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摘要：
本文介绍了水泥搅拌桩施工机理、设备、工艺流程、参数计算、质量检验等环节，并根据实验总结这种有效的软基处理方式。
关键词：地基处理；深层搅拌桩；工艺流程； 参数计算
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：
1、前言
水泥搅拌桩是在软土地基中制作水泥拌合体，形成固体桩，桩体本身除拥有较大的抗剪阻力外同时发挥吸水效果而促进桩间土粘聚力，通过这两种效果增加支撑力和防止滑动破坏、抑制侧向变位等提高地基稳定性的施工方法。另外，通过桩的应力分担效果，能够降低地基的压缩沉降量。
2、水泥搅拌桩加固软土地基机理
水泥搅拌桩是采用专门的深层搅拌钻机，将水泥（加固材料）输送到地基土中，并与地基土强制拌和形成“水泥土”，依靠水泥的硬化及其与土颗粒间产生的一系列物理化学反应而使地基得到加固方法。水泥土形成机理为：
2.1水泥的水解和水化作用
软土和水泥搅拌之后，水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙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、含水铁铝酸钙等化合物。含水酸钙能迅速溶于水中，使水泥表面重新暴露出来，再与水发生反应，从而使周围水溶液逐渐达到饱和，新生成物不再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮在溶液中。
2.2离子交换与团粒作用
软土中的粘土颗粒的粒径较小，当粘土与水结合就表现出一种胶体特征。粘土颗粒带负电，吸附阳离子，形成胶体分散体系。表面带有钾离子或钠离子，可与水泥水化反应的钙离子进行离子交换，产生凝聚，形成较大的团粒，提高土体强度。因土颗粒间距大，离子吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度增高。此外，水泥水化生成的胶凝粒子的表面积比原水泥颗粒大千倍，因而产生较大的表面能，具有较大的吸附活性，使较大的土团粒进一步连接起来，形成水泥土的蜂窝结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固连接，使水泥土强度大大提高。
2.3硬凝反应
随着水泥土水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，其阳离子交换后还能过剩，则在碱性环境中，能使组成粘性土的矿物质的二氧化硅、三氧化硅的一部分与其反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶矿物。生成物在水中与空气中逐渐硬化，增大水泥土强度，且其结构致密，水分不易侵入。
2.4碳化作用
水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中的空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，也会使土固化，增加水泥土强度，但其增长速度慢，幅度小。
3、搅拌桩设计参数确定
3.1、置换率
置换率是将原地基设为1的桩的体积比例，是显示改良程度的常数。搅拌桩的设计主要是确定置换率，单桩承载力和复合地基承载力和选择水泥掺入比等，其设计可以按照如下公式计算。
⑴桩土面积置换率
as=(ｆｓp-β×ｆｓp)/ (Ｐａ/Ａｐ-β×ｆｓ)
as—桩间土面积置换率；
ｆｓp—工程设计要求达到的复合地基承载力特征值， kＰａ；
β—桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0，当桩端为硬土时，可取0.1～0.4；
Pａ—单桩竖向承载力特征值，kＮ；
Ａｐ—为桩的截面积，ｍ2
ｆｓ—桩间土的承载力特征值，kＰａ。
3.2、桩的总数计算
桩的布置形式可采用正三角形或等边三角形，其桩的总数可按下式计算，再根据总桩数，进行搅拌桩平面布置：
n=as×A/Ａp
n—搅拌桩总根数；
A—地基加固面积，即基础底面积；
3.3、水泥掺入比及掺入量计算
深层水泥搅拌桩掺入比可根据要求选用（10、12、14、15、18、20、22、24）%等，掺入比与水泥掺入量可按下式计算：
αW=W/W0×100%..........................(公式一)
G=W/V …………………… (公式二)
αW—水泥掺入比（%）;
W0—被加固土湿重量（kg）;
W—掺入的水泥重量
G—水泥掺入量
V—被加固土体积
水泥土强度与掺入比、龄期关系、水泥土的无侧限抗压强度试验资料见表；
