摘要：水泥土搅拌桩是利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械现场将软土和水泥（干法或湿法）强制搅拌，利用水泥与软土之间所产生的物理化学反应，使软土硬结成具有水稳定性、整体性和一定强度的水泥土的地基加固方法。虽然水泥土搅拌桩复合地基在理论和工程实践方面取得了很大的进展，但其加固效果检测与评价严重落后于工程实践。水泥土搅拌桩与刚性的混凝土桩不同，也与柔性的碎石桩和砂桩不尽相同，其加固体的强度介于混凝土和原状土之间。
关键词：建筑工程；水泥土；搅拌桩；质量检测；分析
1导言
水泥土搅拌桩因为适用土质广、加固深度大、成本低等优势成为了处理软土路基的主流措施之一。以地勘资料为基础数据，以符合要求的地基承载力、工后沉降为目的，反算得出桩长、桩距、桩径是现在大部分工程采用的设计方法，但是水泥土搅拌桩加固地基受力特性复杂，力学分析的困难，因此建议设计过程中结合数值分析方法，对不同工况产生的变形、空隙水压力等数据进行预估，结合施工过程中监测数据，优化模型，指导项目实施。
2水泥土搅拌桩加固机理及质量检测方法研究进展
2.1 水泥土搅拌桩的加固机理
水泥的水解和水化反应。水泥遇到软土中的水后，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成Ca（OH）2、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物。Ca（OH）2 和含水硅酸钙能迅速溶于水中，使水泥颗粒表面重新暴露出来，再与水发生反应，逐渐使水溶液达到饱和，以后，新生成物以胶体析出，悬浮于溶液中，形成胶体。
离子交换和团粒化作用。地基土中含量最多的二氧化硅遇水后，形成硅酸胶体微粒，其表面带有Na +或K +，它们能和水泥水化生成的Ca（OH）2 中Ca ++进行当量吸附交换，使较小的土颗粒形成较大的土团粒，使土体强度提高。
硬凝反应。随着水泥水化反应的深入，溶液中析出大量的Ca++，当其数量超过离子交换的需要量后，在碱性环境中，与组成粘土矿物的SiO2 和Al2O3 的一部分或大部分进行化学反应，水泥和土逐渐生成了不溶于水的稳定结晶化合物，在水和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。
碳酸化作用。水泥水化物中游离的Ca（OH）2 能吸收水中和空气中的CO2，发生碳酸化反应，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应使水泥土的强度小幅缓慢增长。
2.2 水泥土搅拌桩质量检测方法研究进展
美国在第二次世界大战后成功研制开发原地搅拌桩，1953年日本从美国引进，1977年我国由冶金工业部建筑研究总院和交通部水运规划设计院协作进行水泥搅拌法的研究工作，并于1980年首次获得成功运用。随着水泥土搅拌桩的大规模应用，广大学者对水泥土搅拌桩质量检测进行了广泛和深入的研究。现阶段对桩体承载力检测的研究已经比较深入，《建筑地基处理技术规范：JGJ 79-2012》和《建筑基桩检测技术规范：JGJ 106-2014》对其承载力检测有了详细的规定。然而全桩质量的检测相关规范落后于实际工程的需要，其他检测方法虽已有研究和应用，但是目前仅出台了《江苏省高速公路水泥土搅拌桩检测工作实施细则》，该细则也仅对钻芯法检测做了相关规定。《建筑地基基础检测规范：广东省标准DBJ 15-60-2008》仅简单介绍水泥土搅拌桩相关检测要求参照混凝土桩检测规定执行。研究人员人对钻芯法在水泥土搅拌桩检测中的应用进行了详细的研究，并建立了一套适合高速公路工程的质量评分标准。另外有研究学者对发射波法在水泥土搅拌桩检测应用的可行性进行了讨论。
工程应用证明，多项检测方法相结合的搅拌桩检测体系，可以满足水泥土搅拌桩的检测要求。通过对水泥土搅拌桩在工程应用的经验总结，普遍认为水泥土搅拌桩质量检测是一个复杂的问题，依靠单一的方法对水泥土搅拌桩质量检测和评价已经出现明显缺陷，为此近年来广大学者对水泥土搅拌桩系统的检测方法和评价体系进行了深入的研究。
3检测方法的分类与分析
