论深层搅拌桩强度的影响及改善研究
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【摘要】桩身强度达不到设计值，这就容易引发桩体纵向失稳、整体滑动、环向拉裂、压裂、剪切破坏或折断失稳，这对加固工程和支挡工程是绝对不允许的。如果各桩体的强度、模具和相对刚度参差不一，将使桩在同等的受力环境和传力过程中产生不同的压缩变形，这可能导致同一建筑物下的桩体不均匀变形，令建筑物的不均匀沉降超过规范要求，这同样不希望出现，故搅拌桩与其他桩型一样，其桩身强度是工程施工质量关键。本文从影响水泥搅拌桩强度的因素分析，提出了提高桩体强度和单桩承载力的措施。
一、前言
水泥深层搅拌桩有喷粉和喷浆两种桩型，是一种快速而经济地加固软土地基的方法。其加固快速而经济地加固软土地基的方法。其加固机理是用特制的深层搅拌机具，破碎待加固的原位土，并送入水泥粉，就地与软土强制搅拌，它们之间即发生一系列的物理―化学反应，硬结成具一定强度的水泥土桩，与桩间土一起形成复合地基，提高地基的承载能力。可按桩身强度计算单桩承载力，据此算出复合地基承载力。另外，基坑维护工程的设计同样按搅拌桩身强度计算桩体的抗弯和抗剪能力，得出挡土结构的稳定性和抗滑能力。假如桩身强度达不到设计值，这就容易引发桩体纵向失稳、整体滑动、环向拉裂、压裂、剪切破坏或折断失稳，这对加固工程和支挡工程是绝对不允许的。如果各桩体的强度、模具和相对刚度参差不一，将使桩在同等的受力环境和传力过程中产生不同的压缩变形，这可能导致同一建筑物下的桩体不均匀变形，令建筑物的不均匀沉降超过规范要求，这同样不希望出现，故搅拌桩与其他桩型一样，其桩身强度是工程施工质量关键。
二、影响水泥搅拌桩强度的因素
2.1 水泥实际掺入的比例
水泥土的强度随着水泥掺入比的增大而增大（图1）。当水泥掺入比小于5%时，由于水泥与土的反应过弱，强度离散型也大，水泥土的固话强度低。因此，选用的水泥掺入比以大于5%为宜，一般为10%--25%。设计中，结合工程实际，参照上述参数选取水泥掺入比。但必须注意的是，水泥实际掺入比不等于实验水泥掺入比。下面定量地分析二者之间的关系。
实验水泥掺入比是指实验得出的水泥重量与拌合的软粘土重量之比。水泥实际掺入比是指水泥搅拌桩体中水泥重量与拌合的软粘土重量之比。
由于公式中m，n均小于1，所以，aw2
造成实际水泥掺入比小于实验水泥掺入比的主要原因是由冒浆造成的。深层搅拌法加固软弱地基，是将水泥浆在一定压力下注入土中，经过与土搅拌均匀后形成加固固结体。在灌浆过程中，主要靠被搅动土体与搅拌轴的粘着力密封阻止浆液的上返。当覆盖压力较小时，由于在土体中土颗粒之间充满气体、液体，浆液不能充分渗入土中，在浆液压力作用下必将沿着搅动土体与搅拌轴之间的间隙返回地面，从而产生冒浆现象。由于冒浆，桩体的水泥实际掺入比小于实验中桩体的水泥掺入比，桩体强度因而降低。这就要求桩身强度设计时充分考虑这一影响。施工中，采用的水泥掺入比应大于实验中桩体的水泥掺入比。
2.2土体搅拌的均匀程度
对软土地基深层搅拌加固技术来说，由于机械的切削搅拌作用，实际上不可避免地会留下一些未被粉碎的大小不一的土团，在拌入水泥浆后将出现水泥浆包裹土团的现象，而土团之间的大孔隙基本上已被水泥颗粒填满，所以加固后的水泥土中，形成一些水泥较多的微区，而在大小土团内部则没有水泥，水泥不能与土团内部的土体进行化学反应。只有经过较长的时间，土团内的土颗粒在水泥水解产物渗透作用下，才逐渐改变其性质。因此，在水泥土中会产生强度桥高、稳定性较好的水泥石区，同时也不可避免地会产生强度较低的土块区，即在桩体内陈胜不同土团水泥掺入比不同的现象。从水泥土强度机理分析，水泥土强度主要是由水泥水化胶结体对土颗粒包围所形成的水泥石骨架作用产生的，水泥石胶结骨架越厚、密度越大，水泥土强度越大。而水泥石胶结骨架的厚度、密度取决于水泥掺量，水泥掺量少的水泥土固结体强度低，反之，则高。当土体搅拌不均匀时，各未搅拌开的土团内水泥掺入比将不同程度地小于设计掺入比，桩体各部位强度差异很大，此时桩身强度只能去桩体各部位强度的最低值。这就导致桩身强度不能满足设计要求。对掺入比较小的水泥搅拌桩，复合地基的破坏首先是桩体的破坏，最后引起整个复合地基的破坏。由于土体搅拌不均匀，复合地基中桩身强度最小的桩首先破坏，再破坏次强度的桩，最后整个复合地基被破坏。
2.3含水量
在深层搅拌法实验中发现，当水泥土中水泥掺入比一定时，水泥土的无侧限抗压强度随着土中含水量而变化。当水泥掺入比小于20%时，水泥土的无侧限抗压强度随土中含水量降低而增大。一般土样含水量每降低10%，强度增大10%～60%。
