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【摘 要】高压旋喷桩技术自20世纪70年代从日本引进我国己有近四十年的历史。当时该技术主要用于软土地基的加固，目前，该技术己在全国进行了推广应用，并用于宣大高速、京秦高速等大型工程。它具有安全可靠、适用的土质广、施工噪音小、桩身强度高、固结体形状可控制、料源广阔、价格低廉等特点，本文对高压旋喷桩复合地基的成桩加固机理进行研究分析。
【关键词】高速公路建设;高压旋喷桩;复合地基;加固机理
1.复合地基理论
1.1复合地基的形成条件
能否形成复合地基，在荷载作用下，要看桩体与桩间天然地基土体是否共同承担荷载作用。通过变形协调，桩与桩问土共同承担荷载作用是形成复合地基的基本条件。在建筑工程中，通常在复合地基上设置刚度较大的扩展基础或筏形基础，也称为刚性基础下的复合地基。而在道路工程中，荷载则通过刚度较小的路面层传递，亦称为柔性基础下的复合地基。刚性基础和柔性基础下的复合地基的性状有较大差异；因此，增强体与天然地基土体在荷载作用下的变形协调关系是复合地基性状的主要特征。设计时为了较充分的发挥天然地基土的承载作用，要求桩土间的荷载分担比在一个比较合理的范围内，这是复合地基设计的关键所在。
图１ 复合地基形成条件示意图
图1所示为复合地基形成条件示意图，在基础下设置厚度为200～300mm的垫层可以改善地基中浅层土的受力状态，减小桩土荷载分担比。垫层是复合地基的重要组成部分。
复合地基设计时，一般要求有一定的置换率，恰当的分担比。置换率过低，复合地基承载力特征值低，桩土分担比高，桩土压力相差过大，使复合地基的均匀性变差。
1.2复合地基效用
复合地基中桩间土的性状不同、桩体材料不同、成桩工艺不同，复合地基的效用也不同。通过设置增强体，将地基分为：加固区和非加固区两部分，综合各种桩型的复合地基效用，主要有以下几方面：①置换作用，亦即复合地基具有桩体效应;②挤密、振密作用;③排水作用;④减载作用;⑤桩对土的约束作用。
2.高压旋喷桩复合地基加固机理分析
2.1水泥土的固结机理分析
高压喷射注浆所采用的硬化剂在我国多为水泥浆，根据工程需要可添加防止沉淀或加速凝结的外加剂。当用于砂性土时，水泥土的固结机理类同于建筑上的水泥砂浆，具有很高的强度，固结时间也较短。当用于黏性土时，由于水泥掺量有限，且黏粒具有很大的比表面积并含有一定的活性物质，固结机理较复杂，硬化速度也较慢。水泥土加固机理有以下几个方面：
２．１．１水泥的水解和水化反应
水泥和水拌和后发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等。这些化合物可溶于水，使水泥颗粒表面重新出露出来，在与水发生反应，这样水溶液很快达到饱和，析出一种胶质物体。这种胶质物体一部分混在水中悬浮，然后包围在水泥微粒表面，形成一种胶凝薄膜，并逐渐发展连接起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶粘的性质。此后不断的进行水化反应，不断的硬化，最后形成水泥结石。
２．１．２离子交换和团粒化作用
土作为一个多相散布系，和水结合时就表现出一般的胶体特征。土中含量较高的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的钙离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，从而时土的强度提高。水泥水化物的凝胶离子的比表面积比原来水泥颗粒大1000倍左右，从而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的连接。从宏观上看，离子交换和团粒化作用可使水泥土的强度进一步提高。
２．１．３凝硬反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量钙离子，当其数量超过离子交换的数量后，在碱性环境中，能使组成黏土矿物的氧化钙、氧化铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应。随着反应深入，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，这些新生的化合物在水中和空气中逐渐硬化，与水泥石、土颗粒相搭接，形成空間网格结构，增大了水泥土的强度。而且由于其结构致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。
