水泥搅拌桩的设计

水泥搅拌桩

水泥搅拌桩是以桩的形式对软土地基进行补强，使补强桩体与天然地基共同组成承载力较高、压缩性较低的复合地基，同时土中高应力区增大，从而提高了地基的承载力。

搅拌桩技术在20世纪50年代初起源于美国，称为MIP工法：瑞典于1967年开始研制石灰粉喷搅拌法：1953年日本从美国引进水泥搅拌桩技术。使这种方法得到了很大的发展和推广应用。目前，日本水泥搅拌桩技术已发展到单桩施工直径超过 1.8m，一次最大加固m，最大加同深度接转杆式超过60m，塔架式也可达30m以上。我国于1977截面积超过9.52

年开始由交通部建筑研究总院和交通部水运规划设计院引进开发双轴水泥浆液搅拌技术，1980年研究成果通过鉴定，此后广泛用于各类工程中。水泥搅拌桩加固软土地基的机理主要是通过水泥的水解和水化反应及水泥水化物与黏土的化学反应及碳酸化作用，而形成强度相对较高的桩体与桩周软土一起形成复合地基。以起到提高地基承载力、增强路基稳定性及减少路基沉降的作用。

（1）作用原理

水泥与软土采用强制机械拌和后形成水泥土，它是基于水泥与软土的一系列物理和化学的反应过程。

1）水泥在软土中的水解与水化反应

普通硅酸盐水泥主要是由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁及三氧化硫等成份组成，由这些不同的氧化物分别组成了不同的水泥矿物。当水泥与饱和软土充分拌和后，水泥颗粒表面的矿物很快与饱和软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。这些化合物形成了悬浮的溶液，具有胶结作用，凝结后形成水泥土的胶结强度。水泥中的硫酸钙与铝酸三钙一起与水发生反应后，生成一种被称为“水泥杆菌”的化合物，这种化合物以针状结晶的形式在比较短的时间里析出，把软土中大量的自由水以结晶水的形式固定下来。

2）粘土颗粒与水泥水化物的作用

当水泥各种化合物生成后，有的水化物自身硬结，形成水泥石骨架；有的水化物则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生作用，形成新的矿物。这些作用还有：离子交换与团化作用、凝硬作用、碳酸化作用等。需要说明的是，以上所述是在试验室内将水泥与土充分拌和

的条件下进行的。在实际施工操作中，由于施工机械是切削搅拌，不可能像在试验室内那样，将水泥与土搅拌得充分均匀，水泥土中留有一些未被粉碎的小土块，在搅拌水泥（浆液或粉体）后将出现水泥包裹土块的现象，土块之间的大孔隙基本上己被水泥的颗粒所充盈，所以实际加固后的水泥土中形成了大量的水泥较多的微区，而在小土块的内部没有水泥。只有经过比较长的时间后，土块内的土颗粒在周围的水泥水解化合物渗透作用后，才能逐渐改变其性质。这样在水泥土中不可避免地会产生强度较高的、水稳定性较好的水泥石区和强度相对较弱的小土块区。由此也说明了实际施工时，将水泥与软土搅拌得越均匀、土块就被粉碎的越小，水泥土结构强度的离散性也就越小，其强度就越高，其无侧限抗压强度越接近室内试验值。

（2）适用范围

1.水泥土搅拌桩的施工工艺分为浆液搅拌法(以下简称湿法)和粉体搅拌法(以下简称干法)。适用于处理淤泥、淤泥质土、素填土、软—可塑粘性土、松散—中密粉细砂、稍密—中密粉土、松散—稍密中粗砂和砾砂、黄土等土层。不适用于含大孤石或障碍物较多且不易清除的杂填土，硬塑及坚硬的粘性土、密实的砂类土以及地下水渗流影响成桩质量的土层。当地基土的天然含水量小于30%(黄土含水量小于25%)、大于70%时不应采用干法。寒冷地区冬季施工时，应考虑负温对处理效果的影响。

2.水泥土搅拌法用于处理泥炭土、有机质含量较高或PH值小于4的酸性土、塑性指数大于25的粘土或在腐蚀性环境中以及无工程经验的地区采用水泥土搅拌法时，必须通过现场和室内试验确定其适用性。

3.水泥土搅拌法可采用单头、双头、多头搅拌或连续成槽搅拌形成水泥土加固体；湿法搅拌可插入型钢形成排桩(墙)。加固体形状可分为柱状、壁状、格栅状或块状等。

4.拟采用水泥土搅拌法处理地基的工程，除按现行规范规定进行岩土工程详勘外，尚应查明拟处理土层的PH值、有机质含量、地下障碍物及软土分布情况、地下水及其运动规律等。

5.设计前应进行拟处理土的室内配比试验。针对现场拟处理的软弱层软土的性质，选择合适的固化剂、外掺剂及其掺量，为设计提供不同龄期、不同配比的强度参数。对竖向承载的水泥土强度宜取90d龄期试块的立方体抗压强度平均值；对承受水平荷载的水泥土强度宜取28d龄期试块的立方体抗压强度平均值。

