水泥土深層攪拌樁在軟基處理中的應(yīng)用

楊會橋

【摘?要】深層攪拌法是目前加固軟土地基的一種常用方法，水泥穩(wěn)定土深層攪拌樁是其中最為常見的一種。水泥土攪拌樁是一種化學加固地基法，在建筑行業(yè)中有廣泛應(yīng)用。本文首先針對深層攪拌法用于軟基處理的作用機理進行了分析，進而對水泥土深層攪拌樁加固地基的國內(nèi)代表性研究成果進行了綜述，分析了水泥土深層攪拌樁加固地基的強度形成機理，提出了影響水泥土深層攪拌樁的強度影響因素和強度提高措施，最后介紹了目前常用的水泥土深層攪拌樁質(zhì)量的檢測方法。論文對于特殊路基處治技術(shù)研究和工程實踐具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】地基加固;軟基處理;水泥土樁;深層攪拌法;質(zhì)量檢測

Application of deep mixing pile of cement soil in soft foundation treatment

Yang Hui-qiao

（Guizhou Provincial Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd?Guiyang?Guizhou?550008）

【Abstract】The deep mixing method is currently a common method for reinforcing soft soil foundation， and the cement stabilized soil deep mixing pile is the most common one. Cement-soil mixing pile is a chemically reinforced foundation method and is widely used in the construction industry. In this paper， the mechanism of deep mixing method for soft foundation treatment is analyzed firstly， and the domestic representative research results of cement-soil deep mixing pile reinforcement foundation are reviewed. The strength formation mechanism of cement-soil deep mixing pile reinforcement foundation is analyzed. The influencing factors and strength improvement measures for the strength of deep mixing piles in cement soil are proposed. Finally， the methods for detecting the quality of deep mixing piles in cement soil are introduced. The thesis has certain reference value for special roadbed treatment technology research and engineering practice.

【Key words】Foundation reinforcement;Soft foundation treatment;Cement soil pile;Deep mixing method;Quality inspection

1. 引言

（1）水泥土攪拌法在建筑行業(yè)中應(yīng)用廣泛，它是一種化學加固地基法，其作用機理是以水泥或水泥系材料為固化劑，通過特制的深層攪拌機械，在地基深處將原位土與固化劑強制攪拌，形成水泥土加固柱體，該柱體與地基土相比具有強度高、模量大、滲流系數(shù)小等優(yōu)點，故在實際工程中有著廣泛應(yīng)用。深層攪拌樁作為一種地基處治方法，可有效控制和減少工后沉降量，并能適應(yīng)快速加荷要求，從而縮短建設(shè)周期，非常適合高速公路建設(shè)。該法具有其它軟基處治方法不可替代的優(yōu)越性，必將在高速公路軟基處治中得到更為廣泛的應(yīng)用。

（2）由于水泥土樁的各項指標介于鋼筋混凝土樁和土體間，是一種柔性樁體，其效用是通過樁身有限的強度將樁所承受的荷載傳遞給四周及下端部支承土體，與混凝土樁的不同在于所組成復合地基的強度在更大程度上取決于樁本身的強度，亦即樁身強度將成為制約復合地基強度及減少沉降的瓶頸。因此，對于水泥穩(wěn)定土攪拌樁而言，提高其自身的強度對于地基加固后的承載力的提升具有決定性影響。

2. 深層攪拌法加固地基原理

（1）深層攪拌法是目前加固軟土地基的一種常用方法，迄今為止已有近60年的發(fā)展歷程，其施工工藝流程如圖1。二戰(zhàn)以后，美國率先研制成功并用于軟土處治工程，因固化劑選用水泥，該法被稱為水泥深層攪拌法，制成的水泥土樁則稱為就地攪拌樁（Mixed-in-place pile）。日本于1953年從美國引進水泥深層攪拌法，在上世紀60年代末，日本和瑞典開始研制噴石灰粉深層攪拌施工法并獲得成功，于70年代應(yīng)用于工程實踐（深層攪拌法施工過程示意圖見圖1）。

