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【摘要】本文详尽阐述了水泥搅拌桩的加固原理，桩身强度及其与桩周土的复合地基效应，以及水泥搅拌桩相关参数的验算等，揭示深层水泥搅拌桩在软土地基加固处理方面的显著作用，科学地解决了在滩涂等软土地基上建造桥涵等构造物的工程难题。
【关键词】水泥搅拌桩 加固 深层搅拌 软土地基 强度
中图分类号：U415文献标识码： A
1、前言
我国沿海地区以及江河湖泊沿岸的公路工程中，常会遇到淤泥及淤泥质土等软弱地基。该类软基一般是在静水或缓慢流水环境下沉积，经生物化学作用形成，具有富含有机物质、天然含水量高、空隙比大、渗透系数小、地基变形和不均匀变形大、抗剪强度低以及沉降缓慢等特点。在这种软基上建造桥涵等结构物，处理不好，就会出现地基的局部破坏乃至整体滑动等失稳现象。针对这一情况，采用深层水泥搅拌桩进行加固处理，能够较好地解决这一工程问题。如浙江省乐清市承建的乐清经济开发区箱涵工程淤泥软基就是采用深层水泥搅拌桩进行加固处理的，取得了良好的工程效果。
2、工程及设计概况
乐清经济开发区箱涵工程位于乐清海湾岸边的工业园区内，工程所属地貌单元为冲、海积平原。场地覆盖厚度均为70米，主要由淤泥和淤泥质土组成，属于不利地段。箱涵为4孔现浇钢筋砼结构，结构尺寸为22.5×20.0m，涵孔尺寸为5.0×3.9m，建造在承载力很差的滩涂深层淤泥层上。
基础采用水泥搅拌桩进行加固处理。设计概况为：水泥搅拌桩设计桩长l=15m，桩径d=50cm，桩间距L=1.1m，正方形布桩。水泥掺入量aw=15%。为了避免污染环境没有掺入外加剂。水泥搅拌桩单桩90天龄期无侧限抗压强度fcu,k=1.44Mpa，单桩承载力Rk≥140kn，复合地基承载力fck≥170Kpa，天然地基容许承载力[ƒ]=500Kpa。工后沉降量S≤10cm。水泥搅拌桩共371根，地基面积为A1=20×22.5=450m2。
3、水泥搅拌桩加固软土地基的机理
我国有关水泥搅拌桩的研究始于1977年，工法成熟于九十年代。深层水泥搅拌桩就是利用水泥浆作固化剂，通过深层搅拌机将软土和水泥浆在原位进行强制拌合，经过一系列反应和作用，使之凝结成具有整体性强、稳定性好和承载力较高的水泥加固体。其与桩间天然地基形成复合地基，有效提高了软土地基承载力。其加固机理主要是利用水泥本身的水化反应、土颗粒与水泥水化物的作用、碳酸化作用来改善加固土体的结构性能，从而达到提高软基承载力的目的。
3.1水泥的水化反應
普通硅酸盐水泥主要由氧化硅、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成。水泥拌入软土中后，很快与软土中的水发生水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。反应过程为：
（1）硅酸三钙（3Cao·SiO2）,决定水泥强度的主要因素。硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。
3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2
（2）硅酸二钙（2CaO·SiO2），是产生后期强度的主要因素。β-C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已。所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别，也称为C-S-H凝胶。只是CH生成量比C3S的少许多，不过结晶却粗大些。
2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2
（3）铝酸三钙（3CaO·Al2O3），水化迅速，产热快，能促进早凝。其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大，先生成介稳状态的水化铝酸钙，最终转化为水石榴石（C3AH6）。在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与起石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。
3Cao·Al2O3+6H2O→3 Cao·Al2O3·6H2O
（4）铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2o3），促进早期强度。
4CaO·Al2O3·Fe2o3+2Ca(OH)2+10H2O→
3 Cao·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O
（5）硫酸钙（CaSO4），与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为水泥杆菌的化合物。水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间内析出，这种反应迅速，把大量的自由水以结晶的形式固定下来。这对含水量最高的软土地基强度的增长具有重要的意义。
3CaSO4+3 Cao·Al2O3+32H2O→3 Cao·Al2O3·3 CaSO4·32H2O
3.2土颗粒与水泥水化物的作用
（1）凝硬作用
水泥水化反应析出大量的钙离子，这些钙离子与粘土中的矿物质（如二氧化硅、三氧化二铝）进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物。
