水泥土攪拌樁的加固機(jī)理及在軟土地基中的應(yīng)用

夏 云 （馬鞍山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，安徽 馬鞍山 243000）

1 水泥土攪拌樁概述

水泥土攪拌樁是最近20年發(fā)展起來的，在軟弱地基處理和基坑支護(hù)中應(yīng)用較為廣泛的一種方法。水泥土攪拌樁是利用水泥或石灰等材料作為固化劑，通過特制的深層攪拌機(jī)械，在地基深處就地將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥加固土，從而提高地基土強(qiáng)度和增大變形模量,用水泥土攪拌樁處理后的復(fù)合地基承載力較高。

水泥土攪拌樁是一種有效的地基處理方法,它具有成樁效率高、成本低、施工占地面積小,施工場地周圍不受污染,并且施工過程無振動、無噪聲等特點,尤其適用于20m深度范圍內(nèi)無理想持力層的軟土地基。水泥土攪拌樁現(xiàn)已發(fā)展成一種常用的軟弱地基處理方法,主要適用于加固飽和軟粘土地基。

2 水泥土攪拌樁的加固機(jī)理

2.1 水泥的水解與水化

水泥遇水后發(fā)生水解和水化，生產(chǎn)氫氧化鈣、含水鋁酸鹽等化合物。其中，氫氧化鈣和含水鋁酸鈣溶解于水，隨著水解和水化的發(fā)生，溶液達(dá)到飽和之后，水與水泥繼續(xù)反應(yīng)生成凝膠體。水化產(chǎn)物自身如果繼續(xù)硬化，就會形成水泥骨架。

2.2 離子交換

粘土顆粒在天然狀態(tài)下表面帶有負(fù)電荷，反離子層為陽離子，呈膠體微粒狀。反離子層中的Na+、K+能與Ca（OH）2溶液中的Ca2+進(jìn)行離子交換，使土粒水化膜變薄，土顆粒集合成大的團(tuán)粒。此外，水泥水化后呈分散狀的凝膠顆粒，其比表面積約為原來的1000倍，因而產(chǎn)生很大的表面能，有強(qiáng)烈的吸附活性，能使較大的土顆粒進(jìn)一步結(jié)合起來，形成水泥土的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，并封閉各土顆粒之間的空隙。微觀上，在較為松散的土體內(nèi)部形成了網(wǎng)絡(luò)狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，具有牢固的聯(lián)結(jié)；宏觀上，水泥土的強(qiáng)度大大提高。

2.3 硬凝作用

水泥水化以后，溶液中析出的大量Ca2+，與Na+、K+進(jìn)行離子交換。當(dāng)Ca2+數(shù)量超過離子交換的需要量之后，在堿性環(huán)境中，Ca2+可與土中游離的二氧化硅和三氧化二鋁進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的穩(wěn)定結(jié)晶化合物。該結(jié)晶化合物在空氣和水中逐漸硬化，增大了土體強(qiáng)度。而且由于其結(jié)構(gòu)比較致密，水分不易侵入，從而使水泥土具有足夠的水穩(wěn)定性。

2.4 碳酸化作用

水泥水化后產(chǎn)生的游離氫氧化鈣，能與空氣和水中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的碳酸鈣。也可以小幅度增加水泥土的強(qiáng)度，只是增長速度較為緩慢。

從水泥土攪拌樁的加固機(jī)理分析，水泥加固軟土的強(qiáng)度主要來自于水泥水解水化物的膠結(jié)作用，在土體內(nèi)部形成了網(wǎng)絡(luò)狀膠結(jié)物。另外，從施工工藝來看，水泥攪拌樁中不可避免會存在原狀土塊和水泥團(tuán)塊，其粒徑大小與強(qiáng)制攪拌的程度密切相關(guān)。強(qiáng)制攪拌越充分，土塊被粉碎得越小，水泥分布到土中越均勻，則水泥土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度離散性就越小，水泥土攪拌樁的總體強(qiáng)度就越高。

3 工程實例分析

3.1 工程地質(zhì)條件

某寫字樓占地面積2200m2,上部結(jié)構(gòu)基底荷載為190 kPa。根據(jù)巖土工程勘察報告,場地14m深度范圍的地層為人工填土和第四系全新統(tǒng)沖積沉積,其地質(zhì)情況由上至下作如下分布。

①層人工填土(或耕植土)：粉土質(zhì),黃褐色或雜色,稍密,填土厚度0m～4m不等。

②層粉土夾粉質(zhì)粘土：黃褐色,稍濕～濕,中密～密實,層厚2m～3m,承載力特征值fsk為110～130kPa,樁周側(cè)阻力特征值qsi為20～30 kPa。

③層粉質(zhì)粘土:灰褐色,軟塑～可塑,中～高壓縮性,標(biāo)貫擊數(shù)2～5擊,厚度1.8m～3.5m,fsk為100～120 kPa,qsi為17～24 kPa。

④層粉土:黃褐色,稍濕～濕,密實,層厚2m～3m,fsk為160～180 kPa,qsi為30～40kPa。

⑤層中砂(局部為細(xì)砂):灰白～灰黃色,稍濕～濕,中密～密實,長石石英質(zhì),級配良好,層厚2m～4m，fsk為200～250kPa,樁端承載力特征值qp為600～800kPa。