对水泥土搅拌桩的质量进行检测与评价的目的是为了弄清成桩状况，检测桩体质量能否满足设计要求，工程安全是否得以保证。检测与评价的内容主要在三个方面：搅拌桩强度、搅拌均匀性和桩身长度。目前对水泥土搅拌桩检测常用的方法主要有：开挖法、足尺试验法、轻型动力触探试验、静力触探试验、钻孔取芯法、标准贯入试验、抗压强度试验、静载荷试验和动测法等。
3.1开挖法
开挖法主要采用挖机或人工开挖出桩头查看桩的成型情况，检查桩头的桩径、外观质量、搭接情况、完整性和搅拌的均匀性。由于开挖深度受限，只能检查桩顶部分外观质量，试验根数只能为个别数，若桩体强度很低，开挖后因水分散失，强度变化大。该方法检测龄期为7d后，开挖深度为1-2m，费用较低，耗时较少，无法检测桩体中下部，检测结果无代表性。
3.2足尺试验法
该方法一般是在成桩28d后对桩身浅部截取三段桩体进行现场足尺桩体无侧限抗压强度试验。该方法可以较直接的得出桩体强度和变形特征。但其缺点是截取、制作试验体较困难，需要特制的夹具，移动试验体施工不便；检测深度有限，常规为桩顶以下2m，只能代表桩上部的局部强度；开挖比较困难，需要进行围护施工，开挖出的基坑回填困难，且难以压实。
3.3轻型动力触探试验
轻型动力触探是直接对水泥土搅拌桩顶部0-4 m范围内的桩身进行强度原位测试的方法。该法可检查搅拌均匀性，判断桩身强度，操作简单，耗时较少，测试数量可按一定比例进行。由于水泥土搅拌桩往往上部强度较大，轻型动力触探由于能量有限，难以施工。此外，该方法检测深度一般不超过3-4 m，龄期要求在3-7d内，无法对深部及中长期强度和桩身完整性进行判断，可考虑作为施工自检手段。
3.4静力触探试验
静力触探法是利用比贯入阻力或锥尖阻力与侧壁摩阻力估算桩身强度的原位测试方法。该方法能反映桩身水泥搅拌均匀性，能快速、经济、有效地检测桩身早期强度；缺点是检测结果较离散，理论和实际还需做深入探讨，检测龄期仅限于3-7d内进行。
3.5钻芯法
钻芯法可以直接检查桩长、水泥土的连续性、桩身成型和搅拌均匀性，能进行强度试验。但其缺点是设备较笨重，功效较低，垂直度难以控制，对桩有一定破损，需经历取芯制作、养护和试验过程，耗时较长，费用相对较高，检测时间为成桩28d后。该方法可与标贯试验同步进行，应用最为广泛，但是目前规范仅规定参照灌注桩对搅拌桩进行检测，针对性不强，实际运用不够科学规范，相关规范还有待细化明确。
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3.6标准贯入试验
标准贯入试验往往与钻芯法结合使用，能原位测试桩身强度，反映桩体均匀性和桩长，贯入击数不受芯样损坏情况影响。缺点是测试点不连续，设备较笨重，当桩体不均匀时，检测结果可能失真，检测时间一般在成28 d后进行。
3.7 抗压强度试验
通过钻芯法钻取芯样进行无侧限抗压强度试验，可以得到桩体上中下各部位的强度，有相关规范规程作为依据，现场芯样可在室内养护至90 d，能检测长龄期强度；缺点是水泥土试样制作过程中受到不同程度的损坏，费用相对较高。检测时间为成桩28 d 后。
3.8 静载荷试验
由于水泥土搅拌桩最关注的是其单桩竖向抗压承载力或作为复合地基的整体承载力，静载试验是在桩体达到28 d 后，对单桩或复合地基进行静载荷试验，能准确、直接测出单桩或复合地基承载力，可直接判定单桩或复合地基的承载力和变形。但是静载试验存在以下缺点：试验条件与实际荷载条件存在一定差异，试验机械设备多，历时长，费用高，测试数量较少，且存在载荷板尺寸效应，荷载传递深度有限，必须在桩体强度满足试验荷载条件时才能进行，不能提供桩身质量的完整性、均匀性、连续性的完整信息，往往以单桩复合地基载荷试验结果为依据，忽略了群桩效应。
3.9 动测法
动测法是将桩体简化为一维线弹性杆件模型，利用弹性波在不同介质中传播的规律来判断桩身的质量，主要分为应力波透射法和地震波法。动测法具有投入小，效率高，对桩体无损伤，检测频率高，工期短等优势。由于水泥搅拌动测法主要用于检测混凝土桩之类的刚性桩，对于半柔性半刚性的水泥土搅拌桩，能量衰减较快，桩头处理要求高，桩底反射不明显，桩身的离散性较大，测试效果较差。目前，该方法只能作为静载试验和其他检测方法的一种重要的参考依据，尚不能取代其他方法单独地进行水泥土搅拌桩质量的评定。