6.固化剂宜选用强度等级不低于32.5级的普通硅酸盐水泥(型钢水泥土搅拌墙不低于P.0.42.5级)。水泥掺量应根据设计要求的水泥土强度经试验确定；块状加固时水泥掺量不应小于被加固天然土质量的7%，作为复合地基增强体时不应小于12%，型钢水泥土搅拌墙(桩)

不应小于20%。

湿法的水泥浆水灰比可选用0.45～0.55，应根据工程需要和土质条件选用具有早强、缓凝、减水以及节约水泥等作用的外掺剂；干法可掺加二级粉煤灰等材料。

7.竖向承载水泥土搅拌桩复合地基宜在基础和桩之间设置褥垫层，刚性基础下褥垫层厚度可取150～300mm 。褥垫层材料可选用中粗砂、级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm ，褥垫层的压实系数不应小于0.94。

8.竖向承载的水泥土搅拌桩复合地基承载力特征值不宜大于180kPa 。

9.型钢水泥土搅拌墙(桩)的设计和施工应符合《型钢水泥土搅拌墙技术规程》JGJ-的规定。型钢水泥土搅拌桩或水泥土中插入混凝土预制桩时，单桩竖向抗压承载力应通过单桩静载荷试验确定，桩身强度的计算不应考虑水泥土的作用。

10.水泥土搅拌形成水泥土加固体，用于基坑工程围护挡墙、被动区加固、防渗帷幕、大面积水泥稳定土等的设计、施工可按本节规定使用。

（4）设计

1.竖向承载搅拌桩的长度应根据上部结构对承载力和变形的要求确定，并应穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层；设置的搅拌桩同时为提高抗滑稳定性时，其桩长应超过危险滑弧

2.0m 以上。

干法的加固深度不宜大于15m ；湿法及型钢水泥土搅拌墙(桩)的加固深度应考虑机械性能的限制。单头、双头加固深度不宜大于20m ，多头（三轴）及型钢水泥土搅拌墙(桩)的深度不宜超过35m 。桩径不应小于500mm 。

2.竖向承载力水泥土搅拌桩复合地基的承载力特征值应通过现场单桩或多桩复合地基荷载试验、并考虑压板尺寸和时间效应等综合考虑来确定。初步设计时可按下式来预估，

sk p a spk f m A R m f )1(-+=βλ

spk f --复合地基承载力特征值(kPa)

λ--单桩承载力发挥系数，宜按当地经验取值，无经验时可取0.7~0.90

m --面积置换率；

a R --单桩承载力特征值(kN)

p A --桩的截面积(m 2)

sk f --处理后桩间土承载力特征值(kPa)，应按静载荷试验确定；无试验资料时可取天然

地基承载力特征值。

β--桩间土承载力发挥系数，当桩端土未经修正的承载力特征值大于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.1～0.4，差值大时取低值；当桩端土未经修正的承载力特征值小于或等于桩周土的承载力特征值的平均值时，可取0.5～0.9，差值大时或设置褥垫层时取高值。单桩承载力发挥度系数可取1。

3.单桩竖向承载力特征值应通过现场载荷试验确定。初步设计时也可按下列两式进行估算。

p p i n

i si p a A q l q u R α+=∑=1

p cu a A f R η=

p u --桩的周长(m)

n --桩长范围内所划分的土层数；

si q --桩周第i 层土的侧阻力特征值，阻力特征值。对淤泥可取4～7kPa ；对淤泥质土可取6～12kPa ；对软塑状态的粘性土可取10～15kPa ；对可塑状态的粘性土可以取12～18kPa ；对稍密砂类土可取15～20kPa ；对中密砂类土可取20～25kPa （广东的可塑状态的粘性土、稍密中粗砂可以取12～18kPa ；稍密粉土和稍密的粉细砂可取8～15kPa ）

p q --桩端土端阻力特征值(kPa)，

可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定确定；

i l --桩长范围内第i 层土的厚度(m)；

α--桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6，

（广东的取值范围为0.6-0.8） 天然地基土承载力高时取低值。

η--桩身强度折减系数，干法可取0.20～0.30；湿法可取0.25～0.33，上海标准是干法可取0.40～0.60；湿法可取0.5～0.65，广东的取值标准见下图

f——与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块(边长为70.7mm的立方体，也可采cu

用边长为50mm的立方体)在标准养护条件下90d龄期的立方体抗压强度平均值(kPa)；单头、双头搅拌桩不宜小于1MPa；型钢水泥土搅拌桩不宜小于0.8MPa。广东标准中增加了对于砂土和粉土采用150mm的立方体进行试验。

4.竖向承载搅拌桩复合地基中的桩长超过10m时，可采用变掺量设计。在全桩水泥总掺量不变的前提下，桩身上部三分之一桩长范围内可适当增加水泥掺量及搅拌次数；桩身下部三分之一桩长范围内可适当减少水泥掺量。

5.竖向承载力的水泥土搅拌桩的复合地基应在桩底和基础之间设置褥垫层，广东标准的厚度取200-400mm，上海标准取200-300mm，采用中砂，粗砂，级配砂石等，最大粒径不宜大于20mm。