中交第三航务工程勘察设计院有限公司 上海 200032
摘要：水泥搅拌桩加固能有效改善软弱地基的承载力、渗透性及强度指标。目前水泥搅拌桩加固土的研究主要集中在复合地基的竖向承载力和沉降计算方面，对整体稳定分析的强度指标研究较少，本文总结了两种水泥搅拌桩加固后的软弱地基等效强度指标的计算方法，并通过算例对两种方法进行分析研究，提出其中较为合理的计算方法，并提出新的计算方法，供读者参考。
关键词：软弱地基；水泥搅拌桩；整体稳定；等效强度计算
Abstract：Cement mixing pile reinforcement can effectively improve the bearing capacity, permeability and strength index of weak foundation. At present, the research on cement mixing pile composite foundation mainly focuses on the vertical bearing capacity and settlement calculation of composite foundation. There are few researches on the strength index of the overall stability analysis. This paper summarizes two kinds of calculation methods of the equivalent strength index of the weak foundation strengthened by cement mixing pile, and analyzes the two methods through the example, proposes a more reasonable calculation method for readers' reference.
Keywords：weak foundation；cement mixing pile；overall stability；equivalent strength index calculation
软土在我国分布非常广泛，软土具有强度低、孔隙率大、含水量高、高压缩性和低渗透性等特性[2]。水泥搅拌桩加固在水利工程及市政道路工程的软弱地基处理中占据重要的位置。水泥搅拌桩是一种利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械将软土和固化剂充分搅拌后形成的强度提升的具有整体性的水泥加固土。水泥搅拌桩加固土的强度增长过程较缓且受原状土体的物理化学性质影响较大。水泥搅拌桩加固土的物理化学反应过程主要包括水泥的水解和水化反应、粘土颗粒与水泥水化物的作用、水泥水化物吸收空气中二氧化碳发生碳酸化作用[3]，其作用机理复杂，强度指标影响因素较多。
1．水泥搅拌桩加固土强度指标影响因素分析
影响水泥搅拌桩加固土强度的主要因素有：水泥掺入比、龄期、土样含水量、水泥标号、土样中的有机质含量、外加剂、养护方法等，其中龄期、水泥掺入比和土样含水量对强度影响最大。
表1 水泥搅拌桩加固土强度指标影响因素表
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通过表1可知，在其它条件一定时，水泥掺入量越大，水泥搅拌桩加固土强度越高，且水泥掺入比对强度影响较大；一般情况下，在其它条件一定时，水泥等级提高，水泥搅拌桩加固土的强度也会增加；水泥搅拌桩加固土的强度随龄期增长而提高，且龄期对强度影响较大，一般认为，当龄期超过3个月后，影响水泥土强度及渗透性等的物理化学变化才减缓至较低水平，因此一般选用3个月后的龄期强度作为水泥土的强度标准[2]；一般情况下，在其它条件一定时，水泥搅拌桩加固土强度随土体的天然含水量的降低而增大，且原状土的含水量对加固土强度影响较大；一般情况下，在其它条件一定时，水泥搅拌桩加固土强度随土体中有机质含量的减少而增大；不同的外掺剂对水泥搅拌桩加固土强度有着不同的影响。
2．现有计算方法总结
2.1《广东省海堤工程设计导则》中计算方法（方法一）
搅拌桩桩身粘聚力
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（1）
搅拌桩复合地基的等效强度c
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（2）
搅拌桩复合地基的等效强度φ(°)
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（3）
公式（3）中搅拌桩的刚度
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(kN/m)，可利用下式计算：
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（4）
公式（4）中搅拌桩桩顶土层的刚度
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(kN/m)
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（5）
公式（4）中搅拌桩桩身的压缩刚度
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(kN/m)
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（6）
公式（4）中搅拌桩桩底土层的刚度
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(kN/m)
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（7）
公式（3）中搅拌桩桩周软土部分的刚度
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(kN/m)，可利用下式计算：
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（8）
式中
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为搅拌桩截面积，m²；
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为桩周土截面积，m²；
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为搅拌桩直径，m；
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为泊松比；
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为形状系数；
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为桩顶土层的变形模量，kpa；
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为桩底土层的变形模量，kpa；
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为搅拌桩的压缩模量，可取（100~120）fcu，kpa；
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为桩间土的压缩模量，kpa；
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为搅拌桩桩长，m；
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为搅拌桩的面积置换率，
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，其中
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为搅拌桩直径，
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为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径（m），等边三角形布桩
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，正方形布桩
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，矩形布桩
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，
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、