（2）深層攪拌法根據(jù)施工方法的不同，又可分為水泥漿攪拌和粉體噴射攪拌兩種，兩者強度生成機理相似，差異主要表現(xiàn)在粉體噴射攪拌法采用粉體作為固化劑，不再向地基中注入水分，因此適合含水量過高的地基處理，國外使用該法加固的土質(zhì)有新吹填的超軟土、泥炭土和淤泥質(zhì)土等飽和軟土，加固場所從陸地到海底軟土;國內(nèi)目前采用水泥土深層攪拌法（漿噴法）加固的土質(zhì)有淤泥、淤泥質(zhì)土、地基承載力不大于120KPa的粘性和粉質(zhì)土等地基，加固場所局限于陸地。粉噴攪拌法采用干噴法施工，通過輸灰泵控制輸灰量，施工質(zhì)量控制比較困難，而且無法添加任何外加劑對成樁質(zhì)量進行改良，因此，粉噴樁在建筑工程領(lǐng)域已被禁止使用，在公路軟基處治中的應(yīng)用范圍也越來越窄，與之相反，水泥深層攪拌樁（濕噴工藝）因其具有施工時無震動、無噪音、無泥漿廢水污染、無大量廢土外運、一般不會引起土體隆起或側(cè)移、施工速度快、成樁均勻等優(yōu)點，已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

（3）水泥土攪拌法可用于增加地基承載力、減少沉降量和提高邊坡穩(wěn)定性，作為建筑物或構(gòu)筑物的地基、廠房內(nèi)具有地面荷載的地坪、高填方路堤下基層等;進行大面積地基加固、以防止岸壁的滑動、深基坑開挖時坍塌坑底隆起和減少軟土中地下構(gòu)筑物底沉降;作為地下防滲墻以阻止地下滲透水流對樁側(cè)或板樁背后的軟土加固以增加側(cè)向承載力。對軟土路基工程來說，具有以下四個方面的作用：樁體作用、墊層作用、擠密作用及加筋作用。也正是因為上述四個方面的作用，才使得水泥土深層攪拌樁能夠處理濕軟地基，使地基承載力得到提高。

3. 水泥土深層攪拌樁研究現(xiàn)狀

（1）1977年，交通部水運規(guī)劃設(shè)計院和冶金部建筑研究總院共同引進開發(fā)水泥土深層攪拌法用于地基加固，至今我國許多科研、設(shè)計、施工單位仍在致力研究、使用和推廣該項技術(shù)，并取得了一系列可喜成果。

（2）該法適用于加固軟土地基，可根據(jù)工程需要將地基土加固成塊狀、圓柱狀、壁狀、格柵狀等任意形狀的水泥土。同時由于該法施工工期短，無公害，施工過程無振動、無噪音、無地面隆起、不排污、不排土、不污染環(huán)境和對相鄰建筑物不產(chǎn)生有害影響，具有較好的經(jīng)濟效益和社會環(huán)境效益。鑒于以上優(yōu)點，近些年來該法在我國分布有軟土地基的地區(qū)，如江蘇、浙江、上海、安徽、廣東、天津、湖南、臺灣等地的工業(yè)民用建筑、道路橋梁、鐵路工程、市政工程、港口碼頭工程的軟土地基處治中得到了廣泛應(yīng)用，并逐步形成了較為完整的理論計算和設(shè)計方法，積累了豐富的施工、質(zhì)量控制和質(zhì)量檢測經(jīng)驗。

