袁内镇1，袁奕2
（1. 湖北省勘察设计协会；2. 湖北天利建筑技术有限责任公司）
【摘 要】 深层搅拌水泥土桩是应用较广泛的一种地基处理工艺，应用中大多考虑了该工艺的优点，而对其技术经济指标、施工工艺、设计方法等方面所存在的问题，则缺乏足够的认识，从而导致不合理甚至盲目应用的事例时有发生，有的造成了严重的质量事故。本文就深层搅拌水泥土桩应用中常见的主要问题进行了探讨，供应用中参考。
【关键词】 深层搅拌； 水泥土桩； 技术经济指标； 设计； 检测； 复合地基。
1.前言
深层搅拌水泥土桩自上世纪八十年代在我国开始应用以来，应用领域得到很大的拓展，大量用于公路、铁路、机场的软弱地基加固，深基坑工程中的支挡防渗工程，以及8层以下的多层建筑物的地基处理。根据我国国情开发的价格低、机型轻便的搅拌机械，在软土地基处理中发挥了很大的作用。目前除西藏、青海等省外，其余各省、市、自治区，包括台湾在内都有应用的报道。
在工程实践中，由于我国搅拌机械的性能及施工监控系统不够完善，加上操作不认真，设计理论不够成熟，工程中出现了不少质量事故。上世纪九十年代，上海市、江苏省、天津市等先后发文，禁止在建筑物地基处理工程中使用干法工艺的深层搅拌水泥土桩——粉喷桩。武汉市也于1998年出台了粉喷桩的设计。施工管理规定，对粉喷桩的适用范围作了明确地限制，对设计、施工的主要问题也进行了说明。
鉴于该技术具备施工速度快，对环境影响小，可施工不同形状的加固体等优点，从事该项施工的人数和单位不断增多，出于盈利的目的，商业性宣传掩盖了发生的问题，同时也掩盖了该工艺本身所存在的症结，形成了简单地禁止使用或者盲目使用、勉强使用的两个极端。为了深层搅拌水泥土桩技术的健康发展，有必要对一些主要问题进行深入探讨。
2.技术经济招标问题
国内大量应用的搅拌桩桩径多为500mm~700mm， 有单头搅拌、二头搅拌和多头搅拌之分。用于特殊目的（如隔渗等）也可施工直径1000mm左右的搅拌桩。桩长可达20mm左右。为了降低造价，便于施工，水泥的掺入量大部分控制在15%左右。大量的工程实践证明，在此种掺入比的情况下，在软土中，桩体无侧限抗压强度（现场平均值）仅能保持在1.0MPa左右。常常形成桩身强度控制承载力，土的抗力不能完全发挥作用的不合理模式。
按《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002的有关规定，考虑试桩超载及使用中的安全度，桩体强度应符合下式要求。
式中fcu——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90d龄期的立方体抗压强度平均值；
η——桩身强度折减系数，干法可取0.20~0.30，湿法可取0.25~0.33；
Up——桩身横截面周长；
qs——桩园土摩阻力的加权平均值；
L——桩长；
Ap——桩身横截面积；
α——桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4~0.6。
取α=0.5，d=0.5m，η=0.25一般软土中按 qs=12KPa，qp=150KPa计算，如下式：
fcu≥384L+300
按（3）式计算不同桩长可以充分发挥土抗力时桩身的强度值，计算结果见表1。
表1 不同桩长当充分发挥土抗力时对应的桩身强度值
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-INDENT: 35.9pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto; mso-char-indent-count: 2.98" align=left>桩长(m) normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>20 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>18 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>15 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>12 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>9 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>6 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>5 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>试块立方体强度(kPa) normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>7980 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>7212 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>6060 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>4908 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>3756 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>2604 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>2220 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>现场桩身强度(kPa) normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>3990 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>3606 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>3030 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>2464 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>1878 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>1302 normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; LINE-HEIGHT: 25pt; TEXT-ALIGN: left; mso-line-height-rule: exactly; mso-pagination: widow-orphan; mso-margin-top-alt: auto; mso-margin-bottom-alt: auto" align=left>1110
