水泥土搅拌桩在水处理工程软土地基处理和基坑中的应用

水泥土搅拌桩在水处理工程软土地基处理和基坑中的应用

一．概述

水泥土搅拌桩也称深层搅拌桩，是美国在上世纪四十年代末首先研制成功。我国于七十年代末开始进行深层搅拌桩的引进试验和机械研制工作，并于1980年初首先在上海宝钢软土地基加固工程中正式采用并获得成功。

关键词：水泥土搅拌桩 软土地基基坑水处理工程

水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂的主剂，是软土地基处理的一种有效形式，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高基础强度。

水泥浆与软土搅拌形成的柱状固结体，称为深层搅拌桩；水泥粉体与软土搅拌形成的柱状固结体，称为粉喷桩。二者合称为水泥土搅拌桩，简称为搅拌桩。

水泥土搅拌桩适用于处理淤泥、淤泥质土、泥炭土和粉土土质。但不适用于有振动冲击荷载及地下水对水泥有腐蚀性的地基处理。

在水处理工程中，经常遇到软土地基。水处理工程水池等构筑物基底荷载大，地基必须进行加固处理，否则很容易造成不均匀沉降，拉裂池体造成安全事故。有些池体建于地面以下，如果场地狭窄，不可能放坡开挖，必须对基坑进行加固处理。水泥土搅拌桩是常用的方法之一。

二．水泥土搅拌桩应用于软土地基加固机理：

1．水泥的水解、水化。水泥遇水后发生水解与水化，生成氢氧化钙，含水铝酸钙，含水硅酸钙等化合物。其中氢氧化钙和含水铝酸钙溶解于水，随着水解与水化的反应，水与水泥继续反应形成凝胶体。2．离子交换。粘土颗粒在天然状态下表面带有负电荷，反离子层为阳离子，呈胶体微粒状。反离子层中的Na+，K+能同Ca(OH)2溶液中的Ca2+进行离子交换，土颗粒集合成大的团粒。凝胶颗粒的表面积约为原来的1000倍，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，使松散的土体内部形成了网络状胶结结构，表现为水泥土的强度大大提高。

3．硬凝反应。水泥水化以后，当Ca2+数量超过离子交换的需要量，则在碱性环境中，Ca2+可与土中游离的二氧化硅和三氧化二铝进行化学反应生成不溶于水的稳定结晶化合物。该结晶化合物在空气中和水中逐渐硬化，提高了土体强度。由于其结构比较致密，水不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。

4．碳酸化作用。水泥水化后产生的游离氢氧化钙，能和空气和水中的二氧化碳通过碳化反应生成不溶于水的碳酸钙，能小幅度增加水泥土的强度，只是增长速度较为缓慢。

5.水泥土搅拌桩按材料喷射状态可分为湿法和干法两种。湿法以水泥浆为主，搅拌均匀，易于复搅，水泥土硬化时间较长；干法以水泥干粉为主，水泥土硬化时间较短，能提高桩间的强度。但搅拌均匀性欠佳，很难全程复搅。

三．水泥土搅拌桩施工工艺流程

1．施工准备

场地平整→材料准备→搅拌桩施工机械准备

2．施工工艺流程

桩位放样→钻机就位→检验、调整钻机→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆→至工作基准面以下0.3m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束→施工下一根桩。

3．施工控制

3.1水泥土搅拌桩开钻之前，应用水清洗整个管道并检验管道中有无堵塞现象，待水排尽后方可下钻。

3.2水泥土搅拌桩桩体垂直度应满足规范要求。

3.3对每根成型的搅拌桩质量检查重点是水泥用量、水泥浆拌制的罐数、压浆过程中是否有断浆现象、喷浆搅拌提升时间以及复搅次数。

3.4桩体每米掺合量以及水泥浆用量应达到设计要求。现场应配备水泥浆比重测定仪。

3.5水泥搅拌配合比：水灰比0.45～0.55、水泥掺量12%、每米掺灰量50kg、高效减水剂0.5%。

3.6水泥土搅拌桩施工采用二喷四搅工艺。第一次下钻时为避免堵管可带浆下钻，喷浆量应小于总量的1/2，严禁带水下钻。每根桩的正常成桩时间应不少于40分钟，喷浆压力不小于0.4MPa。