２．１．４水泥土网格结构的形成
在高压喷射注浆过程中，土体被破坏粉碎成各种粒径的颗粒或各种大小的土团，它们之间被水泥浆所填满。所以，在水泥土中形成一些水泥及细土颗粒较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。水泥的水解水化作用及其与土颗粒之间的作用，开始时主要在微区内进行，不断在水泥和土颗粒的周围形成各种结晶体，不断的生成、延伸并交织在一起形成空间网络结构。大小土团被分割包围在这些骨架中间。随着土体逐渐被挤密，自由水也逐渐减少消失，形成一种特殊的水泥土骨架结构，大大增强了水泥土的强度。
2.2高压旋喷桩复合地基加固机理分析
作为地基加固，通常采用旋喷注浆的方式。在土层中喷射注浆时，有一部分比较细小的土粒以“半置换”的方式被带出地面，其余土粒在高压喷射流的冲击力、离心力和重力等的共同作用一下，经过重新排列，组合成具有特殊结构的固结体一桩，它具有较高的强度，并且由于喷射流的脉动和提升速度的不均匀，其外形一般很粗糙，因此具有较大的承载力。一般来说加固后的地基承载力与旋喷桩的强度、单桩承载力、桩间土的性质和面积置换率等因素有关。
目前，对高压旋喷桩复合地基加固机理还没有进行系统研究，认为其加固机理有以下几个方面：
①因旋喷桩的存在，使得软弱土层在荷载作用下由原来的无侧限状态转变为有一定边界条件的应力状态，由于旋喷桩对周围土体的挤压、扰动，即使桩间土中出现了超孔隙水压力，土体强度暂时有所降低，但复合地基施工完成后，随着超孔隙水压力的消散，桩间土的有效应力增大，从而提高了桩间土的强度。
②由于旋喷桩在设置过程中对周围土体有一定的挤密压实作用，即桩的侧摩阻力，也使得桩周围的软弱土层承载力提高。
③旋喷结束后，当水泥一土混合浆液尚未凝结时，这种浆液将产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，形成“脉”状、“板”状水泥结石体，这种情况在开挖检查中比较明显。
总之，近30年来，国内外在地基处理技术方面发展十分迅速，传统方法得到改进，新的技术不断涌现。随着地基处理工程实践的发展，人们在改造土的同时，不断丰富了对土特性的认识，从而又进一步推动了地基处理技术和方法的更新。■
【参考文献】
［１］余暄平．国内外高压旋喷技术的发展现状与趋势[J]．成果应用，2006.
［２］杨风灵，吴燕，李卿，王军权．高压旋喷桩复合地基的基本特性[J]．华北水利水电学院学报，2006.
【关键词】高速公路建设;高压旋喷桩;复合地基;加固机理
1.复合地基理论
1.1复合地基的形成条件
能否形成复合地基，在荷载作用下，要看桩体与桩间天然地基土体是否共同承担荷载作用。通过变形协调，桩与桩问土共同承担荷载作用是形成复合地基的基本条件。在建筑工程中，通常在复合地基上设置刚度较大的扩展基础或筏形基础，也称为刚性基础下的复合地基。而在道路工程中，荷载则通过刚度较小的路面层传递，亦称为柔性基础下的复合地基。刚性基础和柔性基础下的复合地基的性状有较大差异；因此，增强体与天然地基土体在荷载作用下的变形协调关系是复合地基性状的主要特征。设计时为了较充分的发挥天然地基土的承载作用，要求桩土间的荷载分担比在一个比较合理的范围内，这是复合地基设计的关键所在。
图１ 复合地基形成条件示意图
图1所示为复合地基形成条件示意图，在基础下设置厚度为200～300mm的垫层可以改善地基中浅层土的受力状态，减小桩土荷载分担比。垫层是复合地基的重要组成部分。
复合地基设计时，一般要求有一定的置换率，恰当的分担比。置换率过低，复合地基承载力特征值低，桩土分担比高，桩土压力相差过大，使复合地基的均匀性变差。
1.2复合地基效用
复合地基中桩间土的性状不同、桩体材料不同、成桩工艺不同，复合地基的效用也不同。通过设置增强体，将地基分为：加固区和非加固区两部分，综合各种桩型的复合地基效用，主要有以下几方面：①置换作用，亦即复合地基具有桩体效应;②挤密、振密作用;③排水作用;④减载作用;⑤桩对土的约束作用。
2.高压旋喷桩复合地基加固机理分析
2.1水泥土的固结机理分析
高压喷射注浆所采用的硬化剂在我国多为水泥浆，根据工程需要可添加防止沉淀或加速凝结的外加剂。当用于砂性土时，水泥土的固结机理类同于建筑上的水泥砂浆，具有很高的强度，固结时间也较短。当用于黏性土时，由于水泥掺量有限，且黏粒具有很大的比表面积并含有一定的活性物质，固结机理较复杂，硬化速度也较慢。水泥土加固机理有以下几个方面：