（3）曾小強在水泥中摻加熟石灰（占水泥重量的10～20%），并通過摻水和不摻水制樣來分別模擬漿體噴射法和粉體噴射法的施工工藝，并通過室內(nèi)三軸試驗表明可在一定程度上提高水泥土強度。水泥摻入比為13.5%，齡期T=30d，在不同熟石灰摻入比、不同圍壓條件下水泥土強度增長的情況。胡同安等（1994）在水泥中摻入較大劑量（占水泥重量的20～60%）的磷石膏，通過多年大量的室內(nèi)對比試驗，表明摻加磷石膏對提高水泥土強度可以起到較好的效果。對云南泥炭土等5種軟土摻加磷石膏的水泥土強度測試結(jié)果。潘林有（1995）針對溫州軟粘土起初制定了PL1和PL2兩種復合添加劑配方，但無側(cè)限抗壓強度試驗的結(jié)果表明其效果并不理想。后來通過單摻粉煤灰以及摻加粉煤灰、PL1、石膏粉和水玻璃等材料方達到了一定的節(jié)材、增效的目的。童小東于1998針對深圳某工地，海相沉積的亞粘土，進行了摻加氫氧化鋁的水泥土試驗，結(jié)果表明在水泥土中摻加適量氫氧化鋁，可使水泥土的早期、中期和后期強度均得到提高，并可大幅度提高早期、中期強度，節(jié)省水泥，從而達到節(jié)材增效的目的，并且試驗過程表明水泥中氫氧化鋁的摻加，對水泥漿液的流動性不會產(chǎn)生不利影響。

（4）武漢工業(yè)大學硅酸鹽工程中心周明凱等（1996）研制出一種固化素，“在水泥中加入約10%的固化素，復合成了一種新型土壤固化劑——HS軟土固化劑”。分別用HS固化劑和水泥“固化”7種天然含水量的軟土，固化劑摻量為軟土重量的12%，試驗結(jié)果表明，HS固化土的強度比水泥固化土的強度提高0.3～0.5MPa，提高幅度波動在30～200%之間，HS固化土具有較強的膨脹收縮性，并且隨著土的含水量的變化，HS固化土的強度在大于液限的高含水量區(qū)存在一峰值。

（5）目前國內(nèi)有一些學者對摻入玻璃纖維對水泥土抗壓和抗拉強度的影響進行了研究，結(jié)果表明，玻璃纖維摻加水泥土的無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度均得到較大的增加，在考察范圍內(nèi)水泥土的強度隨著玻璃纖維長度和摻入量的增加而增大，且玻璃纖維摻量對水泥土抗拉強度的影響比抗壓強度更顯著，但當玻璃纖維摻入量超過一定限度時，水泥土的強度反而會降低。而水泥穩(wěn)定土外加劑的研究表明，外加劑的研究重點在于提高水泥土的早期強度和成樁均勻性，通過摻加合適的外加劑，可以提高水泥土深攪樁的早期強度，改善水泥土深攪樁的成樁均勻性。

4. 水泥土深層攪拌樁強度形成機理

（1）水泥土深層攪拌樁是利用水泥做固化劑，使用專門的深層攪拌機械，在地基深部將軟弱土和固化劑強制拌和，通過固化劑和土質(zhì)之間產(chǎn)生的系列物理-化學反應(yīng)，使軟弱土硬結(jié)成整體性、水穩(wěn)定性和足夠強度的加固土，通常稱為水泥土樁體，從而提高地基承載力。

（2）水泥漿液與原狀土體通過機械攪拌混合，并不是材料的簡單摻入，其后水泥——土之間將發(fā)生復雜的物理化學反應(yīng)，加固土的強度主要由水泥的水解和水化反應(yīng)。該法處理軟弱地基具有施工速度快、價格低廉、加固效果好，施工時無振動低噪音等特點，

