搅拌桩的压缩模量

A. 水泥搅拌桩为什么不适用于欠固结淤泥

水泥搅拌桩处理深厚淤泥设计时应考虑未完成自重固结的素填土和欠固结淤泥的负摩阻力作用。以往对负摩阻力的认识不足，造成一些项目处理后沉降仍较大。在计算单桩承载力时，未完成自重固结的素填土和欠固结淤泥层应考虑其负摩阻力作用。且桩端宜进入相对硬层。

由于淤泥性质比较差，为了保证桩身的强度，水泥含量不宜太少，根据近些年室内立方体无侧限抗压强度试验和试桩检测结果，对于竖向承载的搅拌桩，水泥含量宜≥18%。沉降计算时，复合地基压缩模量若按照规范取值往往偏高，偏不安全，压缩模量应根据大量的检测资料分析统计确定。

桩顶上覆土厚度应满足形成土拱的条件，使上部填土和使用荷载大部分分配到桩体上，形成桩体受力大，桩间土受力小的受力状态，从而协调变形。当填土厚度不能满足时，应采用较硬的碎石垫层+土工格栅的措施调节受力状态。

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水泥搅拌桩作用原理

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已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。

B. 水泥喷粉深层搅拌桩沉桩问题分析及处理论文

水泥喷粉深层搅拌桩沉桩问题分析及处理论文

摘要：深层搅拌桩进行地基加固有喷粉和喷浆两种施工方法，设计人员在地基天然含水量大于60％的情况下，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法。而在天然地基含水量大的情况下采用喷粉法施工，由于流塑状淤泥在喷粉施工时风压气流的作用下，在搅拌过程中因受扰动发生液化，强度来不及形成，造成沉桩。通过施工现场试验，证明改用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的，工程造价变化不大，是可行的。

关键词：路基工程 深层搅拌桩 沉桩 喷浆法

一、前言：

深层搅拌桩经过近二十年的发展，由于施工技术和施工机械的成熟已经被广泛地用于软土地基加固、边坡支护、基坑及堤坝防渗等方面。深层搅拌桩可以增加软土地基的承载力，减少沉降量，提高边坡的稳定性，以及具有快速、经济、有效等特点，而被应用在公路桥头软土地基上，以加快公路的施工进度，消除或缓解桥头跳车等问题。其施工方法分为喷粉和喷浆两种方法。设计人员在地基天然含水量大于60％的情况下，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法。由于地质条件千变万化，其中若存在淤泥含水量过大，采用喷粉法则可能出现沉桩问题。以下通过对采用喷粉法出现沉桩工程问题分析及提出处理方法与同行探讨。

二、工程实例

1、工程简况

某高等级公路在K9+753~K10+836桥头186m采用水泥喷粉桩处理，水泥喷粉桩按正三角形布置，桩径采用50cm，桩距1.5m，平均桩长10m，水泥掺入比15%，即每延米50kg水泥，标号425#。施工单位在施工配套设备进行标定、试桩方案经过监理单位和业主单位同意的情况下采用喷粉法进行试桩试验，共试59根，其中的21根桩发生沉桩，沉桩深度一般为1.1m~4.5m不等。

2、沉桩原因分析

水泥深层搅拌桩加固机理是通过水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体。因此，可从地质、施工工艺两方面来分析沉桩原因。

地质方面，由于各地质层土质的差异而产生水泥加固土的效果不同，一般认为含有高岭石、多水高岭石、蒙脱石等粘土矿物的软土加固效果较好，而含有伊里石、氯化物和水铝英石等矿物的粘性土以及有机质含量高、酸碱度（PH值）较低的粘性土加固效果较差。各地质层的含水量的不同，也是引起水泥和土一系列化学反应而形成强度的速度不同的原因。

施工工艺方面，水泥与土搅拌不均匀，甚至水泥与土无法混合。这与施工机械的各施工参数有关，如钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等有关。必须通过试验桩根据不同地质层、不同土质、不同土压力找到合适的施工参数，加以严格控制，使桩体均匀，防止缩颈、断颈等现象。

1）地质方面

在第一次试桩的一排7根桩中，靠路线前进方向右侧有4根桩沉桩。在试桩后第七天对其中两根进行抽芯检测，发现桩体上均有两段水泥明显不凝固。在试桩后第十天对发生沉桩的地质进行补勘，具体地层由上至下为：

①填砂：河砂，层厚为0.5m.

