深层搅拌桩在软弱地基处理中的作用
导语：深层水泥搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过深层搅拌机械在地基将软土或沙等和固化剂强制拌和，使软基硬结而提高地基强度。
深层搅拌桩是软土地基处理中的一项新技术,具有安全可靠、经济实用的优点。本文讨论以水泥作固化剂的深层搅拌桩的加固机理，并结合工程实例进一步讨论搅拌桩的设计、施工及质量控制问题。因此,对今后深层搅拌桩工程的设计和施工具有一定的参考作用。本文主要以柱状搅拌桩加固型式为实例。
深层搅拌桩是利用深层搅拌机,沿深度方向将软土与固化剂(水泥浆或水泥粉、石灰粉,外加一定量的掺合剂)就地进行强制搅拌,使土体与固化剂发生物理化学反应,形成具有一定整体性和一定强度的加固体。这种地基处理技术适用于处理包括淤泥、淤泥质土、粉土、砂性土、泥炭土等各种成因的饱和软粘土,含水量较高且地基承载力标准值不大于120KPa的粘性土等地基。深层搅拌桩所用固化剂种类较多,有水泥类、石灰类、粉煤灰类、沥青类、泥浆类、化学材料类等,但最常用的仍然是水泥类,因其具有取材便利、适用土质范围广泛、加固后所形成的水泥土强度高、稳定性好等特点。与其他施工方法相比较,深层搅拌法具有施工工期短、无公害、成本低等特点,其在施工中无振动、无噪声、无地面隆起、不排污、不污染环境,对相邻建筑物不产生有害影响。深层搅拌法因其出色的工艺特点,被广泛应用于形成复合地基、支护结构、防渗帷幕等。
一、加固机理
深层搅拌加固原理是基于水泥加固土的物理化学反应过程。在水泥加固土中，由于水泥的掺量很小，仅占被加固土重的'5%～20%，水泥的水解和水化反应完全是在具有一定活性的介质———土的围绕下进行，硬凝速度缓慢且作用复杂。目前初步认为，水泥加固软土主要产生下列反应。
(一)水泥的水解和水化反应。水泥遇水后，颗粒表面的矿物很快与水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙与含水铁酸钙等化合物。其中前两种化合物迅速溶于水中，使水泥颗粒新表面重新暴露出来，再与水作用，这样周围水溶液就逐渐达到饱和。当溶液达到饱和后，水分子虽继续深入颗粒内部，但新生成物已不能再溶解，只能以细分散状态的胶体析出，悬浮于溶液，形成凝胶体。
(二)离子交换和团粒化作用。土体中含量最多的二氧化硅，遇水后形成硅酸胶体微粒，其表面带有钠离子Na+和钾离子K+，它们能和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子Ca++进行当量离子交换，这种离子交换的结果，使大量的土颗粒形成较大的土团粒。
水泥水化后生成的凝胶粒子的比表面积，约是原水泥的比表面积的1000倍，因而产生很大的表面能，具有强烈的吸附活性，能使较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥蜂窝结构，并封闭各土团之间的空间，形成坚硬的联体。
(三)硬凝反应。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子Ca++，当钙离子的数量超过上述离子交换的需要量后，则在碱性的环境中，使组成土矿物的二氧化硅及三氧化铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，随着反应的深入，生成不溶于水的稳定结晶矿物，这种重新结合的化合物，在水中和空气中逐渐硬化，增大了土的强度，且由于水分子不易侵入，因而具有足够的稳定性。
二、工程概况
防城港市新建铁路调车场工程D3K0+954轨道衡基础(宽3.4米，长74.34米)和DK2+173箱涵的基础(宽5米，长30米)，均采用深层柱状搅拌桩进行地基处理，并且效果很好。本文以DK2+173箱涵为实例，该涵基底标高为1.5米。根据工程勘察地质资料，标高1.5米以下第一层为人工填土，厚度为3.0米。第二层为淤泥质的砂土，平均厚度为6.5米，天然含水量为52.3%，含砂量47.5%，标贯击数为2至3击，桩周土的平均摩阻力为9KPa，承载力标准值为70KPa，力学强度极差，是典型的软土地基。第三层为强风化砂岩，力学强度极好。
由工程勘察地质资料可以看出，箱涵的基础位于淤泥质砂土层，该层淤泥厚度大，含水量高且地基承载力标准值达不到设计要求，该层不能作为箱涵基础的持力层，良好的持力层应该是强风砂岩层。
地质报告建议采用灌注桩方案，但通过技术经济比较，采用深层搅拌桩复合地基方案替代灌注桩方案，对压缩层深度内进行加固处理，更为合理。深层搅拌桩是一种介于刚性桩与柔性桩之间柱，计算时考虑桩土的共同作用，就其设计理论而言，较灌注桩先进，且深搅桩的造价低于灌注桩，成桩快。因此采用深层搅拌桩复合地基具有明显的经济效益。
三、深层搅拌桩的设计
深层搅拌桩的加固形式有：柱(桩)状、壁状、块状。
本文以柱状搅拌桩加固地基，结合实例DK2+173箱涵地基处理，简单叙述深层搅拌桩的设计理论要求和一些原则。
(一)浆液配合比。根据土质分析即有机盐含量，可溶盐含量，以及水质分析即地下水的酸碱度(PH)值，硫酸盐含量。DK2+173箱涵搅拌基础处于吹砂填海的场地上，我们采用32.5普通硅酸盐水泥，再根据水泥土的抗压强度，参照室内配合比试验资料，选择水泥掺入比为加固土重的17%，并加入水泥重量的5%的粉煤灰和2%的石膏粉。
(二)桩长的确定。根据地质资料知：涵洞基底(标高1.5米)以下第一层人工填土厚为3.0m，第二层淤泥质砂土平均厚度为6.5m，第三层为强风化砂岩，因此选择桩长L=9.7m。
(三)单桩承载力pa和水泥土无侧限抗压强度qu计算
式中f———桩侧土的平均容许摩阻力(kPa);
Sa———搅拌桩周长(m);
a———桩截面积(m2);
k———水泥土强度安全系数，一般可取1.5;
式(2)中的2是搅拌桩承载力的安全系数。
本例中f=9kPa桩径D取0.6m，则
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