3.7 施工时应严格控制喷浆时间和停浆时间。开钻后应连续作业，不得中断喷浆。

3.8整桩复搅、复喷的喷浆量不小于设计用量。如遇停电、机械故障原因，

喷浆中断时应及时记录中断深度。在12小时内采取补喷处理措施。

3.9 现场施工人员认真填写施工原始记录，记录内容应包括：

施工桩号、施工日期、天气情况；喷浆深度、停浆标高；灰浆泵压力、管道压力；钻机转速；钻进速度、提升速度；浆液流量；每米喷浆量和外掺剂用量；复搅深度。

4 质量检查

4.1 轻便触探法：成桩7天可采用轻便触探法检验桩体质量。

4.2 钻芯取样法：水泥生产工艺流程成桩28天后，用钻芯取样的方法检查桩体完整性，搅拌均匀程度，桩体强度、桩体垂直度。

四．水泥土搅拌桩在处理软土地基中的应用

水泥土搅拌桩硬化后与桩间土体共同作用，称为复合地基。

水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值的确定

通过现场复合地基载荷试验确定

可按以下计算式确定 (JGJ79-2002建筑地基处理技术规范)

fspk=m*Ra/Ap+β*（1-m）*fsk （9.2.5）

fspk：复合地基承载力特征值

m ：面积置换率

Ra：单桩竖向承载力特征值

Ap：桩的截面积

Β：桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经时可取0.75~0.95，天然地基承载力较同时取大值

fsk：桩间天然土地基承载力特征值

Ra：单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力特征值Ra应符合以下规定：

通过现场单桩载荷试验确定, 单桩竖向极限承载力除以2。

当无单桩载荷试验时，可按下式估算

fcu：桩身水泥土强度值，一般取0.3~2MPa

η：桩身强度折减系数，干法取0.2-0.3；湿法取0.25-0.33

up：桩周长(m)

qsi：桩周第i层土的侧阴力特征值

li ：桩长范围内第i层土的厚度

qp：桩端土未经修正的承载力特征值

α：桩端天然地基承载力折减系数，可取0.4-0.6，承载力高时取大值

Ra值取公式11.2.4.1和11.2.4.2两者小值。

2．竖向承载搅拌桩复合地基应在基础与桩之间设置褥垫层，厚度200-400mm。材料可用中粗砂、级配碎石等。

工程实例：

复合地基

2009年，湖北省人民医院污水处理工程，水池地基为杂填土，层厚20m。地基承载力特征值仅为fa=65KPa。基底坑深7m。水池底面积449.75m2，水池满载基底压力标准值94KPa。地基不能满足工程使用要求，选用水泥土搅拌复合地基，提高地基承载力。复合地基计算如下：

基本参数：水池基底深-6.60m；底板面积：449.75m2； 池体自重及满荷载42276KN，基底压力P=94KPa；

水泥土搅拌桩参数：桩径D=500；桩长l=12m；正方形布局，间距1m；

（3）复合地基承载力及支护计算

a.单桩竖向承载力特征值计算

由《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002 J220－2002）式11.2.4-1

Ra1=1.57*12*10+0.5*65*0.196=194.88 kN

由《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002 J220－2002）式11.2.4-2

Ra2= 117.81 kN

Ra=Min(Ra1,Ra2)= 117.81 kN

b.面积置换率计算

由《建筑地基处理技术规范》式7.2.8-2

m =（0.5/1.13）2= 19.58%

c.复合地基承载力计算

由《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002 J220－2002）式9.2.5

fspk = 138.38kPa，不考虑回填土承载力的深度修正

fa = 138.38kPa

荷载效应标准组合时轴心荷载作用下

Pk =42276.00/449.75 = 94Pa1.5安全！

4．施工效果

    该水泥土搅拌桩围护为土、桩结合体共同受力体系，在基坑使用过程中，无任何明显的弯折破坏；桩体完好无缺陷；无位移。坑内渗水量满足现场施工要求，大大节约抽降水台班及坑内支护，既达到满足基坑围护功能又降低围护造价的目的。

五．总结

    近年来，随着施工技术和施工条件的发展，深层搅拌水泥土桩的应用范围越来越广泛，除了作为一种复合地基使用之外，更多是作为一种经济型的基坑围护结构得到推广。

    将基坑围护结构和基坑施工及周围环境的保护作为一个统一的整体进行设计和施工，并在实施过程中进行严密控制协调，既能确保

基坑和周围环境的安全，又使工程造价降低、缩短工期。

参考文献：

《建筑地基处理技术规范》 （JKJ79-2000）

《建筑地基基础设计规范》 （GB5007-2002）

《建筑桩基技术规范 》（JGJ 94-2008 ）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。