3.4、单桩承载力
可按下两式计算，取其小值。
Pａ＝η×ｆcu×Ａp………………………………(公式1)
Pａ＝Ｕｐ×∑qｓｉ×li+Ａｐ×ｑｐα……………….(公式2)
ｆcu—与桩身水泥土配比相同的室内水泥土试块（边长为70.7ｍｍ的立方体，在标准养护条件下，90ｄ龄期的无侧限抗压强度平均值，ｋPａ；
η— 桩身强度折减系数，可取0.35～0.5；
Ｕｐ—桩的周长，ｍ；
qｓｉ—桩周土的平均摩擦力，对淤泥可取5～8ｋPａ，对淤泥质土可取8～12ｋＰａ，对粘性土可取12～15ｋＰａ；
li—桩周第ｉ层土的厚度，ｃｍ；
ｑｐ—桩端天然地基土的承载力特征值，ｋＰａ；可按《建筑地基基础设计规范》（GB50007）第八章第五节的有关规定确定。
α—桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4~0.6。
3.5、复合地基承载力
宜通过复合地基载荷试验确定，也可按下式计算
ｆｓｐ＝ｍ・ｐａ／Ａｐ＋β（１－ｍ）ｆｓ
ｆｓｐ—复合地基容许承载力，ｋＰａ；
ｍ—面积置换率；
ｆｓ—桩间土承载力特征值，ｋＰａ；
β—桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0，当桩端为硬土时，可取
0.1～0.4。
3.6、搅拌桩下卧层强度计算
当桩间距离较小时，由于应力重叠，产生“群桩”效应，因此在设计中，当搅拌桩的置换率较大（as＞0.2），且非单行排列，桩端以下仍然存在较软弱的土层时，尚应验算下卧层地基承载力
ｆ′=[ｆｓｐ×A+G×Ａｓ×ｑｓ-ｆｓk(A-A1)]/A1<[ｆ]
ｆ′—假想实体基础底面压力，ｋＰａ；
G—假想实体基础的自重 ；
Ａｓ—假想实体基础侧表面积，ｍ ；
ｑｓ—假想实体基础侧表面平均摩阻力，ｋＰａ；
ｆｓk—假想实体基础边缘软土承载力，ｋＰａ；
A—地基加固面积，ｍ2；
A1—假想实体基础底面积，ｍ2；
[ｆ]— 假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力，ｋＰａ。
当验算不能满足要求时,须重新设计单桩,直至满足要求为止。
4、水泥搅拌桩加固软土地基施工
4.1工艺流程（二喷六搅）
桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机垂直度→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→至桩底标高基准面以下0.2m→反循环提钻并喷水泥浆→至桩底标高基准面以上0.5m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→再次空搅下沉、提升→成桩结束→将钻机移至下一桩位。
4.2施工参数确定
室内配合比试验，主要包括：水泥品种、水泥掺量、水灰比確定，（如果设计需要添加外加剂）外加剂品种及掺量，拌和土各龄期前度试验,或者进行工艺性试桩以取得施工参数。
施工参数及要求：
(1)水泥搅拌桩桩径0.6m;桩长15m;
(2)水泥掺入比18％、20％、22％、24％；
(3)设计90d无侧限抗压强度：qu≥1.5MPa；
(4)现场质量检测14d取芯；
(5)复合地基承载力>200KPa。
4.3工程量计算
搅拌桩采用湿法施工，水灰比0.5。根据土体天然密度1.86g/cm3计算出桩体单位深度（每延米）中天然土的重量为：
G0=ρ0*V0=1.86*3.14*0.6*0.6/4*1000=525.6kg/m。
以水灰比取0.50、四个不同的水泥掺量进行配比计算：
ａ、水泥掺量为天然土用量的18％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc1= 525.6×0.18=94.6kg/m；
水重Gw1=94.6×0.50=47.3kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比94.6：525.6：47.3＝1.00：5.56：0.50。
ｂ、水泥掺量为天然土用量的20％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc2= 525.6×0.2=105kg/m；
水重Gw2=105×0.50=52.56kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比105：525.6：52.56＝1.00：5：0.50。
ｃ、水泥掺量为天然土用量的22％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc2= 525.6×0.22=115.6kg/m；