4检测方法的应用研究
建筑工程中水泥土搅拌桩具有数量大，应用广泛，施工强度高的特点，急切需要采用统一的质量检测方法来提高整体的施工质量，为此必须确定合适的检测单元、检测比例、检测方法、检测龄期与检测指标。
4.1检测单元
水泥土搅拌桩检测宜将同一同一标段、同一施工单位、强度相同的桩作为一个检测单元。
4.2检测比例
建筑工程由于具有等级和规模，因此检测比例的确定应既能达到检查施工质量的目的，又不至于费用过高和时间过长，检测比例宜在一定范围内变动。因此，建议按搅拌桩总延米数进行分类，适当考虑工程的重要性。
4.3检测方法
对水泥土搅拌桩的检测以检查施工记录为主，施工单位可采用轻型动力触探自检，对早期龄期的检测还可采用开挖桩头和足尺试验的方法进行选择性检测，主要查看桩径、桩间距、搅拌均匀性等。对28d中期龄期水泥土搅拌桩主要采用钻芯法、标准贯入试验和无侧限抗压强度试验，辅以静载荷试验进行验收检测。
4.4检测龄期
轻型动力触探和静力触探法宜在成桩3-7d内进行，开挖检查法和足尺试验法应在成桩7d后进行，其他试验检测龄期为不小于28d。如果有长龄期的检测要求，可以采用留取28d芯样室内养护至90d龄期进行抗压强度试验，以节约检测时间。
5、水泥土搅拌桩常见质量事故及工程对策
5.1 水泥土搅拌桩常见质量事故
桩位偏移：施工中由于放线误差造成桩位移，当桩位偏差>50mm 时，通常要进行补桩处理，即在偏位桩附近补一根桩。缺桩：施工中因现场操作人员疏忽，造成工程桩漏打，针对该类事故，必须在原桩位按设计要求补打一根桩。桩长不够：因施工单位偷工减料或其他原因，造成桩底未达到设计要求的持力层，处理原则应在该桩附近按原设计深度补打一根桩。桩头浅部缺陷：一方面，由于桩顶段搅拌不均，强度较低所造成；另一方面，由于水泥土搅拌桩静载试验常常在工程桩上进行，而水泥土搅拌桩又不同于一般的刚性桩，其破坏主要是桩身强度破坏，这样就造成水泥土搅拌桩浅层破坏。针对该类事故，应将有缺陷的桩段或试验造成破坏桩段全部截掉，并将表面清理干净，然后用1∶2 水泥砂浆将桩接至设计标高。桩身缺陷：由于施工过程中停电、喷浆（或喷粉）孔堵塞、地层不匀等原因造成桩身部位断桩、缩颈、桩身不匀等缺陷，影响到工程使用的，一般应在缺陷桩附近补打一根桩。群桩缺陷：由于施工工艺或其它原因造成水泥土搅拌桩大面积缺陷，如缺陷发生在浅部，可采用将缺陷部位全部挖除，降低桩顶标高，同时加大褥垫层厚度的办法处理。如果缺陷发生在深部，则处理起来比较困难，大面积补桩又不大现实，则可以考虑改变基础形式。
5.2 提高水泥土搅拌桩质量的技术措施
施工前进行室内配比试验。水泥土的强度与土的种类、含水量、有机质含量、固化剂的种类和掺入量有直接关系，施工前，应进行室内配比试验，以确定合理的施工参数。改进施工工艺，应用“ 变径水泥土搅拌桩”。研究表明，水泥土搅拌桩在荷载作用下，其桩身轴力由大变小，在桩顶下某一深度发生突变，桩身轴力逐渐衰减。其侧壁摩阻力沿桩长呈现上部较大，下部较小的规律。为了充分发挥桩的承载力，应用“ 变径水泥土搅拌桩”，在一定程度上可以避免等直径桩自身的缺陷。加强施工过程中的监理。水泥土搅拌桩属隐蔽工程，为保证桩的质量，需严格控制水泥的用量、桩长和提升速度，根据设计要求进行成桩试验。采用轻便触探试验，及时检测水泥土搅拌桩的均匀性。加强施工人员的职业道德教育，强化质量意识。
6结论
水泥土搅拌桩建议采用钻芯法结合室内抗压强度试验检测桩身强度；建议采用静载荷试验法能检测单桩或复合地基承载力，实际运用过程中先进行钻芯检测后进行静载试验较好。开挖法、足尺试验法、轻型动力触探试验、静力触探试验、标准贯入试验法、动测法目前虽在工程中均有应用，由于自身方法的局限性，往往代表性不强，可以作为施工过程中的自检或辅助检测手段，不宜推广作为水泥土搅拌桩验收检测方法。
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论文作者:谢裕茂
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/7
标签：水泥论文; 强度论文; 地基论文; 方法论文; 抗压强度论文; 质量论文; 承载力论文; 《基层建设》2019年第15期论文;