②粉质粘土：灰黄、灰褐色，可塑，稍湿～湿，随深度增加渐变为软塑状，层厚为1.2m。

③淤泥：深灰、灰黑色，软塑～流塑，饱和，粘性强，滑腻，岩性均一，底部0.5m含腐殖物，层厚为6.0m。

④淤泥质粘土：灰、青灰色，软塑，饱和，粘性较强，均匀，层厚为1.8m。

⑤淤泥夹砂：灰、青灰色，软塑，含较多中粗砂，含量在30%～50%，松散状，层厚为1.5m。

⑥砂层：浅灰色，稍密～中密，饱和，以粗砂为主，含粘性土，级配良好，层厚为1.9m。

⑦粉质粘土夹砂：灰黄、棕黄色，软塑，湿，含量在20%～50%，岩性不均，层厚为2.6m。

⑧砂层：以中粗砂为主，灰白、灰黄色，中密，饱和，含粘性土，级配良好，层厚为0.3m。

软土物理力学指标很差，淤泥平均含水量为90%，天然孔隙比2.51，直快剪C=6.79Kpa，φ=7.36。

从以上地质补勘分析，主要有以下原因：

（1）由于该段淤泥含水量为90%，而喷粉（50～60kg/m）后水泥在桩体内吸水是有限的，参照相近项目试验结果可知，短期内水泥加固土含水量减少量低于水泥掺入比，也就是该段淤泥经水泥加固土的含水量仍为75%以上，搅拌时的土和水泥还是处于流塑～软塑状，压缩模量小，抗剪强度低；喷50～60kg/m水泥9m后增加4500~5400KN自重力。处于流塑～软塑状水泥加固土压缩模量小，自身自重引起桩压缩量就大；水泥加固土抗剪强度低自身自重引起侧向挤出量大；

（2）桩身周围土受扰动土体下沉后，土对桩侧表面产生向下的负摩阻力。当土和水泥还是处于流塑～软塑状、压缩模量小、抗剪强度低时，在负摩阻力的作用下发生沉桩。

（3）该段淤泥的灵敏度大，灵敏度是原状试样的无侧限抗压强度与相同含水量重塑试样的无侧限抗压强度之比。从试桩现场，试桩桩位砂垫层表面挤压出来的`淤泥很稀，表明其重塑后强度很低，灵敏性高。

（4）喷粉在桩体内吸水，引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生下沉，短时间增加对桩体的负摩阻力，而此时水泥加固土的强度很低且增长慢。

总的来说，是在喷粉初期，水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。

2）施工工艺方面

在施工工艺方面，针对沉桩问题，结合地质情况较差的实际，在施工工艺上找沉桩的原因。试桩时各施工参数（钻进速度、钻头转速、提升速度、喷粉压、水泥用量等）作了有效控制。在第二次试桩52根桩中，采用不同钻进速度、不同钻头转速、不同提升速度、不同喷粉压、不同水泥用量进行严格控制。试桩中虽然采用加大喷粉量至75kg/m,仍未解决沉桩问题。

察看试桩现场，试桩桩位砂垫层表面存在大量淤泥，据分析软塑～流塑状淤泥是在喷粉施工时风压气流的作用下，搅拌过程中因受扰动发生液化，液化的淤泥上涌至地表面，造成桩体范围内淤泥质的减少而沉桩。

增加喷粉量解决不了沉桩问题的原因在于：

（1）增加喷粉量即增加桩体自重力；

（2）增加喷粉量导致喷粉在桩体内吸水量增加，引起桩体周围土体孔隙压力消散加快、产生下沉，短时间对桩体的负摩阻力增大，因增加喷粉量水泥加固土的强度提高不显着，在喷粉初期，水泥加固土的强度仍承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。

