论文部分内容阅读
摘要：通过对水泥土搅拌桩施工工艺的分析，对其抗液化机理进行了阐述，认为在采用水泥土搅拌法提高地基承载力的同时可降低其液化势，改善桩周土的抗液化性能，为可液化地基的处理提供借鉴参考。
关键词：水泥土搅拌法加固液化探讨
1、引言
饱和砂土地震液化已引起岩土工程界的普遍关注，并针对液化出现了多种地基处理工法，如换填、挤密、强夯、加入固化剂、桩基、设置地下维护墙等，上述工法发展到现代，其理论基础、施工机械和施工工艺已经较为成熟，是有效的、可行的。
由于对震动与噪声的限制，振冲桩和碎石桩在城市的应用已受到到限制，在密集的居民区甚至不能应用。能否采用现有成熟工法对可液化地基进行处理，又不对周围环境造成影响呢？水泥土搅拌法这一成熟的工法逐渐进入了人们的视线。
2.水泥土搅拌法简述
水泥土搅拌法(Cement Deep Mixing Method)是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，形成具有一定强度的桩体，与桩间土构成复合地基，与适当厚度的褥垫层一起承担上部结构的荷载，从而提高地基强度和增大变形模量。
水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为深层搅拌法（湿法）和粉体喷搅法（干法）两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉和地基土搅拌。
2．1施工工艺
湿法与干法的成桩工艺一般为：（1）桩机就位,调整至水平状态；（2）钻进至设计加固深度；（3）喷（浆）灰提升搅拌至预定的停浆面；（4）重复搅拌下沉至预定加固深度（5）喷浆（灰）或仅搅拌提升至预定的停浆（灰）面；（6）关闭搅拌机械，重复上述步骤。
湿法成桩时，依靠搅拌头的旋转搅拌，将地基土搅碎，同时将水泥浆液注入土的裂隙和孔隙中，浆液与加固土经过一些列物理—化学反应形成具有一定强度的水泥土；湿法需要向地基中注入水分，加大了桩体的含水量，因此形成的水泥土桩早期强度低，后期强度较高。对易于搅拌的土体如砂土、粉土等成桩质量较好，对于粘粒含量较高的粉质粘土、粘土等加固效果不理想。湿法成桩可以保证桩体的掺入比，就整个桩体截面来看，桩体强度较为均匀,但是在成桩过程中易出现灰浆上涌和地面隆起的现象。
干法成桩是在地基中输入粉体加固材料（水泥粉），通过搅拌机械与原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生反应，在稳定地基土的同时提高其强度。由于干法采用粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分吸收周围软土中的水分，因此加固后地基的初期强度高，对含水量高的软土，加固效果尤为明显。干法成桩采用空压机做为送灰的动力，因此对桩周土的扰动及桩体强度影响较大，当桩周土含水量较大时易出现局部桩体下沉现象。一般来说桩体含灰量不均匀，即强度不均匀，桩体由一系列水泥薄层同心圆构成，桩心存在喷灰盲区，盲区随深度加大逐渐趋于减弱。自桩心向外，桩体强度逐渐增高；自桩底向上桩体强度逐渐增高。
2．2抗液化机理浅析
2.2.1 由于水泥土搅拌桩桩体的刚度远大于桩间土体，地震荷载将改变地基的初始应力状态和刚度，易在桩体上产生应力集中现象，此时大部分荷载由桩体承担，桩间土应力相对减少。当水泥土桩和桩间土一起变形时，地震剪应力会在刚度相对较大的桩体上集中，从而减小了作用在桩间土上的剪应力。
2.2.2 桩体的存在对于桩间土其着侧向限制、约束作用，阻止桩间土的侧向变形并提高其强度。该作用在实践中不易定量评估，只能作为概念性设计。