水重Gw2=115.6×0.50=57.8kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比115.6：525.6：57.8＝1.00：4.55：0.50。
ｄ、水泥掺量为天然土用量的24％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc3= 525.6×0.24=126.1kg/m；
水重Gw3=126.1×0.50=63.07kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比126.1：525.6：63.1＝1.00：4.17：0.50。
泥浆比重：（1+0.50）/（1/3.1+0.5）=1.824t/m3
总工程量：200.596t
项目
4.4成桩后检测
4.4.1桩头开挖检测，进行桩径，桩间距、排距检测。
本次开挖出48组，经量取8组桩头直径，偏差在允许范围内。
外观检查结果表
4.4.2取芯检测
桩身取样强度检测：
每种掺入量随机抽取了3根，进行外观和取芯构制成试件，进行桩身强度测定。14天18%无侧限抗压强度5.9Mpa；20%无侧限抗压强度3.8 Mpa；22%无侧限抗压强度4.6 Mpa；24%无侧限抗压强度4.7 Mpa；检测内容包括：桩身的完整性，水泥搅拌的均匀程度，芯样的无侧限抗压强度，检测结果表明：桩身、质量、强度均满足设计要求。
4.4.3荷载检测
随机选择了8处做复合地基荷载试验，龄期为28天，检测表明在荷载作用下，沉降稳定，承载力满足设计要求。检测结果见下表：
复合地基载荷试验结果表
结束语：
目前存在很多种软基处理方法，实践证明该处理方法对提高地基承载力有明显效果，從预压一个月的结果来看，沉降变形在2.7mm-3.4mm。桩径尺度标准，外形光滑，无蜂窝、麻面、断浆等现象，垂直度较好，桩位排列整齐，基本控制措施有效，取芯率在85%以上。但在小范围内还存在打设方向更换后桩位整体偏移，造成“群桩”偏位，在施工中予以及时矫正可消除。
［ 参 考 文 献］
【1】《建筑地处理技术规范》北京：中国建筑工业出版社（2002）。
【2】《工程地质手册》北京：中国建筑工业出版社（2007）。
【3】《建筑手册手册》北京：中国建筑工业出版社（2007）。
【4】《建筑地基处理规范》（JGJ79-2002）。
【5】《软土地基深层搅拌加固法技术规程》（YBJ255-91）。
【6】《地基处理与托换技术》第三版叶书麟、叶观宝等编著.
【7】《软土地基加固的理论、设计与施工》李彰明编著。
本文介绍了水泥搅拌桩施工机理、设备、工艺流程、参数计算、质量检验等环节，并根据实验总结这种有效的软基处理方式。
关键词：地基处理；深层搅拌桩；工艺流程； 参数计算
中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：
1、前言
水泥搅拌桩是在软土地基中制作水泥拌合体，形成固体桩，桩体本身除拥有较大的抗剪阻力外同时发挥吸水效果而促进桩间土粘聚力，通过这两种效果增加支撑力和防止滑动破坏、抑制侧向变位等提高地基稳定性的施工方法。另外，通过桩的应力分担效果，能够降低地基的压缩沉降量。
2、水泥搅拌桩加固软土地基机理
水泥搅拌桩是采用专门的深层搅拌钻机，将水泥（加固材料）输送到地基土中，并与地基土强制拌和形成“水泥土”，依靠水泥的硬化及其与土颗粒间产生的一系列物理化学反应而使地基得到加固方法。水泥土形成机理为：
2.1水泥的水解和水化作用
软土和水泥搅拌之后，水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙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、含水铁铝酸钙等化合物。含水酸钙能迅速溶于水中，使水泥表面重新暴露出来，再与水发生反应，从而使周围水溶液逐渐达到饱和，新生成物不再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮在溶液中。
2.2离子交换与团粒作用
软土中的粘土颗粒的粒径较小，当粘土与水结合就表现出一种胶体特征。粘土颗粒带负电，吸附阳离子，形成胶体分散体系。表面带有钾离子或钠离子，可与水泥水化反应的钙离子进行离子交换，产生凝聚，形成较大的团粒，提高土体强度。因土颗粒间距大，离子吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，从而使土体强度增高。此外，水泥水化生成的胶凝粒子的表面积比原水泥颗粒大千倍，因而产生较大的表面能，具有较大的吸附活性，使较大的土团粒进一步连接起来，形成水泥土的蜂窝结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固连接，使水泥土强度大大提高。
