水泥搅拌桩加固机理及在软土路基中的应用

２０１４年第８期　北　方　交　通　中图分类号：ＴＵ４７１．８　文献标识码：Ｂ　．－——４９．－——　文章编号：１６７３—６０５２（２０１４）０８—００４９—０４　水泥搅拌桩加固机理及在软土路基中的应用　钟云健　（重庆经开区开发投资集团有限责任公司重庆市４０１３３６）　摘要：水泥搅拌桩复合地基是加固软土地基最有效的方法之一。水泥搅拌桩在复合地基中能够起到集中应　力、降低沉降的作用。通过大量室内试验研究，结果表明，水泥搅拌桩桩身强度随着水泥掺入比的增大而增强，随　着龄期的增长呈幂指数的方式增大，受水灰比的影响较小；实体工程研究表明，水泥搅拌桩桩身强度随加固深度的　增加而减小，其强度为软土的近１０倍，能够有效提高软土地基的强度。　关键词：水泥搅拌桩；软土地基；无侧限抗压强度　现在常用的软土地基处理技术有换填法、强夯　法、抛石挤淤法、排水固结法以及复合地基法等方　法…。根据作用机理及材料的不同，复合地基法可　以分为水泥粉煤灰碎石桩（ＣＦＧ桩）、管桩、高压旋　喷桩、碎石桩以及水泥搅拌桩五种形式。研究表明，　桩桩体上，大大减小周围土体所受的应力，从而达到　降低沉降量的目的。　１．２　垫层作用　水泥搅拌桩通过深层搅拌机向地基深层喷射水　泥将，与原路基土体均匀搅拌凝结成高刚度、高强度　经处理过的复合地基加固沉降量很小，一般均在　的桩体，进而与周围土体在地基深处形成一个新的　复合地基层或者复合层，取代原有地基成为新的路　基垫层。显而易见，这种复合地基层的力学特性比　３０ｍｍ之内，而且沉降主要发生在下卧层　ｌ３　Ｊ。本文　仅对水泥搅拌桩的成桩强度影响因素进行研究，阐　明水泥搅拌桩在软土路基中的作用，为以后的研究　及施工提供参考依据。　１　水泥搅拌桩的作用机理　原路基底层要好得多，能够起到均匀分布应力、增大　应力扩散角度的作用。　１．３加筋作用　复合地基法主要是通过在软土中建造具备一定　水泥搅拌桩桩体强度和刚度较大，竖直立于软　土地基中，能够有效地提高土体的抗剪切强度，进而　有效降低路基土的水平位移，达到增强软土路基稳　定性的目的。　２　水泥搅拌桩强度影响因素　水泥搅拌桩的强度主要由最终凝固成的水泥土　强度决定，水泥掺入比、龄期、加固深度、土样类型、　强度和承载能力的构造物，使其与原有土基构成复　合地基共同承担外部荷载的作用，以达到提高原地　基承载力的方法　Ｊ。而水泥搅拌桩主要是通过深　层搅拌机将水泥或者水泥砂浆与土体强制拌和，最　终凝结成具有整体性、水稳定性能良好、强度较高的　水泥构造物，从而达到提高软土地基承载力以及减　小沉降的作用。具体可以归纳为以下三类作用。　１．１　集中应力及降低沉降的作用　因为水泥搅拌桩的强度和刚度和周围土体相比　要大得多，根据经验公式８＝　Ｅ可知，水泥搅拌桩　的加入能够大大提高原地基的承载作用；而且，复合　地基中的应力在路基填筑荷载及外部荷载的作用下　将按模量大小成正相关的关系进行分布，从而出现　应力集中的现象，绝大分布荷载将作用在水泥搅拌　土样含水量、外掺剂以及水灰比均会对水泥搅拌桩　桩身的强度产生不同程度的影响，本文在此通过室　内试验主要对水泥掺入比、龄期、水灰比对其强度的　影响进行研究。　２．１　试件的成型　本试验采用的水泥为江苏明港产Ｐ．０４２．５缓　凝水泥，原土为取自云南某工程的淤泥质粘土，水泥　的主要技术指标试验结果见表１。　５０一　表１　水泥技术参数表　北　方　交　通　２０１４年第８期　从表２和图１中可以看出，当水灰比一定时，水　泥土的无侧限抗压强度随着水泥掺入比的增加而增　大。这主要是由于水泥浆的强度和刚度远远大于原　软土，根据式（１）的定义可知，水泥掺人比的增大意　味着水泥用量增大，反之则是原软土的质量减小，因　根据《软土地基深层搅拌加固法技术规程》　（ＹＢＪＩＯ１１３—９１）中水泥加固土室内试验的成型方　此加固后的水泥土强度变大；其次是水泥作为加固　剂主要是通过其与原土体间的物理化学反应起到加　法，先人工将水泥、外掺剂、土样和拌和水拌和均匀，　然后再放人搅拌机中进行搅拌，然后在５ｃｍ×５ｃｍ　×５ｃｍ的立方体试模内装入Ｉ／２试料，击实５０次　固土体的作用，主要包括水泥的水解和水化反应、硬　凝反应等，而这种物理化学反应作用随着水泥掺量　的增加而增强，效果越显著；再次水泥掺人比的增大　减小了原土样用量，进而减小了水泥土中的含水量，　最终促进了水泥土的硬凝。