅拌桩复合地基是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量，满足上部结构对地基的要求。该方法适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土、粉土、粉细砂、中粗砂、饱和黄土等。不适合处理土层中含有块石或较多其他障碍物的土层。通常情况下，当土层的天然含水量小于30%时，适合用浆体固化剂，即湿法进行施工。
该方法常常用在如下类型的工程处理上：有大面积堆载的厂房地面，例如钢厂的加工车间、电厂的储煤库等；基础作用在不利土层上的建（构）筑物地基；作为深基坑的止水帷幕。
2.优、缺点
2.1优点：
2.1.1将天然土层中的原有软土和人工固化剂就地搅拌混合均匀，使地基中的原有软土层得到了充分的利用。
2.1.2由于施工时采用搅拌叶片强制切土，不会像预制桩体等入土时对周围土体产生挤压作用，所以对周围环境尤其是邻近的建构筑物影响比较小。
2.1.3与钢筋混凝土预制桩或灌注桩相比较，水泥土搅拌桩不需要使用钢筋，仅采用水泥即可，造价相对低廉。
2.1.4施工机械简单，易操作，并且由于有固定尺寸的搅拌叶片，桩体直径能够得到保证。
2.2缺点
2.2.1搅拌机械的搅拌能力有限，对于土层承载力大于120kPa的黏性土和粉质土地基不太适用。
2.2.2由于施工时需要采用搅拌叶片对原有土体进行搅拌，会破坏原有土体的结构和组成，一旦施工质量达不到要求，不仅不能提高地基的承载力，甚至可能比原有承载力还有所降低，尤其是对原有地基土承载力本来就相对较高的土层。
3.加固机理
3.1水泥的水解和水化反应。当水泥浆或水泥粉注入土體后，水泥颗粒表面的矿物很快与土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。而所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙等化合物又在水中溶化，使水泥颗粒内部接触水后继续发生反应，进而在水泥颗粒表面形成结晶体，这些结晶体包裹在水泥颗粒表面，形成胶体。
3.2“水泥杆菌”。水泥中含有微量的硫酸钙（CaSO4），它与铝酸三钙一起与水发生化学反应，生成一种特殊的化合物，这种特殊的化合物称作“水泥杆菌”。水泥杆菌对于高含水量的土质强度增强作用明显。
3.3土颗粒与水泥水化物的相互作用。水泥颗粒与土中的水发生各种化学反应后，不断生长、延生的不溶于水的晶体交织在一起形成空间性状的网络结构，也就是我们常说的水泥骨架。除此之外，另有一部分水泥化合物则与其周围的具有一定活性的土颗粒发生反应，形成水泥土的团粒结构，使水泥土的强度增强。随着时间的推移，水泥水化反应逐渐深入，水泥胶凝体与土体进一步融合，在水泥土中形成大量纤维状结晶，不断填充颗粒间的空隙，最终使水泥化合物与土体形成独特的水泥土结构。
4.施工工艺原理及设计原则
4.1施工工艺原理
使用水泥搅拌桩钻机钻入设计深度后，利用钻机钻头在搅松的软土中以一定的压力喷入水泥浆（粉），与软土在钻头的旋转作用下搅拌混合，形成具有一定强度、柱状、和良好水稳定性的水泥土桩体，以此实现软土地基承载力增强的目的。施工时可采用单轴、双轴、多轴搅拌或连续成槽搅拌形成柱状、壁状、格栅状或块状水泥土加固体。
4.2布桩原则
水泥土搅拌桩的布置可以根据工程需要及上部结构的要求灵活变动，一般的布桩方式有正方形和正三角形（梅花桩）两种。
4.3桩长及桩径的选择
桩长宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。湿法加固深度不宜大于20m，干法加固深度不宜大于15m。常用的桩径一般为500mm～700mm。
4.4单桩承载力确定