2.2.3 水泥土搅拌桩尤其是干法成桩,可以在一定程度上改善桩周土的工程特性（特别是砂土和粉土），从而改变液化地基中的应力—应变条件，提高地基土体的抗剪强度。具体表现在以下几方面：
（1）预震效应：在干法成桩的过程中，由于在搅拌头的喷灰孔喷出的是空气与水泥的混合物，在将水泥喷入土中的同时产生两种效果：其一是使得桩体内的土进一步散乱，其二对桩周土产生气蚀作用。前一种作用有利于土和水泥的进一步结合，充分发挥水泥的加固效果；后一种作用对桩周土产生震动效果，相当于在桩周土中产生了一次小的地震，迫使其发生液化，土颗粒重新排列，孔隙水在壓力作用下寻找排泄通道。
（2）桩周裂隙产生的排水效应：在一定条件下，如上部土的压力较大或粘粒含量较高时，干法施工时产生的气体不能全部通过钻杆排出，就会在桩体周围形成径向的裂隙，一般自桩周向外3～4条，长0.5m左右，甚至可达已经施工的桩体边缘。当土层含水量较大时可见到气体和水排出。这种裂隙无疑起到了排水通道的作用，桩周土体由于震动所产生的超孔隙水压力将迫使孔隙水从裂隙中排出，从而加速土颗粒的重新分部，促进桩周土的固结。该现象在桩体施工结束后基本消失。
（3） 挤密产生的桩周土体超孔隙水压力升高效应：干法成桩在现场的施工过程中对土结构的破坏作用和土中加入了水泥而体积膨胀，在搅拌头提升时对桩身产生垂直反向压缩，使桩身水泥土密实，这一过程会对桩周土体产生轻微测向压力，再加上气蚀作用，使得桩周土中孔隙水压力急剧上升，使得孔隙水在搅拌提升时向桩周以外移动，或从桩周裂隙中排出，或在施工完成后向桩体内转移，从而减少了桩间土的含水量，加速其固结。在开挖检验中，桩周土与次外层土有较为明显的分界线，显示经受明显压缩作用，作用范围距桩周外2～5cm。
（4） 吸水产生的周边土体固结效应：干法成桩的桩体由于水泥粉的水化作用引起水分的减少，造成桩体内外含水量的不一致，刚施工完的桩体就像海绵一样具有吸水作用，其效果随着桩体强度的提高逐渐变小，直至消失，作用时间约72小时（3昼夜）。
笔者曾发现过如下现象：某工地地下水位较高，场地东约5米有一个小水坑，可以见到积水。干法成桩钻机自西向东，随着施工进程，水坑中的积水逐渐减少直至不见，说明了施工完的桩对桩周水分具有明显的吸收作用。
（5）桩的排水效应：刚刚施工完的桩体由于强度和渗透性都不高，因此将是一个良好的排水通道，可以缩短渗透路径，改善排水条件，就像刚施工完的CFG桩具有的排水作用一样。这种现象主要发生在干法成桩过程中，在成桩初期较为明显，超过48个小时后就基本停止了。
干法施工产生的上述作用根据场地条件的不同，既可能单独存在，也可能几种作用同时存在，总之都会在一定程度上改变桩周土的形状，提高其抗液化能力。
3.工程实例
3．1 国外实例
1995年大地震时，日本神户的绝大部分建筑都遭受到了毁灭性的破坏，但是有一座在建的建筑物却完好无损。该建筑物为14层旅社，高60米，地基中液化填土厚约12米，采用桩基，为了防止液化后桩基失效，在桩周围布置了水泥土隔栅。对于较为重要的受力地段，每根桩均有围封，次要的地段则数根桩围于一个隔栅内。大地震时，该建筑邻近的护岸结构发生倾斜和位移，但该建筑物无损。分析其主要原因，是由于建筑物的砼桩周围，采用格栅状的水泥土桩处理了液化地基，提高了砼桩周围的侧向阻力。地震后的开挖结果显示：水泥土加固区内没有任何液化的痕迹。
一般经验认为，设置水泥土格栅的间距不超过液化土层厚度的0.8倍为宜。
3．2 国内经验
河南新乡某住宅小区一幢6层住宅楼，采用干法成桩，处理前后资料如表1。
表1可以看出，干法成桩处理前场地液
化等级为中等—严重，处理后为轻微液化场
地。干法成桩可有效地降低土层的液化指数，即有明显的抗震效果。它的处理效果是在“不经意”之间产生的，如果能有意地改进施工工艺，其处理效果会更好。