2.3硬凝反应
随着水泥土水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，其阳离子交换后还能过剩，则在碱性环境中，能使组成粘性土的矿物质的二氧化硅、三氧化硅的一部分与其反应，逐渐生成不溶于水的稳定结晶矿物。生成物在水中与空气中逐渐硬化，增大水泥土强度，且其结构致密，水分不易侵入。
2.4碳化作用
水泥水化物中游离的氢氧化钙能吸收水中的空气中的二氧化碳，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，也会使土固化，增加水泥土强度，但其增长速度慢，幅度小。
3、搅拌桩设计参数确定
3.1、置换率
置换率是将原地基设为1的桩的体积比例，是显示改良程度的常数。搅拌桩的设计主要是确定置换率，单桩承载力和复合地基承载力和选择水泥掺入比等，其设计可以按照如下公式计算。
⑴桩土面积置换率
as=(ｆｓp-β×ｆｓp)/ (Ｐａ/Ａｐ-β×ｆｓ)
as—桩间土面积置换率；
ｆｓp—工程设计要求达到的复合地基承载力特征值， kＰａ；
β—桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0，当桩端为硬土时，可取0.1～0.4；
Pａ—单桩竖向承载力特征值，kＮ；
Ａｐ—为桩的截面积，ｍ2
ｆｓ—桩间土的承载力特征值，kＰａ。
3.2、桩的总数计算
桩的布置形式可采用正三角形或等边三角形，其桩的总数可按下式计算，再根据总桩数，进行搅拌桩平面布置：
n=as×A/Ａp
n—搅拌桩总根数；
A—地基加固面积，即基础底面积；
3.3、水泥掺入比及掺入量计算
深层水泥搅拌桩掺入比可根据要求选用（10、12、14、15、18、20、22、24）%等，掺入比与水泥掺入量可按下式计算：
αW=W/W0×100%..........................(公式一)
G=W/V …………………… (公式二)
αW—水泥掺入比（%）;
W0—被加固土湿重量（kg）;
W—掺入的水泥重量
G—水泥掺入量
V—被加固土体积
水泥土强度与掺入比、龄期关系、水泥土的无侧限抗压强度试验资料见表；
3.4、单桩承载力
可按下两式计算，取其小值。
Pａ＝η×ｆcu×Ａp………………………………(公式1)
Pａ＝Ｕｐ×∑qｓｉ×li+Ａｐ×ｑｐα……………….(公式2)
ｆcu—与桩身水泥土配比相同的室内水泥土试块（边长为70.7ｍｍ的立方体，在标准养护条件下，90ｄ龄期的无侧限抗压强度平均值，ｋPａ；
η— 桩身强度折减系数，可取0.35～0.5；
Ｕｐ—桩的周长，ｍ；
qｓｉ—桩周土的平均摩擦力，对淤泥可取5～8ｋPａ，对淤泥质土可取8～12ｋＰａ，对粘性土可取12～15ｋＰａ；
li—桩周第ｉ层土的厚度，ｃｍ；
ｑｐ—桩端天然地基土的承载力特征值，ｋＰａ；可按《建筑地基基础设计规范》（GB50007）第八章第五节的有关规定确定。
α—桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4~0.6。
3.5、复合地基承载力
宜通过复合地基载荷试验确定，也可按下式计算
ｆｓｐ＝ｍ・ｐａ／Ａｐ＋β（１－ｍ）ｆｓ
ｆｓｐ—复合地基容许承载力，ｋＰａ；
ｍ—面积置换率；
ｆｓ—桩间土承载力特征值，ｋＰａ；
β—桩间土承载力折减系数，当桩端为软土时，可取0.5～1.0，当桩端为硬土时，可取
0.1～0.4。
3.6、搅拌桩下卧层强度计算
当桩间距离较小时，由于应力重叠，产生“群桩”效应，因此在设计中，当搅拌桩的置换率较大（as＞0.2），且非单行排列，桩端以下仍然存在较软弱的土层时，尚应验算下卧层地基承载力
ｆ′=[ｆｓｐ×A+G×Ａｓ×ｑｓ-ｆｓk(A-A1)]/A1<[ｆ]
ｆ′—假想实体基础底面压力，ｋＰａ；
G—假想实体基础的自重 ；
Ａｓ—假想实体基础侧表面积，ｍ ；
ｑｓ—假想实体基础侧表面平均摩阻力，ｋＰａ；
ｆｓk—假想实体基础边缘软土承载力，ｋＰａ；
A—地基加固面积，ｍ2；
A1—假想实体基础底面积，ｍ2；
[ｆ]— 假想实体基础底面经修正后的地基容许承载力，ｋＰａ。
当验算不能满足要求时,须重新设计单桩,直至满足要求为止。
4、水泥搅拌桩加固软土地基施工
4.1工艺流程（二喷六搅）
桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机垂直度→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→至桩底标高基准面以下0.2m→反循环提钻并喷水泥浆→至桩底标高基准面以上0.5m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→再次空搅下沉、提升→成桩结束→将钻机移至下一桩位。
4.2施工参数确定
室内配合比试验，主要包括：水泥品种、水泥掺量、水灰比確定，（如果设计需要添加外加剂）外加剂品种及掺量，拌和土各龄期前度试验,或者进行工艺性试桩以取得施工参数。
施工参数及要求：
(1)水泥搅拌桩桩径0.6m;桩长15m;
(2)水泥掺入比18％、20％、22％、24％；
(3)设计90d无侧限抗压强度：qu≥1.5MPa；
(4)现场质量检测14d取芯；
(5)复合地基承载力>200KPa。
4.3工程量计算
搅拌桩采用湿法施工，水灰比0.5。根据土体天然密度1.86g/cm3计算出桩体单位深度（每延米）中天然土的重量为：
G0=ρ0*V0=1.86*3.14*0.6*0.6/4*1000=525.6kg/m。
以水灰比取0.50、四个不同的水泥掺量进行配比计算：
ａ、水泥掺量为天然土用量的18％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc1= 525.6×0.18=94.6kg/m；
水重Gw1=94.6×0.50=47.3kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比94.6：525.6：47.3＝1.00：5.56：0.50。
ｂ、水泥掺量为天然土用量的20％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc2= 525.6×0.2=105kg/m；
水重Gw2=105×0.50=52.56kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比105：525.6：52.56＝1.00：5：0.50。
ｃ、水泥掺量为天然土用量的22％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc2= 525.6×0.22=115.6kg/m；
水重Gw2=115.6×0.50=57.8kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比115.6：525.6：57.8＝1.00：4.55：0.50。
ｄ、水泥掺量为天然土用量的24％
桩体单位深度（每延米）中:
水泥重Gc3= 525.6×0.24=126.1kg/m；
水重Gw3=126.1×0.50=63.07kg/m。
水泥、天然土体和水的重量比126.1：525.6：63.1＝1.00：4.17：0.50。
泥浆比重：（1+0.50）/（1/3.1+0.5）=1.824t/m3
总工程量：200.596t
项目
4.4成桩后检测
4.4.1桩头开挖检测，进行桩径，桩间距、排距检测。
本次开挖出48组，经量取8组桩头直径，偏差在允许范围内。
外观检查结果表
4.4.2取芯检测
桩身取样强度检测：
每种掺入量随机抽取了3根，进行外观和取芯构制成试件，进行桩身强度测定。14天18%无侧限抗压强度5.9Mpa；20%无侧限抗压强度3.8 Mpa；22%无侧限抗压强度4.6 Mpa；24%无侧限抗压强度4.7 Mpa；检测内容包括：桩身的完整性，水泥搅拌的均匀程度，芯样的无侧限抗压强度，检测结果表明：桩身、质量、强度均满足设计要求。
4.4.3荷载检测
随机选择了8处做复合地基荷载试验，龄期为28天，检测表明在荷载作用下，沉降稳定，承载力满足设计要求。检测结果见下表：
复合地基载荷试验结果表
结束语：
目前存在很多种软基处理方法，实践证明该处理方法对提高地基承载力有明显效果，從预压一个月的结果来看，沉降变形在2.7mm-3.4mm。桩径尺度标准，外形光滑，无蜂窝、麻面、断浆等现象，垂直度较好，桩位排列整齐，基本控制措施有效，取芯率在85%以上。但在小范围内还存在打设方向更换后桩位整体偏移，造成“群桩”偏位，在施工中予以及时矫正可消除。
［ 参 考 文 献］
【1】《建筑地处理技术规范》北京：中国建筑工业出版社（2002）。
【2】《工程地质手册》北京：中国建筑工业出版社（2007）。
【3】《建筑手册手册》北京：中国建筑工业出版社（2007）。
【4】《建筑地基处理规范》（JGJ79-2002）。
【5】《软土地基深层搅拌加固法技术规程》（YBJ255-91）。
【6】《地基处理与托换技术》第三版叶书麟、叶观宝等编著.
【7】《软土地基加固的理论、设计与施工》李彰明编著。