该承载力应通过现场静载荷试验确定，若需估算时，水泥土搅拌桩的单桩承载力Ra可按《建筑地基处理技术规范》公式和Ra=ηfcuAp这两个公式来确定，两者中取小值。公式中大部分数值都可以根据地区经验和地质勘察报告取得，而水泥土抗压强度fcu是很重要的一个指标，这个指标从地质勘察报告和地区经验中都无法取得，需要经过试验确定。影响水泥土抗压强度的因素很多，有水泥掺入比、水泥标号、龄期等。在实际施工中，水泥掺入比aw对水泥土抗压强度的影响至关重要，掺入比过低，会导致水泥与土颗粒反应过弱，水泥固化程度低，因此在施工中选用的水泥掺入比aw不宜小于7%。水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大，往往采用调整水泥掺入比的方法控制水泥土抗压强度。
4.5水泥土搅拌桩复合地基承载力的确定
该承载力也应通过现场静载荷试验确定，估算时，可按《建筑地基处理技术规范》公式fspk=λm+β（1-m）fsk确定。其中面积置换率m对复合地基承载力起着重要作用，该值与桩身直径，桩布置形式及间距均有关系，提高面积置换率，复合地基承载力会相应提高，但在实际工程中应综合考虑是否经济等成本因素，若达到要求的承载力需要很高的面积置换率，则应考虑方案的可行性问题。 4.6褥垫层的设置
褥垫层是设置在桩体和基础之间具有一定厚度的垫层，一般由中砂、粗砂、级配砂石等構成，最大粒径一般不宜大于30mm。由于卵石咬合力差，施工时容易被扰动，褥垫层厚度不容易保证均匀，所以不宜采用卵石。褥垫层作用是保证水泥土桩、桩间土共同承担荷载，减少基础底面的应力集中，它可以有效调整桩土应力比。褥垫层太厚，土层承担的荷载偏大而桩体承担的荷载偏小，桩的优点没有充分发挥。褥垫层太薄，基础传下来的力过于集中在桩体上，土层承担的荷载又偏小，土的作用没有得到发挥。工程实践表明，褥垫层的合理厚度为200mm～300mm，当桩径大，桩间距大时宜取高值。
5.静载荷试验注意事项
静载荷试验过程及要求在规范中都有详细要求，此处不再论述。下面主要谈静载荷试验中需要特别注意的方面。
5.1关于载荷板的使用。载荷板的大小对试验成果的真实性有着至关重要的关系，载荷板的大小一般为一根桩所承担的处理面积。载荷板面积偏小或偏大，都会导致试验测出的值与复合地基的实际承载力出现较大偏差。另外载荷板一般由钢板制成，对人工搬动来说相对较重，而现场需要检测的点不止一处，常常需要人工搬来搬去，建议载荷板采用圆形，这样可利于现场利用滚动的方式挪动位置，省时省力。
5.2龄期的选择。一般静载荷试验应在28d龄期后进行，这时水泥的水化反应及水泥土的形成已经比较充分和稳定，能够较准确地反应复合地基的真实承载力值。在实际工程中常常因为工程进度的要求而提前检测，这是不可取的，不但得不到真实的承载力，还有可能对已施工的桩体造成损伤。
6.施工注意事项
6.1因接近地面的覆土压力较小，地面土层在机械的搅拌下松动，搅拌质量不容易保证。一般的做法为场地整平标高比设计确定的基底标高再高出0.3m～0.5m，桩制作时仍施工到地面，待开挖基坑时，再将上部0.3m～0.5m的桩身质量较差的部位截掉即可。
6.2水泥土搅拌桩的成桩质量与搅拌次数、喷浆压力、喷浆量有着密切的关系。施工时应选择转速高、喷浆压力及喷浆量大的机械设备。湿法施工时，水泥土搅拌机的泥浆泵工作压力不宜小于5.0MPa，干法施工时，喷粉空压机工作压力一般为0.4MPa～0.6MPa。
6.3施工时，搅拌次数越多，桩体拌合越均匀，强度也越高，但是应兼顾工作效率。
6.4现场情况复杂多变，若施工时因故停浆，宜将搅拌机下沉至停浆点以下0.5m，待恢复供浆时再喷浆提升，若停机超过3h，为防止浆液硬结堵管，宜先拆卸输浆管路，妥为清洗。
7.结论
通过以上论述可知，当地基处理采用水泥土搅拌桩复合地基时，应从适用条件、施工工艺及设计原则、施工注意事项等多方面综合考虑。只要采用得当，施工经验成熟，就能有效提高地基承载力，满足上部结构要求。
参考文献：
[1]JGJ 79-2012.《建筑地基处理技术规范》[S].[2012]
[2]武崇福.《地基处理》[M].北京：冶金工业出版社[2013]
[3]叶书麟，叶观宝.《地基处理》[M].北京：中国建筑工业出版社[1997]
作者简介：武海杰，出生年月：1977年12月，2003年毕业于河北建筑科技学院土木工程专业，现工作于中机国能电力工程有限公司邯郸分公司，工程师。
【关键词】 水泥土搅拌桩；适用范围；设计原则
前言：