邯郸市某办公楼，位于市区东部高开区内，上部土层属于典型的新近沉粉土，地下水位埋深约1.0.米。根据岩土工程勘察报告描述：土的含水量大，孔隙比大，压缩性较高，结构性较强，土层相变较频繁。天然地基承载力不满足设计有求，且上部土层有轻微——中等液化。对于上述情况，经有关各方讨论分析，决定采用干法成桩，设计采用9米的桩长和1.5D的桩间距，桩端深入下部稳定土层适当深度，兼顾提高承载力和消除液化两种效果，在施工中采取延长攪拌时间和增加搅拌次数等措施。工后经开挖验视，场地内地下水位大幅下降，基槽可以干场作业，无需再降水.经检测，复合地基承载力满足设计要求，桩间土的液化指数降为5以下，仅局部存在轻微液化，本次加固取得了较为理想的结果。
3．3实例分析
上述三个实例可以看出，干法和湿法的加固可液地基的机理是不同的。湿法主要由于桩体和桩间土的刚度差异，以及桩体对桩间土的侧向制约作用；而干法的加固机理除了上述两点以外，其工法的特殊性对提高土体的抗液化能力是不可忽视的。
采用湿法加固可液化地基时，应将搅拌桩搭接成格栅形式，净距不大于0.8倍可液化土层的厚度，在重点受力部位还应单独维护。干法成桩时，桩对周土的影响范围一般为2～3倍桩径，其中以1倍桩径左右影响最大。因此干法施工应采用合理的桩径和桩距，并在施工前进行针对性的试验，验证施工方法和参数的可行性。必要时干法施工也可以采用格栅形式。
4 结语
目前，对于水泥土搅拌桩处理可液化地基的设计仍然处于一个经验性的阶段，对于其设计理论、分析、计算、论证工作还只是摸索，设计往往带有相当的盲目性。因此，还需要在今后的工作中加强试验研究和现场实际验证，积累资料成果，指导工程实践，达到修正和完善现有水泥土桩的设计、施工方法和现场检测手段的目的。
当条件具备时，开展水泥土搅拌桩复合地基的动力特性及其与上部建筑结构在地震荷载作用下的共同作用的研究，将对于指导该工法的普及推广具有重要的理论意义和实用价值。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：水泥土搅拌法加固液化探讨
1、引言
饱和砂土地震液化已引起岩土工程界的普遍关注，并针对液化出现了多种地基处理工法，如换填、挤密、强夯、加入固化剂、桩基、设置地下维护墙等，上述工法发展到现代，其理论基础、施工机械和施工工艺已经较为成熟，是有效的、可行的。
由于对震动与噪声的限制，振冲桩和碎石桩在城市的应用已受到到限制，在密集的居民区甚至不能应用。能否采用现有成熟工法对可液化地基进行处理，又不对周围环境造成影响呢？水泥土搅拌法这一成熟的工法逐渐进入了人们的视线。
2.水泥土搅拌法简述
水泥土搅拌法(Cement Deep Mixing Method)是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂(浆液或粉体）强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理-化学反应，形成具有一定强度的桩体，与桩间土构成复合地基，与适当厚度的褥垫层一起承担上部结构的荷载，从而提高地基强度和增大变形模量。
水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
根据施工方法的不同，水泥土搅拌法分为深层搅拌法（湿法）和粉体喷搅法（干法）两种。前者是用水泥浆和地基土搅拌，后者是用水泥粉和地基土搅拌。
2．1施工工艺
湿法与干法的成桩工艺一般为：（1）桩机就位,调整至水平状态；（2）钻进至设计加固深度；（3）喷（浆）灰提升搅拌至预定的停浆面；（4）重复搅拌下沉至预定加固深度（5）喷浆（灰）或仅搅拌提升至预定的停浆（灰）面；（6）关闭搅拌机械，重复上述步骤。