（3）就軟土地基深層攪拌加固技術(shù)本身來說，由于機械在攪拌過程中對土體切削作用的不完整，事實上會有一些未被粉碎的大小土團存在。在拌入水泥后將出現(xiàn)水泥漿包裹土團的現(xiàn)象，而土團之間的大孔隙基本上已被水泥顆粒填滿。所以加固后的水泥土中形成一些水泥較多的微區(qū)，而在大小土團內(nèi)部則沒有水泥，也就不可能形成具有較高強度的水泥土。只有在經(jīng)過較長的時間后，土團內(nèi)的顆粒在水泥水解產(chǎn)物滲透作用下，部分土團才逐漸被改變，但這種作用畢竟有限，并不能從根本上提高其強度，因此在水泥土中會產(chǎn)生較大的和水穩(wěn)定性較好的水泥聚集區(qū)和強度較低的土塊區(qū)。兩者在空間相互交替，從而形成一種獨特的水泥土結(jié)構(gòu)，工程實踐表明，水泥和土之間的強制攪拌越充分，土塊被粉碎得越小，水泥分布到土中越均勻，則水泥土結(jié)構(gòu)強度的離散性越小，其宏觀強度也越高。

5. 水泥土深層攪拌樁強度提高措施

5.1?水泥土自身的強度及其他一些相關(guān)參數(shù)，在很大程度上對水泥土復合地基的工程特性起著至關(guān)重要的作用。如何提高水泥土的強度和耐久性，是當前水泥土攪拌樁推廣應(yīng)用的一個重要問題，針對這一問題，國內(nèi)部分專家學者進行研究并得出了一些有益的結(jié)論。具體包括以下方面的措施：

（1）調(diào)換水泥土原材料的質(zhì)和量，即可以通過提高水泥摻入比以提高水泥土的強度，這種方法，在水泥摻入比達到某一較大值時便不具有較好的經(jīng)濟效益。

（2）改變水泥土的生產(chǎn)工藝，可以通過施工機械的改善及增加復攪次數(shù)、降低提升或下降速度等施工參數(shù)，以增加水泥土的拌和均勻性，這對水泥土強度的提高也起著極其重要的作用。

（3）采用一些活性化學劑，以改善水泥土材料的理化性質(zhì)。

5.2?第三種強度增加方法，主要通過活性化學劑的摻入對水泥土的物理力學性質(zhì)起改善作用，即在水泥中加入外加劑，可起到調(diào)整水泥-水-粘土系統(tǒng)液相組成，并增加水泥石骨架的強度。

5.3?常用的外加劑對水泥土強度的增長所起作用主要表現(xiàn)在幾方面：部分外加劑能改變水泥水化物組成，有吸水膨脹的作用，能夠起到減少水泥土的孔隙率，改善水泥土的結(jié)構(gòu)連接的作用;有些活性礦物摻合料能改變二次水化產(chǎn)物的膠凝性，對水泥土整體強度的提高也起著重要的作用;還有一些外加劑的摻加可以減少摻水量，進而提高水泥土強度。對此，國內(nèi)外做過了不少的試驗研究，如氯化鈉、硫酸鈉、硫酸鈣、氫氧化鈉、三乙醇胺復合外加劑、高效減水劑和木質(zhì)素磺酸鈣等。美國還利用工農(nóng)業(yè)廢料如造紙廠廢液、糖廠糖蜜以及稻殼、谷物秸稈等。這些外加劑對水泥土強度或耐久性均有一定的效果，起早強作用者居多。

5.4?目前，室內(nèi)試驗研究中采用較多的外加劑有石膏、三乙醇胺等等，一些學者對石灰、氫氧化鋁等外加劑的作用機理進行了試驗研究，結(jié)果表明，它們對水泥土強度的提高亦可取得令人滿意得結(jié)果，并可獲得相應(yīng)的經(jīng)濟效益。另外還有部分學者研究表明摻加粉煤灰的水泥土，其強度一般都比不摻粉煤灰的有所增長。不同水泥摻入比的水泥，當摻入與水泥等量的粉煤灰后，其強度一般都比不摻粉煤灰的提高10%，故在加固軟土時摻入粉煤灰，不僅可消耗工業(yè)廢料，還可一定程度提高水泥土強度。