随着经济发展和社会进步，新兴建筑荷载不断增大，地基的承载能力、变形大小逐渐满足不了要求。而在工程实际中，拟建项目常常会位于历史上曾是河、塘或是曾经有过大范围人工填土的地段，这些地段的土层很难满足上部结构对地基的要求，这就需要对天然地基进行有效的加固改良，形成人工地基，以满足建（构）筑物对地基的要求。地基处理方法多种多样，本文仅对其中的水泥土搅拌桩复合地基进行论述。
1.适用范围
水泥土搅拌桩复合地基是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基土强度和增大变形模量，满足上部结构对地基的要求。该方法适用于处理正常固结的淤泥、淤泥质土、素填土、黏性土、粉土、粉细砂、中粗砂、饱和黄土等。不适合处理土层中含有块石或较多其他障碍物的土层。通常情况下，当土层的天然含水量小于30%时，适合用浆体固化剂，即湿法进行施工。
该方法常常用在如下类型的工程处理上：有大面积堆载的厂房地面，例如钢厂的加工车间、电厂的储煤库等；基础作用在不利土层上的建（构）筑物地基；作为深基坑的止水帷幕。
2.优、缺点
2.1优点：
2.1.1将天然土层中的原有软土和人工固化剂就地搅拌混合均匀，使地基中的原有软土层得到了充分的利用。
2.1.2由于施工时采用搅拌叶片强制切土，不会像预制桩体等入土时对周围土体产生挤压作用，所以对周围环境尤其是邻近的建构筑物影响比较小。
2.1.3与钢筋混凝土预制桩或灌注桩相比较，水泥土搅拌桩不需要使用钢筋，仅采用水泥即可，造价相对低廉。
2.1.4施工机械简单，易操作，并且由于有固定尺寸的搅拌叶片，桩体直径能够得到保证。
2.2缺点
2.2.1搅拌机械的搅拌能力有限，对于土层承载力大于120kPa的黏性土和粉质土地基不太适用。
2.2.2由于施工时需要采用搅拌叶片对原有土体进行搅拌，会破坏原有土体的结构和组成，一旦施工质量达不到要求，不仅不能提高地基的承载力，甚至可能比原有承载力还有所降低，尤其是对原有地基土承载力本来就相对较高的土层。
3.加固机理
3.1水泥的水解和水化反应。当水泥浆或水泥粉注入土體后，水泥颗粒表面的矿物很快与土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。而所生成的氢氧化钙、含水硅酸钙等化合物又在水中溶化，使水泥颗粒内部接触水后继续发生反应，进而在水泥颗粒表面形成结晶体，这些结晶体包裹在水泥颗粒表面，形成胶体。
3.2“水泥杆菌”。水泥中含有微量的硫酸钙（CaSO4），它与铝酸三钙一起与水发生化学反应，生成一种特殊的化合物，这种特殊的化合物称作“水泥杆菌”。水泥杆菌对于高含水量的土质强度增强作用明显。
3.3土颗粒与水泥水化物的相互作用。水泥颗粒与土中的水发生各种化学反应后，不断生长、延生的不溶于水的晶体交织在一起形成空间性状的网络结构，也就是我们常说的水泥骨架。除此之外，另有一部分水泥化合物则与其周围的具有一定活性的土颗粒发生反应，形成水泥土的团粒结构，使水泥土的强度增强。随着时间的推移，水泥水化反应逐渐深入，水泥胶凝体与土体进一步融合，在水泥土中形成大量纤维状结晶，不断填充颗粒间的空隙，最终使水泥化合物与土体形成独特的水泥土结构。
4.施工工艺原理及设计原则
4.1施工工艺原理
使用水泥搅拌桩钻机钻入设计深度后，利用钻机钻头在搅松的软土中以一定的压力喷入水泥浆（粉），与软土在钻头的旋转作用下搅拌混合，形成具有一定强度、柱状、和良好水稳定性的水泥土桩体，以此实现软土地基承载力增强的目的。施工时可采用单轴、双轴、多轴搅拌或连续成槽搅拌形成柱状、壁状、格栅状或块状水泥土加固体。
4.2布桩原则
水泥土搅拌桩的布置可以根据工程需要及上部结构的要求灵活变动，一般的布桩方式有正方形和正三角形（梅花桩）两种。
4.3桩长及桩径的选择
桩长宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。湿法加固深度不宜大于20m，干法加固深度不宜大于15m。常用的桩径一般为500mm～700mm。
4.4单桩承载力确定