湿法成桩时，依靠搅拌头的旋转搅拌，将地基土搅碎，同时将水泥浆液注入土的裂隙和孔隙中，浆液与加固土经过一些列物理—化学反应形成具有一定强度的水泥土；湿法需要向地基中注入水分，加大了桩体的含水量，因此形成的水泥土桩早期强度低，后期强度较高。对易于搅拌的土体如砂土、粉土等成桩质量较好，对于粘粒含量较高的粉质粘土、粘土等加固效果不理想。湿法成桩可以保证桩体的掺入比，就整个桩体截面来看，桩体强度较为均匀,但是在成桩过程中易出现灰浆上涌和地面隆起的现象。
干法成桩是在地基中输入粉体加固材料（水泥粉），通过搅拌机械与原位地基土强制性搅拌混合，使地基土和加固材料发生反应，在稳定地基土的同时提高其强度。由于干法采用粉体作为固化剂，不再向地基中注入附加水分，反而能充分吸收周围软土中的水分，因此加固后地基的初期强度高，对含水量高的软土，加固效果尤为明显。干法成桩采用空压机做为送灰的动力，因此对桩周土的扰动及桩体强度影响较大，当桩周土含水量较大时易出现局部桩体下沉现象。一般来说桩体含灰量不均匀，即强度不均匀，桩体由一系列水泥薄层同心圆构成，桩心存在喷灰盲区，盲区随深度加大逐渐趋于减弱。自桩心向外，桩体强度逐渐增高；自桩底向上桩体强度逐渐增高。
2．2抗液化机理浅析
2.2.1 由于水泥土搅拌桩桩体的刚度远大于桩间土体，地震荷载将改变地基的初始应力状态和刚度，易在桩体上产生应力集中现象，此时大部分荷载由桩体承担，桩间土应力相对减少。当水泥土桩和桩间土一起变形时，地震剪应力会在刚度相对较大的桩体上集中，从而减小了作用在桩间土上的剪应力。
2.2.2 桩体的存在对于桩间土其着侧向限制、约束作用，阻止桩间土的侧向变形并提高其强度。该作用在实践中不易定量评估，只能作为概念性设计。
2.2.3 水泥土搅拌桩尤其是干法成桩,可以在一定程度上改善桩周土的工程特性（特别是砂土和粉土），从而改变液化地基中的应力—应变条件，提高地基土体的抗剪强度。具体表现在以下几方面：
（1）预震效应：在干法成桩的过程中，由于在搅拌头的喷灰孔喷出的是空气与水泥的混合物，在将水泥喷入土中的同时产生两种效果：其一是使得桩体内的土进一步散乱，其二对桩周土产生气蚀作用。前一种作用有利于土和水泥的进一步结合，充分发挥水泥的加固效果；后一种作用对桩周土产生震动效果，相当于在桩周土中产生了一次小的地震，迫使其发生液化，土颗粒重新排列，孔隙水在壓力作用下寻找排泄通道。
（2）桩周裂隙产生的排水效应：在一定条件下，如上部土的压力较大或粘粒含量较高时，干法施工时产生的气体不能全部通过钻杆排出，就会在桩体周围形成径向的裂隙，一般自桩周向外3～4条，长0.5m左右，甚至可达已经施工的桩体边缘。当土层含水量较大时可见到气体和水排出。这种裂隙无疑起到了排水通道的作用，桩周土体由于震动所产生的超孔隙水压力将迫使孔隙水从裂隙中排出，从而加速土颗粒的重新分部，促进桩周土的固结。该现象在桩体施工结束后基本消失。
（3） 挤密产生的桩周土体超孔隙水压力升高效应：干法成桩在现场的施工过程中对土结构的破坏作用和土中加入了水泥而体积膨胀，在搅拌头提升时对桩身产生垂直反向压缩，使桩身水泥土密实，这一过程会对桩周土体产生轻微测向压力，再加上气蚀作用，使得桩周土中孔隙水压力急剧上升，使得孔隙水在搅拌提升时向桩周以外移动，或从桩周裂隙中排出，或在施工完成后向桩体内转移，从而减少了桩间土的含水量，加速其固结。在开挖检验中，桩周土与次外层土有较为明显的分界线，显示经受明显压缩作用，作用范围距桩周外2～5cm。
（4） 吸水产生的周边土体固结效应：干法成桩的桩体由于水泥粉的水化作用引起水分的减少，造成桩体内外含水量的不一致，刚施工完的桩体就像海绵一样具有吸水作用，其效果随着桩体强度的提高逐渐变小，直至消失，作用时间约72小时（3昼夜）。