２．１．１水泥的水解和水化反应
水泥和水拌和后发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等。这些化合物可溶于水，使水泥颗粒表面重新出露出来，在与水发生反应，这样水溶液很快达到饱和，析出一种胶质物体。这种胶质物体一部分混在水中悬浮，然后包围在水泥微粒表面，形成一种胶凝薄膜，并逐渐发展连接起来成为胶凝体，此时表现为水泥的初凝状态，开始有胶粘的性质。此后不断的进行水化反应，不断的硬化，最后形成水泥结石。
２．１．２离子交换和团粒化作用
土作为一个多相散布系，和水结合时就表现出一般的胶体特征。土中含量较高的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子或钾离子，它们能和水泥水化生成的钙离子进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的团粒，从而时土的强度提高。水泥水化物的凝胶离子的比表面积比原来水泥颗粒大1000倍左右，从而产生很大的表面能，有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的团粒结构，并封闭各土团之间的空隙，形成坚固的连接。从宏观上看，离子交换和团粒化作用可使水泥土的强度进一步提高。
２．１．３凝硬反应
随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量钙离子，当其数量超过离子交换的数量后，在碱性环境中，能使组成黏土矿物的氧化钙、氧化铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应。随着反应深入，逐渐生成不溶于水的稳定结晶化合物，这些新生的化合物在水中和空气中逐渐硬化，与水泥石、土颗粒相搭接，形成空間网格结构，增大了水泥土的强度。而且由于其结构致密，水分不易侵入，从而使水泥土具有足够的水稳定性。
２．１．４水泥土网格结构的形成
在高压喷射注浆过程中，土体被破坏粉碎成各种粒径的颗粒或各种大小的土团，它们之间被水泥浆所填满。所以，在水泥土中形成一些水泥及细土颗粒较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥。水泥的水解水化作用及其与土颗粒之间的作用，开始时主要在微区内进行，不断在水泥和土颗粒的周围形成各种结晶体，不断的生成、延伸并交织在一起形成空间网络结构。大小土团被分割包围在这些骨架中间。随着土体逐渐被挤密，自由水也逐渐减少消失，形成一种特殊的水泥土骨架结构，大大增强了水泥土的强度。
2.2高压旋喷桩复合地基加固机理分析
作为地基加固，通常采用旋喷注浆的方式。在土层中喷射注浆时，有一部分比较细小的土粒以“半置换”的方式被带出地面，其余土粒在高压喷射流的冲击力、离心力和重力等的共同作用一下，经过重新排列，组合成具有特殊结构的固结体一桩，它具有较高的强度，并且由于喷射流的脉动和提升速度的不均匀，其外形一般很粗糙，因此具有较大的承载力。一般来说加固后的地基承载力与旋喷桩的强度、单桩承载力、桩间土的性质和面积置换率等因素有关。
目前，对高压旋喷桩复合地基加固机理还没有进行系统研究，认为其加固机理有以下几个方面：
①因旋喷桩的存在，使得软弱土层在荷载作用下由原来的无侧限状态转变为有一定边界条件的应力状态，由于旋喷桩对周围土体的挤压、扰动，即使桩间土中出现了超孔隙水压力，土体强度暂时有所降低，但复合地基施工完成后，随着超孔隙水压力的消散，桩间土的有效应力增大，从而提高了桩间土的强度。
②由于旋喷桩在设置过程中对周围土体有一定的挤密压实作用，即桩的侧摩阻力，也使得桩周围的软弱土层承载力提高。
③旋喷结束后，当水泥一土混合浆液尚未凝结时，这种浆液将产生挤压力，对四周土有压密作用，并使部分浆液进入土粒之间的空隙中，形成“脉”状、“板”状水泥结石体，这种情况在开挖检查中比较明显。
总之，近30年来，国内外在地基处理技术方面发展十分迅速，传统方法得到改进，新的技术不断涌现。随着地基处理工程实践的发展，人们在改造土的同时，不断丰富了对土特性的认识，从而又进一步推动了地基处理技术和方法的更新。■
【参考文献】
［１］余暄平．国内外高压旋喷技术的发展现状与趋势[J]．成果应用，2006.
［２］杨风灵，吴燕，李卿，王军权．高压旋喷桩复合地基的基本特性[J]．华北水利水电学院学报，2006.