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、
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分别为桩间距、纵向桩间距和横向桩间距；
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为搅拌桩桩身内摩擦角，取
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=20°~24°；
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为软土层粘聚力；
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为软土层内摩擦角；
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为桩的沉降
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和桩周软土部分沉降
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之比，即
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，对填土，一般
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<
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，可取
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；
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为桩身强度折减系数，干法可取0.20~0.30；湿法可取0.25~0.33；
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为与搅拌桩桩身水泥土配比相同的室内加固土试块在标准养护条件下28d龄期的立方体抗压强度平均值，kpa。
2.2《港口工程地基规范》中计算方法（方法二）
依据《港口工程地基规范》（JTJ250-98），复合地基抗剪强度标准值可按下列公式计算：
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（9）
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（10）
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（11）
式中
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为复合地基的内摩擦角标准值（°）；
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为面积置换率；
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为应力集中系数；
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为桩体材料的内摩擦角标准值（°）；
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为桩间土的内摩擦角标准值（°）；
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为复合地基的粘聚力标准值（kpa）；
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为桩间土的粘聚力标准值（kpa）；n为桩土应力比，土坡和地基稳定计算时取1.0~2.0，附加应力小时取低值，大时取高值，地基承载力验算时取2.0~3.0，桩间土强度低取大值，强度高取小值。
3．现有计算方法的比较及拓展
3.1算例
假定原状土的抗剪强度参数为粘聚力c=10kpa，内摩擦角f=9°，搅拌桩桩径d=500mm，桩长l=7m，当其它条件一定时，利用上述两种方法计算不同置换率条件下搅拌桩加固土复合地基等效强度指标变化情况见表2所示。
表2 不同置换率条件下搅拌桩加固土等效强度指标
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图1 不同置换率条件下搅拌桩加固土等效强度指标变化（方法一）
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图2 不同置换率条件下搅拌桩加固土等效强度指标变化（方法二）
表4 水泥搅拌桩加固土等效强度指标影响系数取值范围表
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由上述计算结果可见，置换率对水泥搅拌桩加固土等效强度指标的影响较大。当其它条件一定时，通过方法一计算出的等效强度指标，无论是c值还是f值，均随着置换率的增大而增大；通过方法二计算出的等效强度指标中，c值随着置换率的增大而减小，f值随着置换率的增大而增大；无论是方法一还是方法二，均体现出置换率越低时，提高置换率对复合地基强度指标的提高越明显的规律。
假定原状土的抗剪强度参数为粘聚力c=10kpa，内摩擦角f=9°，搅拌桩桩径d=500mm，桩长l=7m，加固土的置换率及其它条件一定，利用上述两种方法计算不同抗剪强度指标的原状土加固后复合地基等效强度指标变化情况见表3所示。
表3 置换率一定时，不同强度指标的原状土加固后等效强度指标
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由表3可知，当其它条件一定时，无论是方法一还是方法二，原状土c、f值越小，计算出的水泥搅拌桩加固土等效强度指标提升越明显。
3.2两种计算方法的比较分析及拓展
由上述算例可知，方法二计算出的水泥搅拌桩加固土等效强度指标较方法一偏保守，但方法二计算的加固土等效粘聚力c值比加固前c值小，且当原状土指标较优时，通过方法二计算的加固后等效强度与原状土指标相差无几，与实际情况不符；而通过方法一计算出的加固土等效强度指标较为合理，推荐采用方法一进行计算。
无论是利用方法一还是方法二计算水泥搅拌桩加固土等效强度指标时，对因原状土性质差异引起的加固后强度差异均未作考虑。这是因为两种计算方法的公式中仅考虑了影响加固土强度的水泥掺入比、龄期、水泥标号、原状土强度指标等因素，但均未考虑土样含水量、土样中的有机质含量、外掺剂、养护方法等其它影响因素。但事实上，强度指标相同的两种原状土体，因为其物理化学特性不同，如含水量、颗粒粒径、孔隙水化学性质、有机质等，都会影响加固土的强度。为了更为全面地判定水泥搅拌桩加固土的等效强度指标，使计算结果更为合理，在上述等效强度计算方法的基础上，本文引入影响系数K，以考虑上述计算公式中未考虑的其它影响因素，并将其它影响因素按照影响程度的大小确定取值，影响系数K的取值范围见表4。
在上述计算方法的基础上，将计算结果乘以影响系数K，作为最终的水泥搅拌桩加固土等效强度指标。
4．结论
本文给出了现有的两种水泥搅拌桩加固土等效强度指标的计算方法，通过对两种计算方法的对比分析，选择出相对合理的计算方法，并在此基础上，通过对水泥搅拌桩加固的作用机理及影响因素分析，引入影响系数K，并得到以下结论：
（1）水泥搅拌桩加固土的作用机理复杂，对加固后的复合地基强度影响因素较多，对于水泥搅拌桩复合地基整体稳定计算参数选取应根据工程实际情况而定，不能生搬硬套，有条件的情况下，应通过试验确定加固后复合地基的抗剪强度指标。
（2）在其它条件一定时，置换率越大，水泥搅拌桩加固后复合地基的抗剪强度越大，且置换率越低时，提高置换率对复合地基强度的提升越明显；在其它条件一定时，原状土强度指标（c、f值）越小，水泥搅拌桩加固后复合地基的强度提升越明显。
（3）通过算例对比分析，上述计算方法二虽较方法一偏保守，但方法一计算结果较为合理，推荐采用方法一计算水泥搅拌桩加固后复合地基的等效强度指标。
（4）上述两种计算方法均不够全面，仅考虑了部分影响因素，本文引入水泥搅拌桩加固土等效强度指标影响系数K，在上述计算方法的基础上，将计算结果乘以影响系数K，作为最终的水泥搅拌桩加固土复合地基的等效抗剪强度指标。
参考文献
[1]律文田，聂如松，张有为.水泥搅拌桩加固土强度的影响因素分析[J].西部探矿工程，2005，17（1）.
[2]陈慧娥.有机质影响水泥加固软土效果的研究[D].长春，吉林大学，2006.
[3]麻勇.近海软土水泥搅拌加固体强度提高机理及工程应用研究[D].大连，大连理工大学，2012.
[4] DB44∕T182-2004 《广东省海堤工程设计导则》.
[5] JTJ250-98 《港口工程地基规范》.