3.2 水泥土攪拌樁的設(shè)計與施工

根據(jù)場地工程地質(zhì)條件，建筑地基采用水泥土樁復(fù)合地基，其目的是:提高②層粉土持力層的承載能力；處理部分填土地基；消除③層粉質(zhì)粘土軟弱層的影響,水泥土樁端持力層為⑤層中砂。水泥土樁復(fù)合地基承載力計算公式為:

從公式可以看出，樁間土承載力特征值fsk、單樁豎向承載力特征值Ra、樁體截面積Ap確定后,影響復(fù)合地基承載力的設(shè)計因素為面積置換率m 和樁間土承載力折減系數(shù)β。

按室內(nèi)水泥土配比試驗,固化劑為42.5級水泥,摻入比(水泥重量/被加固軟土重量)為18%,水灰比為0.5,外摻劑為膨脹劑,室內(nèi)配比試驗結(jié)果fcu=1.8 MPa。單樁豎向承載力特征值取樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力與樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力的較小值,計算得出單樁豎向承載力特征值為125kN。基礎(chǔ)埋深1.5m,以加固后的②層粉土夾粉質(zhì)粘土做持力層,樁長8.0m,樁徑500mm,樁按間距950mm等邊三角形布置,共設(shè)樁1792根,面積置換率25%。樁間土承載力折減系數(shù)β=0.4,計算結(jié)果復(fù)合地基承載力設(shè)計值fspk=195kPa,取復(fù)合地基承載力設(shè)計特征值為190kPa。

褥墊層在復(fù)合地基中有著很重要的作用,可以有效地調(diào)整復(fù)合地基的樁土荷載分配,充分發(fā)揮土體的承載能力，特別是發(fā)揮淺層土體的承載作用。由于墊層的流動性,樁在荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力集中使墊層發(fā)生側(cè)向流動而產(chǎn)生向上刺入,結(jié)果讓樁土間的應(yīng)力重新分配,從而提高地基的承載性能,調(diào)節(jié)變形。在基礎(chǔ)與復(fù)合地基之間設(shè)置20mm厚的砂卵石褥墊層。

水泥土攪拌樁的施工工藝流程如下：

①用懸吊深層攪拌機(jī)，將攪拌頭對中；

②預(yù)裝下沉，啟動電機(jī)，攪拌軸帶動攪拌頭旋轉(zhuǎn)松動土體，同時下沉；

③制備水泥漿壓入土體，當(dāng)攪拌頭沉到設(shè)計深度時，略微提升攪拌頭，將制備好的水泥漿通過中心管，壓開球形閥注入土體中；

④提升、噴漿、攪拌，邊噴漿、邊提升、邊攪拌，直至設(shè)計加固頂面時停止噴漿；

⑤重復(fù)攪拌，將攪拌機(jī)重復(fù)下沉、提升一次，使水泥漿與地基土充分?jǐn)嚢杈鶆颍?/p>

⑥清洗管道中殘存水泥漿，移至新孔。

3.3 加固效果的監(jiān)測

現(xiàn)場對復(fù)合地基進(jìn)行靜載荷試驗，以判斷復(fù)合地基承載力和沉降是否滿足設(shè)計要求。荷載試驗在28d齡期后進(jìn)行，檢測方法采用平板載荷試驗慢速維持荷載法,并隨機(jī)抽取數(shù)量為總樁數(shù)的1%的樁進(jìn)行試驗。

單樁靜載試驗加載裝置采用千斤頂反力錨梁裝置，抽檢載荷試驗點7個,單樁試驗加荷等級為8級,總加載量為設(shè)計要求的2倍（即250kN）。復(fù)合地基載荷試驗載荷板面積為攪拌樁承擔(dān)的處理面積,加荷分為8級,總加載量不低于設(shè)計要求的2倍（即390kPa）,抽檢載荷試驗點10個,采用900 mm×900mm方形承壓板。加荷穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)、終止試驗條件及承載力特征值確定方法按相關(guān)檢測規(guī)程進(jìn)行,復(fù)合地基試驗檢測結(jié)果如表所示。

試點號驗設(shè)力值（計特k承征Pa）載承值量（載對m力應(yīng)m）特沉征降s對載/b應(yīng)力=（0的.0k 0承P 6 a）（極值k限的Pa）荷一載半（實沉m測降m）累量計41 190 2.95 196 195 12.7 90 190 3.61 204 195 14.2 252 190 4.54 205 195 16.5 611 190 4.40 217 195 15.1

試驗結(jié)果表明單樁承載力、復(fù)合地基承載力均滿足承載力設(shè)計要求，同時也驗證了本工程地基處理方案、施工工藝方案的可行性。加荷載至承載力設(shè)計值的2倍后,沉降量仍普遍偏小，沉降也滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

水泥土攪拌樁是利用水泥和軟土之間發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有一定整體性和一定強(qiáng)度的復(fù)合地基，從而提高了地基承載力，減少了軟土地基的沉降。

本文通過工程實例分析表明，在對水泥土攪拌樁設(shè)計合理的條件下，單樁承載力、復(fù)合地基承載力均能滿足承載力設(shè)計要求，沉降量也在設(shè)計允許范圍內(nèi)，實現(xiàn)了對軟土地基加固的成功。