该承载力应通过现场静载荷试验确定，若需估算时，水泥土搅拌桩的单桩承载力Ra可按《建筑地基处理技术规范》公式和Ra=ηfcuAp这两个公式来确定，两者中取小值。公式中大部分数值都可以根据地区经验和地质勘察报告取得，而水泥土抗压强度fcu是很重要的一个指标，这个指标从地质勘察报告和地区经验中都无法取得，需要经过试验确定。影响水泥土抗压强度的因素很多，有水泥掺入比、水泥标号、龄期等。在实际施工中，水泥掺入比aw对水泥土抗压强度的影响至关重要，掺入比过低，会导致水泥与土颗粒反应过弱，水泥固化程度低，因此在施工中选用的水泥掺入比aw不宜小于7%。水泥土的抗压强度随着水泥掺入比的增大而增大，往往采用调整水泥掺入比的方法控制水泥土抗压强度。
4.5水泥土搅拌桩复合地基承载力的确定
该承载力也应通过现场静载荷试验确定，估算时，可按《建筑地基处理技术规范》公式fspk=λm+β（1-m）fsk确定。其中面积置换率m对复合地基承载力起着重要作用，该值与桩身直径，桩布置形式及间距均有关系，提高面积置换率，复合地基承载力会相应提高，但在实际工程中应综合考虑是否经济等成本因素，若达到要求的承载力需要很高的面积置换率，则应考虑方案的可行性问题。 4.6褥垫层的设置
褥垫层是设置在桩体和基础之间具有一定厚度的垫层，一般由中砂、粗砂、级配砂石等構成，最大粒径一般不宜大于30mm。由于卵石咬合力差，施工时容易被扰动，褥垫层厚度不容易保证均匀，所以不宜采用卵石。褥垫层作用是保证水泥土桩、桩间土共同承担荷载，减少基础底面的应力集中，它可以有效调整桩土应力比。褥垫层太厚，土层承担的荷载偏大而桩体承担的荷载偏小，桩的优点没有充分发挥。褥垫层太薄，基础传下来的力过于集中在桩体上，土层承担的荷载又偏小，土的作用没有得到发挥。工程实践表明，褥垫层的合理厚度为200mm～300mm，当桩径大，桩间距大时宜取高值。
5.静载荷试验注意事项
静载荷试验过程及要求在规范中都有详细要求，此处不再论述。下面主要谈静载荷试验中需要特别注意的方面。
5.1关于载荷板的使用。载荷板的大小对试验成果的真实性有着至关重要的关系，载荷板的大小一般为一根桩所承担的处理面积。载荷板面积偏小或偏大，都会导致试验测出的值与复合地基的实际承载力出现较大偏差。另外载荷板一般由钢板制成，对人工搬动来说相对较重，而现场需要检测的点不止一处，常常需要人工搬来搬去，建议载荷板采用圆形，这样可利于现场利用滚动的方式挪动位置，省时省力。
5.2龄期的选择。一般静载荷试验应在28d龄期后进行，这时水泥的水化反应及水泥土的形成已经比较充分和稳定，能够较准确地反应复合地基的真实承载力值。在实际工程中常常因为工程进度的要求而提前检测，这是不可取的，不但得不到真实的承载力，还有可能对已施工的桩体造成损伤。
6.施工注意事项
6.1因接近地面的覆土压力较小，地面土层在机械的搅拌下松动，搅拌质量不容易保证。一般的做法为场地整平标高比设计确定的基底标高再高出0.3m～0.5m，桩制作时仍施工到地面，待开挖基坑时，再将上部0.3m～0.5m的桩身质量较差的部位截掉即可。
6.2水泥土搅拌桩的成桩质量与搅拌次数、喷浆压力、喷浆量有着密切的关系。施工时应选择转速高、喷浆压力及喷浆量大的机械设备。湿法施工时，水泥土搅拌机的泥浆泵工作压力不宜小于5.0MPa，干法施工时，喷粉空压机工作压力一般为0.4MPa～0.6MPa。
6.3施工时，搅拌次数越多，桩体拌合越均匀，强度也越高，但是应兼顾工作效率。
6.4现场情况复杂多变，若施工时因故停浆，宜将搅拌机下沉至停浆点以下0.5m，待恢复供浆时再喷浆提升，若停机超过3h，为防止浆液硬结堵管，宜先拆卸输浆管路，妥为清洗。
7.结论
通过以上论述可知，当地基处理采用水泥土搅拌桩复合地基时，应从适用条件、施工工艺及设计原则、施工注意事项等多方面综合考虑。只要采用得当，施工经验成熟，就能有效提高地基承载力，满足上部结构要求。
参考文献：
[1]JGJ 79-2012.《建筑地基处理技术规范》[S].[2012]
[2]武崇福.《地基处理》[M].北京：冶金工业出版社[2013]
[3]叶书麟，叶观宝.《地基处理》[M].北京：中国建筑工业出版社[1997]
作者简介：武海杰，出生年月：1977年12月，2003年毕业于河北建筑科技学院土木工程专业，现工作于中机国能电力工程有限公司邯郸分公司，工程师。