摘要：水泥搅拌桩加固技术在公路工程中主要应用于软基处理、基坑支护、基坑止水等分项工程。通过归纳及分析搅拌桩的强度特性，得出不同工况下的搅拌桩的设计参数选用原则，并对由搅拌桩发展而来的若干新工艺进行了阐述。
关键词：水泥土强度；设计参数；工程应用
引言
填方路堤建于软基路段时由于工后沉降不满足规范要求或者路堤滑动稳定性不足时须对软基进行加固处理；地下通道或者桥台结构物等须进行基坑开挖的工程可选择采用水泥搅拌桩重力式墙作为基坑支护手段，或者采用水泥搅拌桩作为基坑支护的止水帷幕。搅拌桩在上述三种情况中所承担的作用均不相同，因此其受力状况也不同，须分别针对不同的工况选用不同的桩身参数，使水泥搅拌桩在最经济的情况下发挥出最好的效果。
1各类参数对桩身强度的影响
1.1水泥掺入量
水泥土的无侧限抗压强度随着水泥掺入量的增大而增大。当aw<5%时，水泥与土的反应较弱，固化程度较低，水泥土强度离散性也较大，故在水泥土搅拌桩的实际施工中，水泥掺入量应不小于5%。经研究，当aw>5%时，增加水泥掺入量所引起的强度增长于不同龄期的规律是不同的，在O～90d龄期范围内，龄期越长则增量越大。经前人研究，水泥土的无侧限抗压强度与水泥掺入量呈幂函数关系，其关系式是:
式中qu1——水泥掺入量为aw1时的水泥土无侧限抗压强度；
qu2——水泥掺入量为aw2时的水泥土无侧限抗压强度；
上式成立的前提条件是aw=10%～20%。
1.2水泥标号
经研究表明水泥土的无侧限抗压强度随水泥标号的提高而提高，当水泥标号从PO32.5提高到PO42.5，则水泥土的无侧限抗压强度可以提高30%～50%。
1.3土层含水率
经大量实践及研究证明，水泥土的强度受所加固土层的含水率的影响甚大。水泥土的无侧限抗压强度随着土样的含水量的增加而迅速降低，当土样含水率增加50%时水泥土的强度约降低45%。
1.4龄期
众所周知水泥强度随着龄期的增长而增大，因此水泥土强度与龄期存在着同样的关系，水泥土在龄期超过28d后强度仍有明显的增加，当水泥掺入量为7%时，60d的抗压强度约为28d的1.4倍，当水泥掺入量为12%时，90d的抗压强度约为28d强度的1.6倍，当龄期超过三个月后，水泥土的强度增长才减缓。另外水泥掺入量越大，水泥土无侧限抗压强度提高的倍率也越大。
经大量研究表明:水泥土的无侧限抗压强度与龄期之间同样呈幂函数关系，其表达式为:
式中qu1——水泥掺入量为T1的水泥土无侧限抗压强度；
qu2——水泥掺入量为T2的水泥土无侧限抗压强度；
上式成立的前提条件是T=15～90d。
2水泥搅拌桩的应用原则
2.1水泥搅拌桩在软基处理加固中的应用
水泥搅拌桩用于减少沉降或增大地基承载力时受竖向作用力，水泥搅拌桩单桩竖向承载力可通过桩身强度进行计算，也可由桩侧及桩端摩阻力进行计算，最终确定的单桩承载力取二者计算结果中的较小值。由于水泥土强度有限，当水泥土强度为2MPa时，一根直径500mm的搅拌桩，其单桩承载力特征值仅为120kN左右，因此水泥搅拌桩单桩承载力一般由桩身强度控制。因此根据单桩承载力的大小调整影响桩身强度的关键因素（水泥掺入量、水泥标号）是水泥搅拌桩处理成败的关键。
须注意的是：计算竖向承载力时，水泥搅拌桩桩身强度并非取28d抗压强度，而是按90d抗压强度计算，一般情况下有如下规律：q90=1.43~1.8q28。
2.2水泥搅拌桩在基坑支护中的应用
基坑开挖采用水泥土搅拌墙支护时，一般采用桩与桩互相咬合的格栅式水泥土搅拌墙的形式。桩身受水平荷载作用，水泥土标准养护龄期为90d，基坑工程一般不可能等到90d养护期后再开挖，故与地基处理时不同的是，水泥搅拌桩在基坑支护中以龄期28d的无侧限抗压强度为标准。