3、处理方法

通过以上分析，沉桩是由于在喷粉初期，土体受扰动，水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩。改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工可以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力发生沉桩问题。主要原因：

（1）早强剂可以使水泥加固土的强度迅速提高，而早强剂在水泥浆中搅拌可以较均匀；

（2）水泥浆液注入土体发生水泥的水解和水化反应、水泥水化物与土颗粒之间的离子交换和团粒化作用、凝硬作用、碳酸化作用等一系列化学反应而成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土桩体时，浆液本身存在足够水，不需吸收天然地基的水，并未引起桩体周围土体孔隙压力消散、产生对桩体的负摩阻力。

因此，改用喷浆法施工并在水泥浆液中加入适量的早强剂，以解决喷粉法施工成桩初期水泥加固土的强度承受不了水泥加固土的自重力和负摩阻力的作用而发生沉桩的问题。

喷浆施工参数：

成桩直径： 50㎝

钻进速度： 控制在2～3档（30～50cm/min）

电流表读数： 进入持力层I≥60A

桩底持续喷浆搅拌时间： ≥30s

提升喷浆速度： ≤30cm/min

喷浆压力： 0.6～1.0Mpa

水泥浆水灰比： 0.5

早强剂掺量（水泥掺比）： 0.8%

水泥浆搅拌时间： ≥30min（每拌）

喷浆搅拌桩施工工艺按中华人民共和国交通部发布《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》JTJ017-96关于加固土桩技术规范进行。全部穿过淤泥进入持力层50㎝。

以上施工参数进行现场试桩，试桩七天后进行桩体抽芯检测，从桩体抽芯结果来看，成桩连续性与完整性均较好，无沉桩问题。由业主组织设计单位、监理单位和施工单位召开软基处理技术专题会议，决定K9+753~K10+836桥头186m原采用喷粉法施工搅拌桩改为喷浆法施工，原合同单价不变。该段在改用喷浆法施工后，无出现沉桩问题，证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的。工程造价变化不大，经济上是可行的。

三、结语

在高含水量软基中采用深层搅拌桩处理，从降低地基含水量考虑，常常选用喷粉法施工。而当采用喷粉法出现沉桩问题时，改用在水泥浆液中加入适量的早强剂喷浆法施工来解决沉桩问题。经实践证明采用喷浆法施工的搅拌桩解决沉桩问题是有效的、经济上是可行的。

C. 水泥土搅拌桩一般抗压强度 抗剪强度 弹性模量 重度 分别取多少

水泥土的抗剪强度：水泥土的抗剪强度随抗压强度的增加而提高。当Fcu = 0.30~4.0MPa时，其粘聚力C = 0.10~1.0MPa，一般约为Fcu = 的（20~30）%，其内摩擦角变化在20~30度之间。

水泥土在三轴剪切试验中受剪破坏时，试件有清楚而平整的剪切面，剪切面与最大主应力面夹角约60度。

根据试验结果的回归分析，得到水泥土的粘聚力C与其无侧限抗压强度Fcu大致呈幂函数关系，其式如下：C = 0.2813 * (Fcu^0.7078)。该式成立的条件是：Fcu = 0.3~1.3MPa。

水泥土的压缩模量：当垂直应力达50%无侧限抗压强度时，水泥土的应力与应变的比值称为水泥土的变形模量E50 。当Fcu = 0.1~3.5MPa，时，E50 = 10~550MPa，根据试验结果的线性回归分析，得到：E50 = 126Fcu

D. 搅拌桩水泥土弹性模量

按《建筑地基处理技术规范》11。2。9条的11.2.9-2,水泥土搅拌桩压缩模量为（100-120）fcu，假如fcu取1.2MPa，那么算出来搅拌桩压缩模量为120-240MPa。弹性模量可取压缩模量的3-5倍