从表1中可以看出，除深厚超软土地区及短桩（桩长小于5m）外，目前施工水平所能保证的桩身强度（1MPa）远不能充分发挥土的抗力，形成了桩身强度严重制约承载力的不合理模式。Φ500mm桩当桩身强度（现场平均值）为1MPa时，仅能提供98KN的单桩承载力特征值。
为确保工程质量，防止盲目设计，湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》（DB42/242—2003）规定了水泥土搅拌桩单桩承载力特征值不宜大于120KN，复合地基承载力特征值不宜超过180KPa。
水泥土搅拌桩工艺的自身缺陷，较大桩径所提供的承载力较小，加上搅拌桩上的条基或筏基又高于桩基承台梁，因此，在许多情况下，其综合造价往往高于夯扩桩、沉管桩、预制桩或石灰桩及CFG桩复合地基。
深层搅拌桩对桩端土处理不力，其端阻力仅能取桩端土承载力特征值的二分之一左右，当桩端存在较好的土层时，不能有效地加以利用，此种情况下其它桩型的优势更为明显。
综上述，搅拌桩的技术经济指标在工业与民用建筑的地基处理中并不理想，但在控制沉降为主要目的的工程中（路基、堆场、地坪等软基加固）则仍有用武之地。
3.施工工艺的问题
我国的深层搅拌桩施工监控系统不完善，钻头升降与供料系统非联动操作，加上堵管等影响，单位桩长的供灰量不准确，常常造成沿桩长方向桩身强度过大的差异，不少桩身的芯样不能成型，在收集到的100余根粉喷桩的抽芯检测资料中，全桩桩身完整者仅3根，问题不容忽视。
深层搅拌桩利用原位土拌合，既有优点又有弊病。众所周知，水泥土强度与土质的关系非常密切，同样的掺入比，同样的工艺在淤泥中和砂类土中的水泥土强度可相差1倍以上。当穿越不同土层时，很难避免桩身强度的差异，这种差异也制约搅拌桩的承载力。
如前述，搅拌桩桩径与承载力不匹配，大于Φ500mm的桩径给基础下布桩造成困难，在一定桩距条件下，它要求很宽的基础，从而降低了经济效益，在大量采用条形基础的多层建筑物下此种矛盾较为突出。
深层搅拌机械是针对软土设计的，但在软土处理中往往要穿透一定厚度的强度较高的土层，或要进行复搅时，目前的机械往往不能胜任，这也限制了该技术的发展。
4.设计方法的问题
由于水泥土桩的变形模量一般为其无测限抗压强度的120~150倍，高达100MPa以上，其应用的环境又为软土，因此桩土模量比大多超过50，规范中规定按桩基的设计原理计算单桩承载力是合理的。
但是，如前所述，由于单桩承载力很小，在软土中要取得较理想的复合地基承载力，只得采取增加桩数，即加大置换率的办法。据笔者统计，大多数的深层搅拌桩的置换率在20%以上，桩中心距仅能保持在二倍桩径左右。深层搅拌桩多为摩擦桩或端承摩擦桩，在小桩距下其测阻力的群桩效应不容忽视，在软土中的搅拌群桩呈块体深基础形态。此时简单地套用规范中的规定，以单桩复合地基载荷试验的结果为依据，忽略群桩桩端土的强度和变形问题，是十分危险的。
上述问题表现在沉降计算中更令人担忧。按《建筑地基处理技术规范》JGJ79—2002第11.2.9条规定“……桩端以下未加固土层的压缩变形S可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的有关规定进行计算。”条文说明中明确了“下卧层变形按天然地基采用分层总和法进行计算”。上述规定在浙江等地区的一般软土中，特别是桩端进入稍好的土层时，计算结果与实际情况相差不远，对于武汉地区湖相沉积的超软土——淤泥，当搅拌桩未穿透厚层淤泥，呈“悬浮 ”状态时，计算结果远远小于建筑物实际沉降量，由此造成了数十憧建筑物大量下沉、倾斜，沉降量大多超过300mm且未稳定，倾斜率也超过危房标准的7‰。
5.检测方法的问题
复合地基及单桩承载力检验采用静载荷试验的方法。由于压板尺寸的限制及桩身的可压缩性，其影响深度不大，试验结果不能完全代表加固深度范围内复合土层及桩身质量的实际状况。
特别是水泥土桩桩身完整性及强度的检测，目前尚未找到有效的检测途径。规范中提出成桩3天内用轻型动力触探（N10）检查桩身的均匀性，实施中有时难以贯入。采用低应变检测桩身质量，目前无试验验证数据，亦不可行。采用钻芯法时，由于粉喷桩桩中心存在喷灰盲区，桩身横截面实际为200mm厚的园环状（Φ500mm桩），在环状截面中钻芯，钻头常偏出桩外，加之钻头的扰动，芯样大多不能成型，使钻芯法也难以准确评定桩身质量和水泥土强度，以上问题给工程的检查验收工作带来了困难。
6.几点建议
6.1 用于多层建筑地基处理时，可将桩径缩小至Φ350mm~Φ400mm，同时增加水泥掺量，提高桩身强度。缩小了直径的桩有利于发挥测阻力，可以保持较大桩距，减少群桩效应的折减，减少基础宽度。
6.2 在基础与桩顶间设置100mm~300mm厚的砂石垫层，充分调动桩间土的承载力，同时避免桩头破损。在深厚软土区、垫层厚度可加大至500mm以上，利用垫层的扩散作用，加大软土的受力面积，从而可将搅拌桩布置在基础以外。此时桩距可加大至3d以上，减少群桩效应。此种措施在桩端持力层较软弱时（即所谓悬浮桩），可有效地减少沉降。
6.3 在淤泥等软土中，当桩距较小时，复合地基呈等代实体的深基效应，沉降计算应按桩基验算。湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》DB42/242—2003第7.3.10条规定了具体的计算方法，这个计算方法是通过实际工程的验证得出的。
6.4 为了减少地基沉降，可将部分搅拌桩加长，最好打至较好的土层。在深层软土中采用悬浮桩时，除增加垫层厚度外，宜将部分桩加长，这些加长桩的桩距宜大于4.5d。超长部分的桩测阻力将减少短桩桩端的附加压力，减少沉降。
6.5 加强施工监控系统的研制，提高工法的技术含量。
6.6 进行固化剂研究，提高桩身强度。
6.7 搅拌桩桩身质量及完整性的检测，应研制检测设备。在目前的水平下，建议以单桩静载试验为主，可辅以挖开及钻芯检查，钻芯结果只能作为参考，不能作评定依据，现场水泥土强度检验，最好挖开桩头及桩头以下一定深度，人工取样进行立方体抗压强度试验。