因此，无侧限抗压强度　后，将表面打磨磨平，再装入其余试料，然后再击实　５０次，最后将试件表面刮平并套上塑料薄膜，防止　水分蒸发。试件成型２ｄ脱模，放人养生室养生至各　龄期方可进行无侧限抗压强度试验。　２．２　水泥掺入比对强度的影响　水泥重量与加固土体的重量之比称为水泥掺入　比　’，即　随着水泥掺人比的增大而增强。　２．３　水灰比的影响　水灰比是影响水泥砂浆最主要的因素之一，本　试验中依次取水灰比为０．４、０．４５、０．５、０．５５制备试　件，研究水灰比对水泥土无侧限抗压强度的影响。　（１）　利用表２中的数据绘出水泥土无侧限抗压强度和水　灰比的关系曲线图如图２所示。　１　ｌ　ｌ　１　０　０　Ｏ　Ｏ　Ｏ　４　３＾１　１　ｌ　９　８｜＇６　５　０【　＝ｍ，￣Ｊｍ】：×１００％　不包括原土样中所含的水分　Ｊ，即　【ｏ：ｍ，Ｋ／ｍ水泥　水灰比指用水量与水泥用量之比，在此用水量　（２）　乏　簸　鹾　毫　在本次试验中取水泥掺入比为１０％、１２％、　１４％、１６％和１８％，水灰比取０．４、０．４５、０．５和　０．５５，养生龄期为２８ｄ。无侧限抗压强度试验结果　见表２。将表２中的数据绘成曲线图如图１所示。　表２　无侧限抗压强度（ＭＰａ）　０．４　０　４５　０．５　０．５５　０．６　水灰比　图２水灰比对强度的影响规律　从图２中可以看出，当水泥掺人比一定时，水泥土　的无侧限抗压强度随着水灰比的增加呈现出略微减小　的趋势，但是影响效果并不明显。例如当水泥掺入比　为１０％时，水灰比为０．４、０．４５、０．５、０．５５时依次对应的　无侧限抗压强度为０．６３ＭＰａ、０．６１ＭＰａ、０．６１ＭＰａ、　塞　矮　０．５９ＭＰａ，最大值与最小值之差仅为０．４ＭＰａ。这主　要是由于原软土的含水量很高，当水泥掺入比一定　时，水灰比改变所引起的用水量对水泥土总用水量　的影响非常小，从而对水泥的水化、水解及硬凝作用　几乎不会产生较大影响。因此在实际施工过程中，　鬟　在满足设计强度要求时，可以根据经验选取水灰比。　２．４　龄期的影响　图ｌ　水泥掺入比对强度的影响规律　本文在此通过室内试验，对水泥掺入比为１６％　２０１４年第８期　钟云健：水泥搅拌桩加固机理及在软土路基中的应用　ｌ　４　一５ｌ一　和ｌ８％，水灰比均为０．５，龄期依次为３ｄ、７ｄ、１４ｄ、　●　＾】　０　８　Ｏ　６　Ｏ　４　Ｏ　２　０　ｌ　２８（Ｉ、９０ｄ和１２０ｄ的水泥土无侧限抗压强度进行测　定，具体试验结果见表３。将表３中的结果绘成曲　线图如图３所示。　表３　龄期对强度的影响结果　水泥　掺入比　ｌ６％　ｌＲ％　３　０．３９　０　４　７　０．５８　０　ｆ．４　龄期（ｄ）　１４　２８　０．７６　０．７ｑ　９０　１．２Ｉ　１　２６　１２０　Ｏ．２　０．４　０．６　０．８　ｌ　１．２　１．４　０．９ｌ　ｆ１　９６　１．２４　１　３１　无侧限抗压强度／ＭＰａ　图４无侧限抗压强度直方图　ｌ　墨　譬　３０　坍　６０　９０　明施工条件或外界自然因素对水泥搅拌桩的成桩强　度产生了一定影响。研究表明，普通天然软土的强　度通常为０．０６ＭＰａ　，而水泥土的强度是原软土的　近１０倍，这说明水泥搅拌桩对提高软土地基的强度　具有显著效果。　龄期，ｄ　对三根长芯样从上至下在整米处切割成圆柱体　ＢｄＷ，　骤趟　盛暮　试件，然后测定各段的无侧限抗压强度，具体试验结　果见表４。　表４强度随加固深度的变化（ＭＰａ）　加伺　度（ｍ　Ｊ　１　ｌ　Ｏ　０　Ｏ　Ｏ　叭　。　图３　龄期对强度的影响　由图３可以看出，当水泥掺人比和水灰比均一　定时，水泥土的强度随着养生龄期的增长而增大，尤　其是前３０（１的强度增长速度非常迅速，此后强度的　增长速度则逐渐减慢，整个增长过程与水泥的固化　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１ｏ　芯样一芯样三１　０５　１．Ｏｌ　０．９５　０．８１　０　７６　０．７８　０．６　０．５１　０．５２　０．２８　１　２３　１．０６　１．