笔者曾发现过如下现象：某工地地下水位较高，场地东约5米有一个小水坑，可以见到积水。干法成桩钻机自西向东，随着施工进程，水坑中的积水逐渐减少直至不见，说明了施工完的桩对桩周水分具有明显的吸收作用。
（5）桩的排水效应：刚刚施工完的桩体由于强度和渗透性都不高，因此将是一个良好的排水通道，可以缩短渗透路径，改善排水条件，就像刚施工完的CFG桩具有的排水作用一样。这种现象主要发生在干法成桩过程中，在成桩初期较为明显，超过48个小时后就基本停止了。
干法施工产生的上述作用根据场地条件的不同，既可能单独存在，也可能几种作用同时存在，总之都会在一定程度上改变桩周土的形状，提高其抗液化能力。
3.工程实例
3．1 国外实例
1995年大地震时，日本神户的绝大部分建筑都遭受到了毁灭性的破坏，但是有一座在建的建筑物却完好无损。该建筑物为14层旅社，高60米，地基中液化填土厚约12米，采用桩基，为了防止液化后桩基失效，在桩周围布置了水泥土隔栅。对于较为重要的受力地段，每根桩均有围封，次要的地段则数根桩围于一个隔栅内。大地震时，该建筑邻近的护岸结构发生倾斜和位移，但该建筑物无损。分析其主要原因，是由于建筑物的砼桩周围，采用格栅状的水泥土桩处理了液化地基，提高了砼桩周围的侧向阻力。地震后的开挖结果显示：水泥土加固区内没有任何液化的痕迹。
一般经验认为，设置水泥土格栅的间距不超过液化土层厚度的0.8倍为宜。
3．2 国内经验
河南新乡某住宅小区一幢6层住宅楼，采用干法成桩，处理前后资料如表1。
表1可以看出，干法成桩处理前场地液
化等级为中等—严重，处理后为轻微液化场
地。干法成桩可有效地降低土层的液化指数，即有明显的抗震效果。它的处理效果是在“不经意”之间产生的，如果能有意地改进施工工艺，其处理效果会更好。
邯郸市某办公楼，位于市区东部高开区内，上部土层属于典型的新近沉粉土，地下水位埋深约1.0.米。根据岩土工程勘察报告描述：土的含水量大，孔隙比大，压缩性较高，结构性较强，土层相变较频繁。天然地基承载力不满足设计有求，且上部土层有轻微——中等液化。对于上述情况，经有关各方讨论分析，决定采用干法成桩，设计采用9米的桩长和1.5D的桩间距，桩端深入下部稳定土层适当深度，兼顾提高承载力和消除液化两种效果，在施工中采取延长攪拌时间和增加搅拌次数等措施。工后经开挖验视，场地内地下水位大幅下降，基槽可以干场作业，无需再降水.经检测，复合地基承载力满足设计要求，桩间土的液化指数降为5以下，仅局部存在轻微液化，本次加固取得了较为理想的结果。
3．3实例分析
上述三个实例可以看出，干法和湿法的加固可液地基的机理是不同的。湿法主要由于桩体和桩间土的刚度差异，以及桩体对桩间土的侧向制约作用；而干法的加固机理除了上述两点以外，其工法的特殊性对提高土体的抗液化能力是不可忽视的。
采用湿法加固可液化地基时，应将搅拌桩搭接成格栅形式，净距不大于0.8倍可液化土层的厚度，在重点受力部位还应单独维护。干法成桩时，桩对周土的影响范围一般为2～3倍桩径，其中以1倍桩径左右影响最大。因此干法施工应采用合理的桩径和桩距，并在施工前进行针对性的试验，验证施工方法和参数的可行性。必要时干法施工也可以采用格栅形式。
4 结语
目前，对于水泥土搅拌桩处理可液化地基的设计仍然处于一个经验性的阶段，对于其设计理论、分析、计算、论证工作还只是摸索，设计往往带有相当的盲目性。因此，还需要在今后的工作中加强试验研究和现场实际验证，积累资料成果，指导工程实践，达到修正和完善现有水泥土桩的设计、施工方法和现场检测手段的目的。
当条件具备时，开展水泥土搅拌桩复合地基的动力特性及其与上部建筑结构在地震荷载作用下的共同作用的研究，将对于指导该工法的普及推广具有重要的理论意义和实用价值。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。