6. 水泥土深層攪拌樁質(zhì)量檢測方法

6.1?水泥土深攪樁的質(zhì)量檢驗主要包括樁身成型、強度和單樁復合地基承載力檢測，目前常用的檢測方法有挖樁檢查、輕便觸探、靜載試驗、低應(yīng)變動測、鉆孔取芯、貫入試驗、靜力觸探和地質(zhì)雷達，各方法的原理及優(yōu)缺點如下：（1）挖樁檢查，挖開目視樁成型情況，分別在樁頂以下50cm、150cm等部位取樣，進行無側(cè)限抗壓強度試驗，能對樁上部（2～3 m）進行準確的質(zhì)量和成樁形狀檢測;挖樁法工程量大，回填質(zhì)量難以保證，無法對樁身下部進行檢測，檢測結(jié)果無代表性。（2）輕便觸探，根據(jù)輕型貫入的擊數(shù)判別樁體強度，可測定5～7d內(nèi)齡期的樁體，有利于質(zhì)量動態(tài)控制探測深度一般不超過4m，無法檢測深層質(zhì)量，不能對整個樁身質(zhì)量進行評定。（3）靜載試驗，根據(jù)測定的P（荷載）、S（沉降）曲線，檢測樁強度及加固效果，能反應(yīng)攪拌樁處理軟基的效果，但是檢測復雜，周期長，費用較高，只宜做個別驗證。（4）低應(yīng)變動測，利用彈性波的傳播反射，間接推算樁身質(zhì)量好壞，檢測簡單、快速、成本低，低應(yīng)變動測法檢驗因素多，檢測結(jié)果離散性較大。（5）鉆孔取芯，利用地質(zhì)勘探鉆機進行全長取芯檢驗，能準確判定攪拌樁的連續(xù)性和成樁均勻性，芯樣可做無側(cè)限抗壓強度試驗，檢測費用高，檢測時間長，一般需28d以后。（6）標準貫入試驗，利用鉆機成孔后，根據(jù)貫入器入土30cm時的錘擊數(shù)驗證樁體強度，貫入擊數(shù)與無側(cè)限抗壓強度之間已有較成熟的公式，不受齡期限制，但需要鉆機配合成孔，費用高。（7）靜力觸探，利用靜壓力將探頭壓入樁體，根據(jù)探頭阻力大小，反應(yīng)樁體質(zhì)量，快捷、經(jīng)濟，能較好地反應(yīng)樁前期強度，便于對施工質(zhì)量進行動態(tài)控制，只適用于7d齡期以內(nèi)的攪拌樁的測試，需結(jié)合鉆孔取芯檢驗進行對比試驗，影響因素多，結(jié)果的準確程度難以確定。（8）地質(zhì)雷達，向地下發(fā)射高頻電磁波掃描，通過波在不同介質(zhì)面上反射的差異，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，顯示出樁體在地下的影像，快捷、經(jīng)濟，能較好地反應(yīng)樁前期強度，便于對施工質(zhì)量進行動態(tài)控制能快速、直觀地反映攪拌樁地下的“成像”情況，但是地質(zhì)雷達法費用較高，測試結(jié)果受含水量影響大，該技術(shù)有待成熟。

6.2?除上述方法外，還有人在研究利用超聲波無損檢測技術(shù)進行水泥土深層攪拌樁的強度測試，目前也有不少成果。

7. 結(jié)語

深層攪拌法目前已成為我國常用的地基加固方法，其中，水泥土深層攪拌樁是最為常用的，性價比相對較高。為了提高水泥土深層攪拌樁質(zhì)量，有眾多的學者開展了水泥土外加劑的研究，試圖通過室內(nèi)研究已達到形成固定品種固化劑或外加劑，完全取代或部分代替水泥以取得相應(yīng)的經(jīng)濟社會效益，從目前來看，該領(lǐng)域的研究有待改進和提升的空間還很大，例如如何有效提高深層攪拌樁的成樁質(zhì)量和早期強度，開發(fā)低成本高效用的外加劑以節(jié)省工程造價等都是十分具有研究價值的課題。