SiO2+Ca（OH）2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O
(Al2O3)+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O
这些新形成的物质在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。拌入水泥7天后，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥结晶体，一个月后，水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充满到土颗粒的孔隙中形成网状构造，增加了水泥土的强度。
（2）离子交换作用
软土中含有多种矿物质，并有游离钠离子Na+和钾离子K+，它们能和水泥水化生成的钙离子Ca++进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，使土体强度提高。
3.3 碳酸化作用
水泥水化物中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成不溶于水的碳酸钙，也提高了软土的强度。
2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO3·3H2O+ Ca(OH)2
4、水泥搅拌桩的强度决定因素
水泥搅拌桩的强度与加固土的物理化学性质、材料、水泥用量、养护龄期长短、施工、成桩的垂直度以及成桩的加固形式等诸多因素有密切关系。其中，水泥剂量、养护龄期、施工等三个因素尤为重要。
4.1水泥剂量和养护龄期
水泥土强度随水泥掺入量和龄期的增加而增强。同一龄期，水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增强；同一水泥掺入比，水泥土的强度随水泥龄期的增加而增强。
4.2 施工
施工中的许多因素如搅拌桩的施工工艺、水灰比、浆液配制与输送等也直接影响着水泥搅拌桩的强度。
施工工艺。施工工艺中的复搅次数和转速直接影响到水泥土的搅拌均匀程度，进而影响成桩的质量。大量的施工实践已充分证明复搅与不复搅得强度相差很大。复搅的作用在于通过充分的搅拌使水泥浆与土完全接触和作用，促使桩体充分形成。若不充分进行搅拌，水泥在桩中往往呈层状，形成一种“夹生”，对桩的强度不利。水泥搅拌钻机下钻时转速的快慢，将会严重影响搅拌的均匀性和足够水泥的渗入。显然，也制约着桩的强度大小。
水灰比。水灰比受水泥剂量的制约，水灰比大时水泥渗入量相对较大，成桩强度就会高些；反之，则低些。但是水泥剂量高低又决定了工程的成本。就本工程而言，深层搅拌的浆液以425#普通硅酸盐水泥为主配制，水泥用量为水泥湿土重的15%，水灰比为0.45~0.50。
浆液的配制与运输。搅拌灰浆时，顺序投料为先加水，后加水泥，每次灰浆搅拌时间不得少于2min，将水泥浆充分拌匀。水泥浆从灰浆拌和机倒入集料斗时，必须经过滤筛，把水泥硬块剔出。集料斗的容量一般为0.2m3,就可以保证一定的余量，不会因浆液供应不足而断桩，也不会因浆液过多产生沉淀而引起浆液浓度不足。水泥浆由挤压式灰浆泵压入胶管送到深层搅拌机的钻杆内，最后射入搅拌叶的出浆口。浆液的浓度、质量以及拌匀程度直接影响桩的质量。
【关键词】水泥搅拌桩 加固 深层搅拌 软土地基 强度
中图分类号：U415文献标识码： A
1、前言
我国沿海地区以及江河湖泊沿岸的公路工程中，常会遇到淤泥及淤泥质土等软弱地基。该类软基一般是在静水或缓慢流水环境下沉积，经生物化学作用形成，具有富含有机物质、天然含水量高、空隙比大、渗透系数小、地基变形和不均匀变形大、抗剪强度低以及沉降缓慢等特点。在这种软基上建造桥涵等结构物，处理不好，就会出现地基的局部破坏乃至整体滑动等失稳现象。针对这一情况，采用深层水泥搅拌桩进行加固处理，能够较好地解决这一工程问题。如浙江省乐清市承建的乐清经济开发区箱涵工程淤泥软基就是采用深层水泥搅拌桩进行加固处理的，取得了良好的工程效果。
2、工程及设计概况
乐清经济开发区箱涵工程位于乐清海湾岸边的工业园区内，工程所属地貌单元为冲、海积平原。场地覆盖厚度均为70米，主要由淤泥和淤泥质土组成，属于不利地段。箱涵为4孔现浇钢筋砼结构，结构尺寸为22.5×20.0m，涵孔尺寸为5.0×3.9m，建造在承载力很差的滩涂深层淤泥层上。
基础采用水泥搅拌桩进行加固处理。设计概况为：水泥搅拌桩设计桩长l=15m，桩径d=50cm，桩间距L=1.1m，正方形布桩。水泥掺入量aw=15%。为了避免污染环境没有掺入外加剂。水泥搅拌桩单桩90天龄期无侧限抗压强度fcu,k=1.44Mpa，单桩承载力Rk≥140kn，复合地基承载力fck≥170Kpa，天然地基容许承载力[ƒ]=500Kpa。工后沉降量S≤10cm。水泥搅拌桩共371根，地基面积为A1=20×22.5=450m2。
3、水泥搅拌桩加固软土地基的机理
我国有关水泥搅拌桩的研究始于1977年，工法成熟于九十年代。深层水泥搅拌桩就是利用水泥浆作固化剂，通过深层搅拌机将软土和水泥浆在原位进行强制拌合，经过一系列反应和作用，使之凝结成具有整体性强、稳定性好和承载力较高的水泥加固体。其与桩间天然地基形成复合地基，有效提高了软土地基承载力。其加固机理主要是利用水泥本身的水化反应、土颗粒与水泥水化物的作用、碳酸化作用来改善加固土体的结构性能，从而达到提高软基承载力的目的。
3.1水泥的水化反應