当水泥掺入比大于20%时，含水量与无侧限抗压强度曲线存在一个峰值。水泥土中水泥掺入比较小时，由于水较水泥更容易填充土颗粒之间的孔隙，导致水泥不能充分地与土体混合而影响水泥土的强度。水泥掺入比较大时，水泥土中含水量存在最优值，使水泥浆具有较好的流动性，水泥颗粒具有良好的水化环境，从而更有效地填充土颗粒之间的间隙，增加其强度。但当含水量继续增加时，水不仅占据土颗粒之间的更多间隙，且使水泥中 离子浓度降低，水泥的硬化环节发生改变，降低了桩体强度形成速度，从而使桩体强度和单桩承载力降低。因此，在深层搅拌桩施工中，含水量对桩体强度和单桩承载力有着重要的影响。
2.4 龄期和水泥强度等级
水泥土的强度随龄期而增长，但龄期超过3个月后，水泥土的强度增长减慢。对某一沿海地区淤泥质土样的实验室进行测试，水泥掺入比为10%，水泥土90d的强度为28d的1.86倍，120d的强度为28d的1.91倍，180d的强度为28d的1.95倍。试验和实践经验表明：三个月强度宜作为水泥土的标准强度，实验或施工中要充分利用这一规律。
水泥强度等级越高，水泥土的强度越高。水泥强度标号每一个单元，水泥土强度就提高0.5%～0.9%。要想获得相同的强度，水泥强度标号每提高一个单位，可节省水泥用量0.02%～0.03%。
三、提高桩体强度和单桩承载力的措施
3.1复搅法
在深层搅拌法施工中，为了使水泥浆液均匀地分布到土颗粒中，可以对土体进行复搅。现场对一根桩径500mm、桩长10m的水泥搅拌桩进行试验，对桩上部进行复搅和不进行复搅所得的单桩试验荷载―沉降量关系曲线如图3所示。有图可见，在深层搅拌法施工中，进行上部复搅的桩承载力明显地比未进行上部复搅的桩要高，且有的提高1/3左右，故在进行深层搅拌法施工时，可以采用上部复搅法来提高桩体强度和单桩承载力。
为研究搅拌桩复搅深度与单桩极限荷载之间的关系，现场对桩径500mm、长10m的搅拌桩进行了实验，得的曲线如图4。图4可以看出，上部复搅可以提高水泥搅拌桩单桩极限荷载，但当复搅深度超过某一限值后，水泥搅拌桩的承载力不再继续提高。从图4可以看到，φ500、桩长10m搅拌桩的复搅最佳深度为3m。
现场对φ500、桩长10m的搅拌桩加压力88.35kN，查表得ac =0.0047，则在桩身3m处的附加应力为P=450×0.0047=2.115（kPa）。也就是说，当上部荷载传到桩身3m处时，附加应力几乎为零，即下部桩所受到的附加应力很小。因此，可以认为，在进行上部复搅的水泥搅拌桩成桩时，复搅3―4m，就可以取得显著提高水泥搅拌桩强度和单桩承载力的效果。
对搅拌头下沉和上升的速度应加以控制。在搅拌头下沉的过程中，如遇土体较硬的土层，可以降低搅拌头下沉的速度，以便更好地切削土体，使切片更薄，以利水泥与土拌合。当搅拌头上升时，如遇土体较松软的土层，可以将调速电动机调到高速，加快搅拌头搅拌速度，并进行多次复搅，增加土颗粒的比表面积，使水泥与土充分接触，提高桩体强度和单桩承载力。
3.2 喷搅法
喷搅法施工可以提高水泥浆喷射压力，使水泥与土充分搅拌，从而提高桩体强度和单桩承载力。
第一，搅拌头在下沉过程中进行喷浆处理，使浆液与土体充分接触，有利于水泥和土体之间进行化学反应，从而提高桩体强度。
第二，搅拌头上升和下沉过程中均进行高压喷浆。高压喷浆对土体具有切割作用，增强了土体搅拌的均匀程度，从而提高桩体强度和单桩承载力。
3.3外加剂的合理选择
从影响桩体强度的因素中可以看出，当水泥掺入比为定值时，优化水灰比可以提高桩体强度和单桩承载力。为了提高水泥的流动性并减少水泥浆的水灰比，可以在水泥浆中加入减水剂。水泥减水剂是具有表面吸附活性的低分子有机物，它吸附到水泥颗粒表面，阻止水泥颗粒间的聚结，因而提高了水泥颗粒的分散性，释放了被水泥颗粒网状结构所包围的水，改善了水泥颗粒与水接触的水化条件，增加了水泥浆的水化面积，提高了水泥土结石强度。减水剂的类型主要有木钙粉、亚甲基二萘磺酸钠、已糖二酸钙等。
结束语：
深层搅拌法是处理软土地基的一种有效的施工方法。但在深层搅拌法施工时，水泥浆的冒浆问题、复搅深度、土体搅拌的均匀程度以及外加剂的选择等各种因素影响着桩体强度和单桩承载力。因此，必须对各种影响因素采取相应措施，才能更有效地发挥深层搅拌法的优势，更有效地提高水泥搅拌桩的迁都和复合地基的承载力。
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