根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012，水泥土墙体的28d无侧限抗压强度不宜小于0.8MPa。根据上述，水泥掺入量、水泥标号等参数对水泥土强度的影响甚大，因此须根据工程实际情况，通过调整水泥掺入量、水泥标号使水泥搅拌桩28d抗压强度达到设计要求，切不可整个工程不管加固土层是否相同均采取同一个参数指标。
2.3水泥搅拌桩在止水帷幕中的应用
水泥搅拌桩也常用于基坑工程中的止水帷，搅拌桩作为止水帷幕使用时不对其受力特性做特别要求，因此其关键控制因素并非桩身强度。
为了达到止水效果，搅拌桩处理后的土层渗透系数须得到大幅降低，因此水泥掺入量及止水帷幕厚度须根据具体工程提出相应的要求。根据《建筑基坑支护技术规程》，搅拌桩直径宜取500mm～800mm，其搭接宽度应符合《规程》中的相关规定。
3新工艺
3.1钉型水泥土双向搅拌桩
在水泥土搅拌桩成桩过程中，由动力系统分别带动安装在同心钻杆上的内、外两组搅拌叶片同时正、反向旋转搅拌，通过搅拌叶片的伸缩使桩身上部截面扩大而形成的类似钉子形状的水泥土搅拌桩称为钉型水泥土双向搅拌桩。
钉型水泥土双向搅拌桩复合地基技术是东南大学岩土工程研究所经过多年研究开发的地基处理新技术，并获得了国家发明专利。该技术已广泛应用于高速公路和市政工程，其科学性、先进性和经济性已在工程中得到证明。
3.2多向搅拌桩
多向搅拌桩是对水泥土搅拌桩的施工工艺技术进行创新对设备进行改进，充分利用现有大扭矩成桩机械，同时带动同心多轴钻杆正反向旋转，保证水泥砂浆在桩体中均匀分布和充分搅拌均匀，确保成桩质量和大幅提高桩身强度的施工方法。
由于改进了大扭矩成桩机械，使得有效加固深度增加；通过同时带动同心轴钻杆正反向旋转，保证了桩体搅拌均匀，使桩体质量显著提高。
3.3大直径刚柔复合桩
相对刚性桩而言水泥土搅拌桩桩身强度偏低，加固深度有限，限制了其发展前景。目前国内高速铁路、公路、市政工程建设发展很快，由于对变形、桩身强度要求高，软基处理中需采用CFG桩、预制管桩、灌注桩等刚性桩处理，从刚性桩的破坏模式分析其桩身材料强度的很大部分尚未发挥时，桩周土已经达到极限承载力，造成桩身材料的浪费。在此基础上，武汉谦诚研发了大直径搅拌桩和内芯刚性桩同一机械成桩的新工艺，可实现搅拌桩与芯桩作业同步进行施工。其中，芯桩可采用PHC管桩、预制方桩或异形结构桩等。可提高同比条件下的桩体承载力，大幅度降低工程造价、减少环境污染。
结束语
根据已有研究得到的水泥土强度与水泥掺入量、水泥标号、土层含水率以及龄期的关系式可更加合理的针对不同工况下的水泥搅拌桩采取不同的参数指标，从而使传统水泥土搅拌桩的施工质量及经济性得到最好的协调。
钉型水泥土双向搅拌桩、多向搅拌桩、大直径刚柔复合桩等从传统搅拌桩发展起来的新工艺吸收了搅拌桩的优点，同时通过对施工机械及施工工艺的改进规避了搅拌桩施工长度短、桩身强度低的缺点，使水泥土搅拌桩得到了更广泛的运用。
参考文献
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论文作者:张尤其
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
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