普通硅酸盐水泥主要由氧化硅、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等组成。水泥拌入软土中后，很快与软土中的水发生水化反应，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁酸钙等化合物。反应过程为：
（1）硅酸三钙（3Cao·SiO2）,决定水泥强度的主要因素。硅酸三钙在常温下的水化反应生成水化硅酸钙(C-S-H凝胶)和氢氧化钙。
3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2
（2）硅酸二钙（2CaO·SiO2），是产生后期强度的主要因素。β-C2S的水化与C3S相似，只不过水化速度慢而已。所形成的水化硅酸钙在C/S和形貌方面与C3S水化生成的都无大区别，也称为C-S-H凝胶。只是CH生成量比C3S的少许多，不过结晶却粗大些。
2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2
（3）铝酸三钙（3CaO·Al2O3），水化迅速，产热快，能促进早凝。其水化产物组成和结构受液相CaO浓度和温度的影响很大，先生成介稳状态的水化铝酸钙，最终转化为水石榴石（C3AH6）。在有石膏的情况下，C3A水化的最终产物与起石膏掺入量有关。最初形成的三硫型水化硫铝酸钙，简称钙矾石，常用AFt表示。若石膏在C3A完全水化前耗尽，则钙矾石与C3A作用转化为单硫型水化硫铝酸钙(AFm)。
3Cao·Al2O3+6H2O→3 Cao·Al2O3·6H2O
（4）铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2o3），促进早期强度。
4CaO·Al2O3·Fe2o3+2Ca(OH)2+10H2O→
3 Cao·Al2O3·6H2O+3CaO·Fe2O3·6H2O
（5）硫酸钙（CaSO4），与铝酸三钙一起与水发生反应，生成一种被称为水泥杆菌的化合物。水泥杆菌最初以针状结晶的形式在比较短的时间内析出，这种反应迅速，把大量的自由水以结晶的形式固定下来。这对含水量最高的软土地基强度的增长具有重要的意义。
3CaSO4+3 Cao·Al2O3+32H2O→3 Cao·Al2O3·3 CaSO4·32H2O
3.2土颗粒与水泥水化物的作用
（1）凝硬作用
水泥水化反应析出大量的钙离子，这些钙离子与粘土中的矿物质（如二氧化硅、三氧化二铝）进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物。
SiO2+Ca（OH）2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O
(Al2O3)+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O
这些新形成的物质在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。拌入水泥7天后，土颗粒周围充满了水泥凝胶体，并有少量水泥结晶体，一个月后，水泥土中生成大量纤维状结晶，并不断延伸充满到土颗粒的孔隙中形成网状构造，增加了水泥土的强度。
（2）离子交换作用
软土中含有多种矿物质，并有游离钠离子Na+和钾离子K+，它们能和水泥水化生成的钙离子Ca++进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，使土体强度提高。
3.3 碳酸化作用
水泥水化物中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成不溶于水的碳酸钙，也提高了软土的强度。
2(3CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO3·3H2O+ Ca(OH)2
4、水泥搅拌桩的强度决定因素
水泥搅拌桩的强度与加固土的物理化学性质、材料、水泥用量、养护龄期长短、施工、成桩的垂直度以及成桩的加固形式等诸多因素有密切关系。其中，水泥剂量、养护龄期、施工等三个因素尤为重要。
4.1水泥剂量和养护龄期
水泥土强度随水泥掺入量和龄期的增加而增强。同一龄期，水泥土的强度随水泥掺入比的增加而增强；同一水泥掺入比，水泥土的强度随水泥龄期的增加而增强。
4.2 施工
施工中的许多因素如搅拌桩的施工工艺、水灰比、浆液配制与输送等也直接影响着水泥搅拌桩的强度。
施工工艺。施工工艺中的复搅次数和转速直接影响到水泥土的搅拌均匀程度，进而影响成桩的质量。大量的施工实践已充分证明复搅与不复搅得强度相差很大。复搅的作用在于通过充分的搅拌使水泥浆与土完全接触和作用，促使桩体充分形成。若不充分进行搅拌，水泥在桩中往往呈层状，形成一种“夹生”，对桩的强度不利。水泥搅拌钻机下钻时转速的快慢，将会严重影响搅拌的均匀性和足够水泥的渗入。显然，也制约着桩的强度大小。
水灰比。水灰比受水泥剂量的制约，水灰比大时水泥渗入量相对较大，成桩强度就会高些；反之，则低些。但是水泥剂量高低又决定了工程的成本。就本工程而言，深层搅拌的浆液以425#普通硅酸盐水泥为主配制，水泥用量为水泥湿土重的15%，水灰比为0.45~0.50。
浆液的配制与运输。搅拌灰浆时，顺序投料为先加水，后加水泥，每次灰浆搅拌时间不得少于2min，将水泥浆充分拌匀。水泥浆从灰浆拌和机倒入集料斗时，必须经过滤筛，把水泥硬块剔出。集料斗的容量一般为0.2m3,就可以保证一定的余量，不会因浆液供应不足而断桩，也不会因浆液过多产生沉淀而引起浆液浓度不足。水泥浆由挤压式灰浆泵压入胶管送到深层搅拌机的钻杆内，最后射入搅拌叶的出浆口。浆液的浓度、质量以及拌匀程度直接影响桩的质量。