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摘要：水泥搅拌桩是软地基处理的一种有效形式，是一种将水泥作为固化剂的主剂，利用搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，使水泥与土发生一系列物理化学反应，使软土硬结而提高地基强度的地基处理方法。与其他地基处理方法相比，它具有施工设备简单、操作方便，施工时噪音小、无振动、污染小等优点，并可以取得较好的经济效益。因此，得到了广泛的应用。但是，由于水泥土是由水泥和原地基土强制拌和而成的，其强度受到土的成因、有机质含量、含水量和渗透性等条件影响。因此，只有清楚地质条件对水泥搅拌桩桩体强度的影响，设计或施工才能更合理。
关键词：水泥搅拌桩；强度；影响因素；试验
水泥搅拌桩经常被运用到淤泥和泥灰土以及淤泥质土等的软土层之中，加固该土层的地基。为了提升软土层的承受力降低成型路基的下沉现象，将水泥搅拌桩运用于其中，收到了良好的效果。
1水泥土强度的原理
1.1水泥石骨架作用
水泥与土拌和后，水泥矿物所含的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙先与水进行水解和水化反应，同时从溶液中分解出氢氧化钙并形成其它具有胶结能力水化物，如：水化硅酸钙、水化硫铝酸钙、水化铁铝酸钙等水化物。上述水化物在土的空隙中相互交织搭接，将土颗粒包裹连接起来，使土逐渐丧失了原有的塑性等性质，并随着时间的推移形成浆状体凝结硬化，形成水泥石骨架，使加固的桩体形成一定强度。
1.2离子交换及团粒化作用
在水泥水化后的胶体中，Ca（OH）2和Ca2+，（OH）-共存。而粘土矿物以SiO2为骨架而合成的板状或针状的结晶是其主要构成部分，通常其表面会带有Na+和K+等离子。析出的Ca2+离子会与土中的Na+、K+离子进行当量吸附交换，其结果使大量的土粒形成较大的土团。由于水泥水化生成物Ca（OH）2具有强烈的吸附活性，而使这些较大的土团粒进一步结合起来，形成水泥土的链条状结构，有封闭土团间孔隙的作用，形成稳定的联结结构。
2试验设计
从某工程施工现场获取原状淤泥质黏土，天然含水率为43.8%，密度为1.8g/cm3。在实验室中，将一部分原状土直接与水泥和水搅拌均匀后制作原状土样水泥土试样；另一部分原状土在室外干燥通风环境下（28℃～35℃，RH60%～75%）自然风干，根据《水泥土配合比设计规程》（JGJ/T233-2011）所述方法，经研磨后与水泥和水混合，制作风干土样水泥土试样。分别测试各试样的抗剪强度指标及无侧限抗压强度。
2.1原状土样水泥土试样制作及养护
原状土质量按式（1）计算：
ms=1000ρsVs（1）
式中，ms为原状土的质量（kg），ρs为土的天然密度（g/cm3），Vs为土的体积（m3）。
设计水泥掺入比确定后，水泥掺量按式（2）计算：
mc=0.01awms（2）
式中mc为水泥的质量（kg），aw为水泥掺入比（%）。
选定水泥浆水灰比后，加水量按式（3）计算：
mw=μ×mc（3）
式中mw为加水量（kg），μ为水泥浆水灰比。
按设计配合比准确称量试验材料，先将原状土和水泥均匀混合，再洒水搅拌直至均匀，分别浇筑70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试件（每组5个，其中2个备用）和直径D=61.8mm、高H=20mm的圆柱体环刀试件（每组15个，其中3个备用），其中，立方体试件用于无侧限抗压强度试验，圆柱体用于抗剪强度试验。所有试件在浇筑24h后拆模，放置于标准养护室（25℃，95%RH）内养护28d。
1.2风干土样水泥土试样制作
根据规范要求，配合比设计步骤如下：
根据试验方案确定所需风干土的质量，按式（4）计算：