ｏ３　０．９１　０　８２　０．６９　０．５６　０．６２　０．２９　０．２４　芯样二０．９１　０．９５　０．８　０．８２　０．６１　０．５４　０．４２　０　３６　０．２４　０．２３　过程类似呈现为幂指数的增长方式，９０ｄ的强度基　本能够达到水泥设计强度的９０％以上，这说明水泥　土的固化速度比水泥的固化速度慢，这主要是由于　水泥的掺量小，水泥的水解和水化反应受到水泥土　中具有一定活性介质的土体影响；从表３中可以看　出，３ｄ龄期的强度是９０ｄ强度的０．３～０．４倍，７ｄ强　度是９０ｄ强度的０．４５～０．５５倍，２８ｄ强度则能够达　到９０ｄ强度的７５％以上。　３　工程研究　加固深度，ｌ１ｌ　本文对云南某软基加固工程进行研究，本工程　的土体仍为淤泥质粘土，水泥采用的是普通硅酸盐　水泥，水灰比为０．５，水泥掺人比取１５％，施工结束　９０（Ｉ后选用取芯检验的方法钻取１００个芯样对该路　图５　加固深度对强度的影响规律　图５中曲线的变化趋势表明，水泥搅拌桩的无　侧限抗压强度随着加固深度的增大而减小，例如芯　样一的加固深度为１ｎ　所对应的无侧限抗压强度为　段进行质量检测，取芯时钻取三根芯样至淤泥层下　方，以研究加固深度对桩身强度的影响，取芯后将试　件带回试验室进行无侧限抗压强度，将１００个无侧　限抗压强度画成直方图如图４所示。　１．０５ＭＰａ，而加固深度ｌＯｒｅ处所对应的强度仅为　０．２８ＭＰａ，降低了７３．３％。这主要是由于随着加固　深度的增加，搅拌机的有效注浆压力减小，这就意味　着单位时间内喷出的水泥浆体积减小，而且注浆压力　的减小会影响水泥浆与土体的搅拌效果，成桩质量的　均匀性降低。因此，在同一土层中，水泥搅拌桩的桩　从图４中可以看出水泥搅拌桩的强度主要集中　在０．８～１．ＯＭＰａ，比试验室所测得的强度要小，这说　一５２一　北　方　交　通　２０１４年第８期　身强度、成桩质量均随着加固深度的增加而降低。　４　结语　参考文献　［１］　付全成．水泥搅拌桩复合地基加固软基性状的试验研究［Ｄ］．　南京：河海大学，２００６．　水泥通过物理化学反应对软土进行加固，水泥　搅拌桩在复合地基中起到降低沉降、垫层、加筋的作　用；水泥搅拌桩桩身强度随着水泥掺入比的增大而　增强；水泥土强度形成过程与水泥类似，随着龄期的　龚晓南．深层搅拌法在我国的发展［Ａ］．龚晓南．深层搅拌法　设计、施工经验交流会论文集［ｃ］．北京：中国铁道出版社，　１９９３：１—９．　［３］　ＹＢＪ２２５—９ｌ，软土地基深层搅拌加固法技术规程［ｓ］．　增长呈幂指数增长方式，但固化时间比水泥长，而水　灰比对水泥土的强度影响较小。　［４］　刘刚．水泥搅拌桩加固非饱和土地基沉降特性研究［Ｄ］．成　都：西南交通大学，２０１１．　通过实体工程研究表明，泥搅拌桩桩身强度随　着加固深度的增加而增大；水泥搅拌桩桩身强度是　原软土强度的１０多倍，能够显著提高软土地基的强　李昭晖．水泥搅拌桩加固桥头软基试验研究［Ｄ］．西安：长安　大学，２００７．　赵俊刚．高速公路工程地质与特殊路基设计［Ｊ］．山西交通科　技，２００８（０３）：３８—４０．　度，对改善软体地基的承载性能具有显著作用。　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｅｍｅｎｔ　Ｍｉｘｉｎｇ　Ｐｉｌｅ　ｉｎ　Ｓｏｆｔ　Ｓｏｉｌ　Ｓｕｂｇｒａｄｅ　ＺＨＯＮＧ　Ｙｕｎ－ｉｆａｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｃｅｍｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ　ｓｏｆｔ　ｃｌａｙ　ｇｒｏｕｎｄ．Ｃｅｍｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｃａｎ　ｐｌａｙ　ａ　ｒｏｌｅ　ｏｆ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ，ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，　ｃｕｓｈｉｏｎ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｃｅｍｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｉｎ　ａ　ｗａｙ　ｏｆ　ｅｘｐｏｎｅｎｔ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｇｒｏｗｔｈ　ｏｆ　ａｇｅ，ｂｕｔ　ｌｅｓｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ—ｃｅｍｅｎｔ　ｒａｔｉｏ；Ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｗｏｒｋ　ｓｔｕｄｙ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｉｓ　ｎｅａｒｌｙ　１０　ｔｉｍｅｓ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ａｎｄ　ｉｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅｐｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｉｌｅ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｃｅｍｅｎｔ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｉｌｅ；Ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；Ｕｎｃｏｎｆｉｎｅｄ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　・・＋・・＋一＋　”——卜“＋－．—・卜”——卜”—・卜”——卜”—卜・　（上接第４８页）　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｉｓｐｏｓａｌ　Ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　Ｄａｎｇｅｒｏｕｓ　Ｓｅｃｔｉｏｎｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒｕｎｎｉｎｇ　Ｓｐｅｅｄ　ＷＡＮＧ　Ｍｉｎ，ＺＨＯＵ　ｒｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｃｏｒｒｉｄｏｒ　ｆｏｒ　ｎａｔｉｏｎａｌ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｌｉｎｅａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｃａｎｎｏｔ　ｂｅ　ｎｅｇｌｅｃｔｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｉｎｅａｒ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅ　ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ｆｕｔｕｒｅ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ，ｔｏ　ｉｎｄｅｎｔｉｆｙ　ｔｈｅ　ｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｏ　ｆｉｎｄ　ｏｕｔ　ｄａｎｇｅｒｏｕｓ　ｒｏａｄ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｏ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ；Ｌｉｎｅａｒ；Ｒｕｎｎｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ；Ｓａｆｅｔｙ