m0=1+0.01ω01+0.01ωms （4）m0=1+0.01ω01+0.01ωms （4）
式中，m0为风干土质量（kg），ω0为风干土含水率（%），ω为原状土的天然含水率（%）。其中，ω由施工现场资料确定，ω0通过实验室中检测获得。
根据设计的水泥掺入比，按式（5），确定水泥质量：
mc=1+0.01ω1+0.01ω00.01awm0 （5）mc=1+0.01ω1+0.01ω00.01awm0 （5）
2试验结果
在配合比设计、试验条件相同的情况下，风干土样水泥土试样的无侧限抗压强度值明显高于原状土样水泥土试样。两者的差距在30%～50%之间波动。两者的差距随着水灰比降低而增大，最高可以相差100%。其原因可能是由于制作风干土时土体颗粒得到充分研磨，与水泥混合时搅拌均匀，水泥土试件凝结硬化过程中水泥水化充分、试件强度增长均匀；而原状土样水泥土在制作时水泥浆并不能与淤泥质土体充分地、均匀地搅拌，水泥凝结的硬化反而使得试件强度分布不均匀，导致试件抗压强度不高。
当水泥浆水灰比保持2.0不变时，随着水泥掺入比增大，两类水泥土无侧限抗压强度并没有明显的变化。由于水灰比大于土样天然含水率，水泥掺入比增大的同时也使水泥土的含水量增大，此时不光要考虑水泥掺入比增大对水泥土强度的积极影响，也要考虑水泥土含水量增大对水泥土强度的消极影响。
当水泥掺入比固定时，水泥土无侧限抗压强度随水泥浆水灰比增大而降低。水泥土试件的强度除来自于土体本身以外，主要来自于水泥浆的凝结硬化。当水泥掺入比为20%，水灰比为1.3时水泥土试件抗压强度最大；随着水灰比的增大，砂浆体强度下降，这符合水泥基材料强度发展基本规律，因此两类水泥土的强度随水灰比的增大呈现显著的下降趋势。
关于黏聚力的试验结果表明：（1）在水泥浆水灰比保持2.0不变时，水泥掺入比的变化对两种水泥土的黏聚力的影响规律并不明显。（2）当水泥掺入比保持20%不变时，两类水泥土的黏聚力均随水泥浆水灰比的增大而减小，其中风干土样水泥土黏聚力下降较快。水灰比从1.3增加到1.5，风干土样水泥土的黏聚力下降28.6%，而原状土样水泥土的黏聚力下降仅2.5%；水灰比从1.5增加到1.7，风干土样水泥土的黏聚力下降8.8%，而原状土样水泥土的黏聚力下降仅2.6%；水灰比从1.7增加到2.0，风干土样水泥土的黏聚力下降36.1%，原状土样水泥土的黏聚力下降20.0%。（3）配合比设计参数相同时，风干土样水泥土的黏聚力均高于原状土样水泥土，且随着水泥掺入比和水灰比的增大，两者的差距逐渐减小。
黏聚力来源于土粒间分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力。因此黏聚力的下降可能是由于土颗粒间的原始引力被削弱，以及化合物胶结作用的降低。对于风干土样水泥土，试件浇筑前风干土样经过充分研磨并与水泥颗粒均匀混合，拌入水后水泥颗粒水化充分形成水化产物使得水泥凝结硬化，可为风干土样水泥土试件提供较为显著的固化黏聚力；但水泥基材料强度随水灰比、含水量的影响显著，水灰比提高后将严重影响强度增长，因此当试件中含水量提高、水泥浆水灰比增大时，风干土样水泥土黏聚力出现快速下降的情况。而原状土样水泥土在制作时水泥浆并不能与淤泥质土体充分地、均匀地搅拌，水泥凝结硬化提供的黏聚力在试件中分布不均匀，来自于土体本身的黏聚力仍占重要比例。当含水量提高或水泥浆水灰比提高时水泥土含水率提高，水泥基材料对水泥土黏聚力的影响减小，土体本身的黏聚力在水泥土中所占比例加大，使得原状土样水泥土受水泥掺入比、水泥浆水灰比变化的影响并不显著，风干土样水泥土的黏聚力逐渐接近原状土样水泥土的黏聚力。
结论
侧限抗压强度试验与劈裂强度试验表明：振动搅拌能够提升水泥稳定碎石的无侧限抗压强度与劈裂强度，但提升效果均随水泥用量的升高而降低。
参考文献：
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